Silika (SiO2) ultrahelidispersioon

Silikaat ehk SiO2, nanosilika või mikrosilika, mida kasutatakse hambapastas, tsemendis, sünteetilises kummis, suure jõudlusega polümeeris või toiduainetes paksendaja, adsorbendi, kokkukleepumisvastase aine või lõhna- ja maitseainete kandjana. Allpool saate lugeda lähemalt nanosilika ja mikrosilika kasutusaladest ning sellest, kuidas ultraheli sonomehaanilised efektid võivad parandada protsessi efektiivsust ja lõpptoote omadusi, valmistades paremaid silikasuspensioone ja hõlbustades silika nanoosakeste sünteesi.

Nanosilika (SiO2) ultrahelidispersiooni eelised

Silika on saadaval paljudes hüdrofiilsetes ja hüdrofoobsetes vormides ning selle osakeste suurus on äärmiselt väike – mõnest mikromeetrist kuni mõne nanomeetrini. Tavaliselt ei dispergeeru silika pärast märgamist hästi. Samuti lisab see toote koostisesse palju mikromulle. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on tõhus protsessitehnoloogia mikrosilika ja nanosilika dispergeerimiseks ning lahustunud gaasi ja mikromullide eemaldamiseks koostisest.

Ultrahelidispersioon on tehnika, mis kasutab suure intensiivsusega madalsageduslikke ultraheli laineid osakeste dispergeerimiseks ja deaglomereerimiseks vedelas keskkonnas. Silika ja nanosilika dispergeerimisel pakub ultrahelidispersioon mitmeid eeliseid:

Silika osakeste suuruse tähtsus

Paljude nano- või mikromõõtmeliste ränidioksiidi rakenduste puhul on hea ja ühtlane dispersioon väga oluline. Sageli on vaja monodisperssset ränidioksiidi suspensiooni, nt osakeste suuruse mõõtmiseks. Eriti tindis, pinnakatetes ja polümeerides kriimustuskindluse parandamiseks kasutamisel peavad ränidioksiidi osakesed olema piisavalt väikesed, et mitte segada nähtavat valgust, vältida uduse välimuse teket ja säilitada läbipaistvus. Enamiku pinnakatete puhul peavad ränidioksiidi osakesed selle nõude täitmiseks olema väiksemad kui 40nm. Muude rakenduste puhul takistab ränidioksiidi osakeste aglomeratsioon igal üksikul ränidioksiidi osakesel ümbritseva keskkonnaga vastastikmõjus olemast.
Ultraheli homogenisaatorid on ränidioksiidi dispergeerimisel tõhusamad kui muud suure nihkejõuga segamismeetodid, näiteks rotatsioonisegistid või mahutisegistid. Allolev pilt näitab pürogeense ränidioksiidi ultraheli dispergeerimise tüüpilist tulemust vees.

Pürogeense ränidioksiidi ultraheli dispergeerimine vees

Töötlemise efektiivsus ränidioksiidi osakeste vähendamisel

Nano-ränidioksiidi ultraheli dispergeerimine on parem kui muud suure nihkejõuga segamismeetodid, näiteks IKA Ultra-Turrax. Ultraheli annab väiksema ränidioksiidi osakeste suurusega suspensioonid ja ultraheli töötlus (sonikeerimine) on energiatõhusam tehnoloogia. Pohl ja Schubert võrdlesid Aerosil 90 (2%wt) osakeste suuruse vähendamist vees, kasutades Ultra-Turraxi (rotor-stator-süsteem) ja Hielscher UIP1000hd (1kW ultraheli seade). Allolev graafik näitab ultraheliprotsessi paremaid tulemusi. Oma uuringu tulemusena järeldas Pohl, et „Konstantse erienergia EV juures on ultraheli tõhusam kui rotor-stator-süsteem.“ Energiatõhusus ja ränidioksiidi osakeste suuruse ühtlus on äärmiselt olulised tootmisprotsessides, kus loevad tootmiskulud, protsessi läbilaskevõime ja toote kvaliteet.

Ultraheli vs. Ultra-turrax ränidioksiidi dispergeerimisel

Allolevad pildid näitavad tulemusi, mille Pohl sai pihustuskülmkuivatatud ränidioksiidi granuleid sonikeerides.

Vasakul: pihustuskülmutatud ränidioksiidi granuleid kujutavad REM-pildid enne ultraheli deaglomeratsiooni
Paremal: ultraheliga dispergeeritud ränidioksiidi fragmente kujutavad TEM-pildid
Uuring ja pildid: Pohl ja Schubert, 2004)

Suure jõudlusega ultraheli dispergaatorid kvaliteetsete ränidioksiidi koostiste jaoks

Hielscher Ultrasonics on Saksamaa perefirma, mis on spetsialiseerunud suure jõudlusega ultraheli homogenisaatorite arendamisele, tootmisele ja tarnimisele vedelike, tahkeid osakesi sisaldavate suspensioonide ja pastade töötlemiseks. Hielscheri ultraheli homogenisaatorid töötlevad usaldusväärselt ränidioksiidi lietseid ja muid nanosuspensioone, et saavutada soovitud spetsifikatsioon. Isegi väga tundlikke, abrasiivseid või väga viskoosseid tootekoostisi saab ultraheli töötluse abil tõhusalt dispergeerida ja deaglomereerida. Meie kaasaegsed sonikaatorid on äärmiselt mitmekülgsed ja pakuvad keerukaid partii- ning inline-töötluse võimalusi. Usaldusväärselt kõrged kvaliteedistandardid ja korratavad tulemused on ultraheli abil toimuva ränidioksiidi dispergeerimise põhiomadused.
Hielscheri tipptasemel tööstusliku klassi sonikaatoritel on nutikas ja kasutajasõbralik menüü, programmeeritavad seaded, automaatne andmete protokollimine integreeritud SD-kaardile, kaugjuhtimine brauseri kaudu ja suur töökindlus.
Amplituud on ultraheli töötlemisel kõige mõjukam parameeter. Amplituud tähendab ultraheli laine maksimaalset nihet ehk tipust tippu liikumist. Ultraheli dispergeerimiseks, deaglomeratsiooniks ja märgjahvatuseks on osakeste suuruse vähendamiseks piisava energia andmiseks sageli vaja kõrgeid amplituude. Hielscheri tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad anda erakordselt kõrgeid amplituude. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt kasutada ööpäevaringses 24/7 töös. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval eritellimusel valmistatud ultraheli sonotroodid.
Väikestest ja keskmise suurusega R&D- ja pilootsonikaatoritest kuni tööstuslike süsteemideni ränidioksiidi kommertstootmiseks pidevrežiimis – Hielscher Ultrasonicsil on õige ultraheliprotsessor, mis katab teie nõuded ränidioksiidi suurepäraseks töötlemiseks.

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri sonikaatorid on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutus võimaldavad meie sonikaatoreid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri sonikaatorid tulevad raskete tingimuste ja nõudlike keskkondadega hõlpsasti toime.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega sonikaatoritele, mis ühendavad tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkuse. Loomulikult vastavad Hielscheri sonikaatorid CE nõuetele ning UL-i, CSA ja RoHs nõuetele.

Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Mis on ränidioksiid (SiO2, silicon dioxide)?

Ränidioksiid on räni ja hapniku keemiline ühend keemilise valemiga SiO2 ehk silicon dioxide. Ränidioksiidil on palju erinevaid vorme, näiteks sulatatud kvarts, aurustatud (fumed) ränidioksiid, silikageel ja aerogeelid. Ränidioksiid esineb mitme mineraali koostisosana ja sünteetilise tootena. Ränidioksiid esineb looduses kõige sagedamini kvartsina ja mitmesugustes elusorganismides. Ränidioksiid saadakse kvartsi kaevandamise ja puhastamise teel. Amorfse ränidioksiidi kolm põhivormi on pürogeenne ränidioksiid, sadestatud ränidioksiid ja silikageel.

Aurustatud ränidioksiid / pürogeenne ränidioksiid

Räni tetrakloriidi (SiCl4) põletamine hapnikurikkas vesinikuleegis tekitab SiO2 suitsu – pürogeenset ränidioksiidi (fumed silica). Teise võimalusena tekib pürogeenset ränidioksiidi ka kvartsliiva aurustamisel 3000 °C elektrikaares. Mõlemas protsessis sulavad tekkivad amorfse ränidioksiidi mikroskoopilised tilgad kokku hargnenud, ahelataolisteks, kolmemõõtmelisteks sekundaarosakesteks. Need sekundaarosakesed aglomereeruvad seejärel valgeks pulbriks, millel on äärmiselt väike puistetihedus ja väga suur eripind. Mittepoorse pürogeense ränidioksiidi primaarosakeste suurus on vahemikus 5 kuni 50 nm. Pürogeensel ränidioksiidil on väga tugev paksendav toime. Seetõttu kasutatakse pürogeenset ränidioksiidi täiteainena silikoonelastomeerides ning viskoossuse reguleerimiseks värvides, pinnakatetes, liimides, trükitindis või küllastumata polüestervaikudes. Pürogeenset ränidioksiidi saab töödelda hüdrofoobseks või hüdrofiilseks, et see sobiks kasutamiseks kas orgaanilistes vedelikes või vesilahustes. Hüdrofoobne ränidioksiid on tõhus vahutõrjeaine komponent (vahuvastane aine).
Klõpsake siin, et lugeda ultraheli abil gaaside eemaldamisest ja vahutõrjest.
Pürogeense ränidioksiidi CAS-number 112945-52-5

Silica fume / mikroränidioksiid

Silica fume (ränisuits) on ülipeen, nanomõõtmeline pulber, mida tuntakse ka mikroränidioksiidina. Silica fume’i ei tohi segi ajada pürogeense ränidioksiidiga (fumed silica). Silica fume’i tootmisprotsess, osakeste morfoloogia ja kasutusvaldkonnad erinevad kõik pürogeense ränidioksiidi omadest. Silica fume on SiO2 amorfne, mittekristalliline, polümorfne vorm. Silica fume koosneb sfäärilistest osakestest, mille keskmine läbimõõt on 150 nm. Silica fume’i kõige tuntum kasutusala on puzolaanse materjalina kõrgtugevas betoonis. Seda lisatakse Portlandtsemendist betoonile, et parandada betooni omadusi, nagu survetugevus, nakketugevus ja kulumiskindlus. Lisaks vähendab silica fume betooni läbilaskvust kloriidioonidele. See kaitseb betooni armatuurterast korrosiooni eest.
Et rohkem teada saada tsemendi ja silica fume’i ultrahelisegamisest, klõpsake siia!
Silica fume’i CAS-number: 69012-64-2, silica fume’i EINECS-number: 273-761-1

Sadestatud ränidioksiid

Sadestatud ränidioksiid on valge pulbriline sünteetiline amorfne SiO2 vorm. Sadestatud ränidioksiidi kasutatakse täiteainena, pehmendajana või omaduste parandajana plastides ja kummis, nt rehvides. Muude kasutusalade hulka kuuluvad puhastus-, paksendus- või poleerimisainena hambapastades.
Et rohkem teada saada ultrahelisegamisest hambapasta tootmisel, klõpsake siia!
Pürogeense ränidioksiidi primaarosakeste läbimõõt on vahemikus 5 kuni 100 nm, aglomeraatide suurus on kuni 40 µm ja keskmine poorisuurus on suurem kui 30 nm. Nagu pürogeenne ränidioksiid, ei ole ka sadestatud ränidioksiid sisuliselt mikropoorne.
Pürogeenset ränidioksiidi toodetakse sadestamise teel silikaatsoolasid sisaldavast lahusest. Pärast neutraalse silikaatlahuse reaktsiooni mineraalhappega lisatakse väävelhappe ja naatriumsilikaadi lahused samaaegselt segades, näiteks ultraheliga segades, vette. Ränidioksiid sadeneb happelistes tingimustes. Lisaks sellistele teguritele nagu sadestamise kestus, reagentide lisamiskiirus, temperatuur ja kontsentratsioon ning pH, võivad ränidioksiidi omadusi muuta ka segamise meetod ja intensiivsus. Sonomehaaniline segamine ultraheli reaktorikambris on tõhus meetod ühtlase ja stabiilse osakeste suuruse saavutamiseks. Ultraheliga segamine kõrgendatud temperatuuril hoiab ära geelistaadiumi tekkimise.
Lisateavet nanomaterjalide, näiteks sadestatud ränidioksiidi, ultraheliga toetatud sadestamise kohta leiate siit, klõpsake siia!
Sadestatud ränidioksiidi CAS-number: 7631-86-9

Kolloidne ränidioksiid / ränidioksiidi kolloid

Kolloidne ränidioksiid on peente mittepoorsete, amorfsete, enamasti sfääriliste ränidioksiidiosakeste suspensioon vedelas faasis.
Ränidioksiidi kolloidide levinumad kasutusalad on äravoolu abiaine paberitootmisel, abrasiiv ränivafli poleerimisel, katalüsaator keemilistes protsessides, niiskusimaja, lisaaine kulumiskindlatele pinnakatetele või pindaktiivne aine flokulatsiooniks, koagulatsiooniks, dispergeerimiseks või stabiliseerimiseks.
Kolloidse ränidioksiidi kohta abrasioonikindlates polümeerkatetes lisateabe saamiseks klõpsake siin!

Kolloidse ränidioksiidi tootmine on mitmeastmeline protsess. Aluselise silikaatlahuse osaline neutraliseerimine viib ränidioksiidi tuumade tekkeni. Kolloidsete ränidioksiidiosakeste alamühikud jäävad tavaliselt vahemikku 1 kuni 5 nm. Polümerisatsioonitingimustest sõltuvalt võivad need alamühikud omavahel ühineda. pH langetamisel alla 7 või soola lisamisel kalduvad ühikud sulama ahelateks, mida sageli nimetatakse ränidioksiidigeelideks. Vastasel juhul jäävad alamühikud eraldi ja kasvavad järk-järgult. Saadud tooteid nimetatakse sageli ränidioksiidisoolideks või sadestatud ränidioksiidiks. Kolloidne ränidioksiidi suspensioon stabiliseeritakse pH reguleerimisega ja seejärel kontsentreeritakse, nt aurustamise teel.
Sonomehaaniliste toimete kohta sool-geel protsessides lisateabe saamiseks klõpsake siin!

Ränidioksiidi terviseoht

Kuiv või õhus leviv kristalliline ränidioksiid (silicone dioxide) on inimese kopsukartsinogeen, mis võib põhjustada rasket kopsuhaigust, kopsuvähki või süsteemseid autoimmuunhaigusi. Ränidioksiidi tolmu sissehingamisel ja kopsudesse sattumisel tekitab see armkoe moodustumist ning vähendab kopsude võimet hapnikku omastada (silikoos). SiO2 niisutamine ja dispergeerimine vedelasse faasi, nt ultraheli homogeniseerimise teel, kõrvaldab sissehingamisriski. Seetõttu on SiO2 sisaldava vedela toote puhul silikoosi tekkimise risk väga väike. Kasutage kuiva pulbrilise ränidioksiidiga töötamisel sobivaid isikukaitsevahendeid!

Kirjandus

• Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
• Rosa Mondragon, J. Enrique Julia, Antonio Barba, Juan Carlos Jarque (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology, Volume 224, 2012. 138-146.
• Pohl, Markus; Schubert, Helmar (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. PARTEC 2004.