پراکنش فراصوتی سیلیکا (SiO2)

سیلیکا که با نام‌های SiO2، نانوسیلیکا یا میکروسیلیکا نیز شناخته می‌شود، در خمیردندان، سیمان، لاستیک مصنوعی، پلیمرهای با عملکرد بالا یا محصولات غذایی به‌عنوان غلیظ‌کننده، جاذب سطحی، عامل ضدکلوخه‌شدن یا حامل رایحه‌ها و طعم‌دهنده‌ها کاربرد دارد. در ادامه، با کاربردهای نانوسیلیکا و میکروسیلیکا و اینکه چگونه اثرات صوتی‌مکانیکی فراصوت می‌توانند با تولید سوسپانسیون‌های بهتر سیلیکا و تسهیل سنتز نانوذرات سیلیکا، بازده فرایند و عملکرد محصول نهایی را بهبود دهند، بیشتر آشنا می‌شوید.

مزایای پراکنش فراصوتی نانوسیلیکا (SiO2)

سیلیکا در طیف گسترده‌ای از شکل‌های آب‌دوست و آب‌گریز عرضه می‌شود و اندازهٔ ذرات آن بسیار ریز است؛ از چند میکرومتر تا چند نانومتر. سیلیکا معمولاً پس از خیس‌شدن به‌خوبی پراکنده نمی‌شود. همچنین ریزحباب‌های زیادی وارد فرمولاسیون محصول می‌کند. فراصوت‌دهی فناوری فرایندی مؤثری برای پراکنده‌کردن میکروسیلیکا و نانوسیلیکا و حذف گاز محلول و ریزحباب‌ها از فرمولاسیون است.

پراکنش فراصوتی روشی است که از امواج فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین برای پراکنش و کلوخه‌زدایی ذرات در محیط مایع استفاده می‌کند. پراکنش فراصوتی برای پراکنده‌کردن سیلیکا و نانوسیلیکا مزایای متعددی دارد:
 

اهمیت اندازهٔ ذرات سیلیکا

در بسیاری از کاربردهای سیلیکا با اندازهٔ نانومتری یا میکرومتری، پراکنش مناسب و یکنواخت اهمیت بسیار زیادی دارد. اغلب به سوسپانسیون سیلیکای تک‌پخشی نیاز است؛ برای مثال، در اندازه‌گیری اندازهٔ ذرات. به‌ویژه هنگام استفاده در جوهرها، پوشش‌ها و پلیمرها برای بهبود مقاومت در برابر خراش، ذرات سیلیکا باید آن‌قدر کوچک باشند که با نور مرئی برهم‌کنش مزاحم نداشته باشند تا از کدری جلوگیری شود و شفافیت حفظ شود. در بیشتر پوشش‌ها، ذرات سیلیکا برای برآورده‌کردن این الزام باید کوچک‌تر از 40nm باشند. در کاربردهای دیگر، کلوخه‌شدن ذرات سیلیکا مانع برهم‌کنش هر ذرهٔ منفرد سیلیکا با محیط پیرامون می‌شود.
هموژنایزرهای فراصوتی در پراکنده‌کردن سیلیکا از سایر روش‌های اختلاط با برش بالا، مانند مخلوط‌کن‌های دورانی یا همزن‌های مخزنی، مؤثرترند. تصویر زیر نتیجه‌ای معمول از پراکنش فراصوتی سیلیکای فومد در آب را نشان می‌دهد.

پراکنش فراصوتی سیلیکای فومد در آب

بازده پردازش در کاهش اندازهٔ سیلیکا

پراکنش فراصوتی نانوسیلیکا از سایر روش‌های اختلاط با برش بالا، مانند IKA Ultra-Turrax، برتر است. فراصوت سوسپانسیون‌هایی با اندازهٔ ذرات کوچک‌تر سیلیکا تولید می‌کند و فراصوت‌دهی فناوری کم‌مصرف‌تری از نظر انرژی است. Pohl و Schubert کاهش اندازهٔ ذرات Aerosil 90 (2%wt) در آب با استفاده از Ultra-Turrax (سامانهٔ روتور–استاتور) را با نتایج حاصل از Hielscher UIP1000hd (دستگاه فراصوتی 1kW) مقایسه کردند. نمودار زیر نتایج برتر فرایند فراصوتی را نشان می‌دهد. Pohl بر پایهٔ مطالعهٔ خود نتیجه گرفت که «در انرژی ویژهٔ ثابت EV، فراصوت از سامانهٔ روتور–استاتور مؤثرتر است.» بازده انرژی و یکنواختی اندازهٔ ذرات سیلیکا در فرایندهای تولیدی که هزینهٔ ساخت، ظرفیت فرایند و کیفیت محصول در آن‌ها اهمیت دارد، از بالاترین اهمیت برخوردارند.

فراصوت در برابر Ultra-turrax برای پراکنش سیلیکا

تصاویر زیر نتایجی را نشان می‌دهند که Pohl با فراصوت‌دهی گرانول‌های سیلیکای خشک‌شده به روش انجمادی پاششی به دست آورد.

چپ: تصاویر REM از گرانول‌های سیلیکای منجمدشده به روش پاششی، پیش از کلوخه‌زدایی فراصوتی
راست: تصاویر TEM از قطعات سیلیکای پراکنده‌شده با فراصوت
مطالعه و تصاویر: Pohl و Schubert، 2004)

دستگاه‌های پراکنده‌ساز فراصوتی با عملکرد بالا برای فرمولاسیون‌های باکیفیت سیلیکا

Hielscher Ultrasonics یک شرکت خانوادگی آلمانی است که در توسعه، ساخت و عرضهٔ هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تیمار مایعات، سوسپانسیون‌های حاوی مواد جامد و خمیرها تخصص دارد. هموژنایزرهای فراصوتی Hielscher دوغاب‌های سیلیکا و سایر نانوسوسپانسیون‌ها را به‌طور قابل‌اعتماد پردازش می‌کنند تا هر مشخصات مطلوبی حاصل شود. حتی فرمولاسیون‌های محصولی که بسیار حساس، ساینده یا بسیار گران‌رو هستند، با استفاده از فراصوت‌دهی به‌طور کارآمد پراکنده و کلوخه‌زدایی می‌شوند. دستگاه‌های فراصوتی پیشرفتهٔ ما کاربردپذیری بسیار گسترده‌ای دارند و امکانات پیشرفته‌ای برای تیمار ناپیوسته و درون‌خطی ارائه می‌دهند. استانداردهای بالای کیفیت به‌صورت قابل‌اتکا و نتایج تکرارپذیر از ویژگی‌های کلیدی پراکنش فراصوتی سیلیکا هستند.
دستگاه‌های فراصوتی صنعتی پیشرفتهٔ Hielscher دارای منوی هوشمند و کاربرپسند، تنظیمات قابل‌برنامه‌ریزی، ثبت خودکار داده‌ها روی کارت SD داخلی، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و استحکام بالا هستند.
دامنه تأثیرگذارترین پارامتر در پردازش فراصوتی است. دامنه به بیشینهٔ جابه‌جایی یا حرکت قله‌به‌قلهٔ یک موج فراصوت اشاره دارد. برای پراکنش فراصوتی، کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کاری تر، اغلب دامنه‌های بالا لازم است تا انرژی کافی برای کاهش اندازهٔ ذرات اعمال شود. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های فوق‌العاده بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm به‌آسانی در حالت 24/7 امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجود است.
از دستگاه‌های فراصوتی کوچک و متوسط برای تحقیق و توسعه (R&D) و مقیاس پایلوت تا سامانه‌های صنعتی برای تولید تجاری سیلیکا در حالت پیوسته، Hielscher Ultrasonics پردازشگر فراصوتی مناسبی برای پاسخ‌گویی به نیازهای شما در پردازش برتر سیلیکا دارد.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوتی ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌سازد. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهی ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و کاربری آسان، تأکید ویژه دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:

سیلیکا (SiO2، دی‌اکسید سیلیسیم) چیست؟

سیلیکا ترکیبی شیمیایی متشکل از سیلیسیم و اکسیژن با فرمول شیمیایی SiO2، یا دی‌اکسید سیلیسیم، است. سیلیکا شکل‌های گوناگونی دارد، مانند کوارتز ذوب‌شده، سیلیکای فومد، ژل سیلیکا و آئروژل‌ها. سیلیکا به‌صورت ترکیبی در چندین کانی و نیز به‌صورت محصول مصنوعی وجود دارد. سیلیکا در طبیعت بیشتر به شکل کوارتز و در موجودات زندهٔ گوناگون یافت می‌شود. دی‌اکسید سیلیسیم از استخراج و خالص‌سازی کوارتز به دست می‌آید. سه شکل اصلی سیلیکای آمورف عبارت‌اند از سیلیکای پیروژنیک، سیلیکای رسوبی و ژل سیلیکا.

سیلیکای فومد / سیلیکای پیروژنیک

سوزاندن تتراکلرید سیلیسیم (SiCl4) در شعلهٔ هیدروژن غنی از اکسیژن، دودی از SiO2 تولید می‌کند – سیلیکای فومد. روش دیگر، تبخیر ماسهٔ کوارتز در قوس الکتریکی با دمای 3000 °C است که آن نیز سیلیکای فومد تولید می‌کند. در هر دو فرایند، قطرات میکروسکوپی حاصل از سیلیکای آمورف به یکدیگر جوش می‌خورند و ذرات ثانویهٔ منشعب، زنجیره‌مانند و سه‌بعدی تشکیل می‌دهند. این ذرات ثانویه سپس به‌صورت پودری سفید با چگالی توده‌ای بسیار کم و مساحت سطح بسیار زیاد کلوخه می‌شوند. اندازهٔ ذرات اولیهٔ سیلیکای فومدِ غیرمتخلخل بین 5 و 50 nm است. سیلیکای فومد اثر غلیظ‌کنندگی بسیار قوی دارد. ازاین‌رو، از آن به‌عنوان پرکننده در الاستومر سیلیکونی و برای تنظیم گران‌روی در رنگ‌ها، پوشش‌ها، چسب‌ها، جوهرهای چاپ یا رزین‌های پلی‌استر غیراشباع استفاده می‌شود. سیلیکای فومد را می‌توان تیمار کرد تا برای کاربرد در مایعات آلی یا محیط‌های آبی، آب‌گریز یا آب‌دوست شود. سیلیکای آب‌گریز جزء مؤثری در مواد کف‌زدا (عوامل ضدکف) است.
برای مطالعه دربارهٔ گاززدایی و کف‌زدایی فراصوتی، اینجا کلیک کنید.
شمارهٔ CAS سیلیکای فومد: 112945-52-5

دودهٔ سیلیسی / میکروسیلیکا

دودهٔ سیلیسی پودری فوق‌ریز با اندازهٔ نانومتری است که میکروسیلیکا نیز نامیده می‌شود. دودهٔ سیلیسی را نباید با سیلیکای فومد اشتباه گرفت. فرایند تولید، ریخت‌شناسی ذرات و حوزه‌های کاربرد دودهٔ سیلیسی همگی با سیلیکای فومد تفاوت دارند. دودهٔ سیلیسی شکلی آمورف، غیربلوری و چندریخت از SiO2 است. دودهٔ سیلیسی از ذرات کروی با میانگین قطر 150 nm تشکیل شده است. مهم‌ترین کاربرد دودهٔ سیلیسی، استفاده به‌عنوان مادهٔ پوزولانی در بتن با عملکرد بالا است. این ماده به بتن سیمان پرتلند افزوده می‌شود تا خواص بتن، مانند مقاومت فشاری، استحکام پیوند و مقاومت سایشی، بهبود یابد. افزون بر این، دودهٔ سیلیسی نفوذپذیری بتن در برابر یون‌های کلرید را کاهش می‌دهد. این امر از فولاد مسلح‌کنندهٔ بتن در برابر خوردگی محافظت می‌کند.
برای آشنایی بیشتر با اختلاط فراصوتی سیمان و دودهٔ سیلیسی، اینجا کلیک کنید!
شمارهٔ CAS دودهٔ سیلیسی: 69012-64-2، شمارهٔ EINECS دودهٔ سیلیسی: 273-761-1

سیلیکای رسوبی

سیلیکای رسوبی شکل مصنوعی و آمورف SiO2 به‌صورت پودر سفید است. سیلیکای رسوبی به‌عنوان پرکننده، نرم‌کننده یا بهبوددهندهٔ عملکرد در پلاستیک‌ها یا لاستیک، برای مثال تایرها، استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به عامل پاک‌کننده، غلیظ‌کننده یا صیقل‌دهنده در خمیردندان‌ها اشاره کرد.
برای آشنایی بیشتر با اختلاط فراصوتی در تولید خمیردندان، اینجا کلیک کنید!
ذرات اولیهٔ سیلیکای فومد قطری بین 5 و 100 nm دارند، در حالی که اندازهٔ کلوخه‌ها تا 40 µm می‌رسد و میانگین اندازهٔ منافذ بزرگ‌تر از 30 nm است. سیلیکای رسوبی، مانند سیلیکای پیروژنیک، اساساً میکروتخلخل ندارد.
سیلیکای فومد از طریق رسوب‌دهی از محلولی حاوی نمک‌های سیلیکات تولید می‌شود. پس از واکنش محلول خنثای سیلیکات با یک اسید معدنی، محلول‌های اسید سولفوریک و سیلیکات سدیم هم‌زمان و همراه با هم‌زدن، مانند هم‌زدن فراصوتی، به آب افزوده می‌شوند. سیلیکا در شرایط اسیدی رسوب می‌کند. علاوه بر عواملی مانند مدت رسوب‌دهی، سرعت افزودن واکنش‌دهنده‌ها، دما و غلظت و pH، روش و شدت هم‌زدن نیز می‌تواند خواص سیلیکا را تغییر دهد. هم‌زدن صوتی‌مکانیکی در محفظهٔ راکتور فراصوتی روشی مؤثر برای تولید ذرات با اندازهٔ ثابت و یکنواخت است. هم‌زدن فراصوتی در دماهای بالا از تشکیل مرحلهٔ ژلی جلوگیری می‌کند.
برای اطلاعات بیشتر دربارهٔ رسوب‌دهی نانومواد، مانند سیلیکای رسوبی، به کمک فراصوت، اینجا کلیک کنید!
شمارهٔ CAS سیلیکای رسوبی: 7631-86-9

سیلیکای کلوئیدی / کلوئید سیلیکا

سیلیکای کلوئیدی سوسپانسیونی از ذرات ریز، غیرمتخلخل، آمورف و عمدتاً کروی سیلیکا در یک فاز مایع است.
رایج‌ترین کاربردهای کلوئیدهای سیلیکا عبارت‌اند از کمک‌آبگیر در کاغذسازی، ساینده برای صیقل‌دهی ویفر سیلیسیم، کاتالیزور در فرایندهای شیمیایی، جاذب رطوبت، افزودنی برای پوشش‌های مقاوم به سایش یا مادهٔ فعال سطحی برای لخته‌سازی، انعقاد، پراکنش یا پایدارسازی.
برای آشنایی بیشتر با سیلیکای کلوئیدی در پوشش‌های پلیمری مقاوم به سایش، اینجا کلیک کنید!

تولید سیلیکای کلوئیدی فرایندی چندمرحله‌ای است. خنثی‌سازی جزئی محلول سیلیکات قلیایی به تشکیل هسته‌های سیلیکا منجر می‌شود. زیرواحدهای ذرات سیلیکای کلوئیدی معمولاً در بازهٔ 1 تا 5 nm قرار دارند. بسته به شرایط پلیمریزاسیون، این زیرواحدها می‌توانند به یکدیگر متصل شوند. با کاهش pH به کمتر از 7 یا افزودن نمک، واحدها تمایل دارند به یکدیگر جوش بخورند و زنجیره‌هایی تشکیل دهند که اغلب ژل‌های سیلیکا نامیده می‌شوند. در غیر این صورت، زیرواحدها جدا از هم باقی می‌مانند و به‌تدریج رشد می‌کنند. محصولات حاصل اغلب سل‌های سیلیکا یا سیلیکای رسوبی نامیده می‌شوند. سوسپانسیون سیلیکای کلوئیدی با تنظیم pH پایدار و سپس، برای مثال با تبخیر، تغلیظ می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با اثرات صوتی‌مکانیکی در فرایندهای سل–ژل، اینجا کلیک کنید!

خطر سیلیکا برای سلامت

دی‌اکسید سیلیسیم بلوریِ خشک یا معلق در هوا برای ریهٔ انسان سرطان‌زا است و می‌تواند موجب بیماری جدی ریوی، سرطان ریه یا بیماری‌های خودایمنی سیستمیک شود. هنگامی که گردوغبار سیلیکا استنشاق می‌شود و وارد ریه‌ها می‌گردد، موجب تشکیل بافت اسکار می‌شود و توانایی ریه‌ها برای جذب اکسیژن را کاهش می‌دهد (سیلیکوزیس). خیس‌کردن و پراکنش SiO2 در یک فاز مایع، برای مثال با همگن‌سازی فراصوتی، خطر استنشاق را از بین می‌برد. بنابراین، خطر ایجاد سیلیکوزیس در اثر محصول مایع حاوی SiO2 بسیار کم است. هنگام کار با سیلیکا به‌صورت پودر خشک، لطفاً از تجهیزات حفاظت فردی مناسب استفاده کنید!

منابع

• 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.