פיזור אולטרסוני של סיליקה (SiO2)

סיליקה, המוכרת גם בשם SiO2, ננוסיליקה או מיקרוסיליקה, משמשת במשחות שיניים, במלט, בגומי סינתטי, בפולימרים בעלי ביצועים גבוהים או במוצרי מזון כחומר מסמיך, כחומר סופח, כחומר מונע התגיישות או כנשא לחומרי ריח וטעם. בהמשך תוכלו ללמוד עוד על השימושים בננוסיליקה ובמיקרוסיליקה ועל האופן שבו ההשפעות הסונומכניות של אולטרסאונד יכולות לשפר את יעילות התהליך ואת ביצועי המוצר הסופי באמצעות יצירת תרחיפי סיליקה טובים יותר והקלה על סינתזה של ננו־חלקיקי סיליקה.

היתרונות של פיזור אולטרסוני של ננוסיליקה (SiO2)

סיליקה זמינה במגוון רחב של צורות הידרופיליות והידרופוביות, וגודל חלקיקיה זעיר ביותר, ממיקרומטרים אחדים ועד לננומטרים אחדים. בדרך כלל הסיליקה אינה מפוזרת היטב לאחר הרטבה. היא גם מוסיפה מיקרו־בועות רבות לפורמולציית המוצר. סוניקציה היא טכנולוגיית תהליך יעילה לפיזור מיקרוסיליקה וננוסיליקה ולהסרת גז מומס ומיקרו־בועות מהפורמולציה.

פיזור אולטרסוני הוא טכניקה המשתמשת בגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדירות נמוכה לפיזור חלקיקים ולפירוק האגלומרטים שלהם בתווך נוזלי. בכל הנוגע לפיזור סיליקה וננוסיליקה, פיזור אולטרסוני מציע כמה יתרונות:
 

חשיבות גודל החלקיקים של סיליקה

ביישומים רבים של סיליקה בגודל ננומטרי או מיקרומטרי, פיזור טוב ואחיד חשוב מאוד. לעיתים קרובות נדרש תרחיף סיליקה מונודיספרסי, למשל לצורך מדידת גודל החלקיקים. במיוחד בשימוש בדיו או בציפויים ובפולימרים לשיפור העמידות לשריטות, חלקיקי הסיליקה צריכים להיות קטנים דיים כדי שלא להפריע לאור הנראה, וכך למנוע עכירות ולשמור על שקיפות. ברוב הציפויים, חלקיקי הסיליקה צריכים להיות קטנים מ־40nm כדי לעמוד בדרישה זו. ביישומים אחרים, היווצרות אגלומרטים של חלקיקי סיליקה מקשה על כל חלקיק סיליקה בנפרד לקיים אינטראקציה עם התווך שסביבו.
הומוגנייזרים אולטרסוניים יעילים יותר בפיזור סיליקה משיטות ערבוב אחרות בעלות גזירה גבוהה, כגון מערבלים סיבוביים או מערבלי מכלים. התמונה שלהלן מציגה תוצאה אופיינית של פיזור אולטרסוני של סיליקה פירוגנית במים.

פיזור אולטרסוני של סיליקה פירוגנית במים

יעילות העיבוד בהקטנת גודל חלקיקי סיליקה

פיזור אולטרסוני של ננו־סיליקה עדיף על שיטות ערבוב אחרות בעלות גזירה גבוהה, כגון שימוש ב־IKA Ultra-Turrax. אולטרסאונד מייצר תרחיפים שבהם חלקיקי הסיליקה קטנים יותר, וסוניקציה היא הטכנולוגיה היעילה יותר מבחינה אנרגטית. Pohl ו־Schubert השוו את הקטנת גודל החלקיקים של Aerosil 90 (2%wt) במים באמצעות Ultra-Turrax (מערכת רוטור־סטטור) לזו המתקבלת באמצעות Hielscher UIP1000hd (מכשיר אולטרסוני בהספק 1kW). התרשים שלהלן מציג את התוצאות העדיפות של התהליך האולטרסוני. בעקבות מחקרו הסיק Pohl כי ״באנרגיה סגולית קבועה EV, אולטרסאונד יעיל יותר ממערכת הרוטור־סטטור.״ ליעילות האנרגטית ולאחידות גודל חלקיקי הסיליקה יש חשיבות עליונה בתהליכי ייצור שבהם עלות הייצור, תפוקת התהליך ואיכות המוצר חשובות.

אולטרסאונד לעומת Ultra-turrax לפיזור סיליקה

התמונות שלהלן מציגות את התוצאות שקיבל Pohl באמצעות סוניקציה של גרגרי סיליקה שיובשו בהקפאה בריסוס.

משמאל: תמונות REM של גרגרי סיליקה שהוקפאו בריסוס, לפני פירוק אגלומרטים באמצעות אולטרסאונד
מימין: תמונות TEM של שברי סיליקה שפוזרו באמצעות אולטרסאונד
מחקר ותמונות: Pohl ו־Schubert, 2004)

מפזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לפורמולציות סיליקה באיכות גבוהה

Hielscher Ultrasonics היא חברה גרמנית בבעלות משפחתית, המתמחה בפיתוח, בייצור ובאספקה של הומוגנייזרים אולטרסוניים עתירי ביצועים לטיפול בנוזלים, בתרחיפים טעוני מוצקים ובמשחות. ההומוגנייזרים האולטרסוניים של Hielscher מעבדים באופן אמין תרחיפי סיליקה ותרחיפים ננומטריים אחרים כדי לעמוד בכל מפרט רצוי. באמצעות טיפול אולטרסוני ניתן לפזר ביעילות ולפרק אגלומרטים אפילו בפורמולציות מוצרים רגישות מאוד, שוחקות או בעלות צמיגות גבוהה מאוד. המכשירים האולטרסוניים המתקדמים שלנו רב־תכליתיים ביותר ומציעים אפשרויות מתוחכמות לטיפול באצוות ובקו הייצור. עמידה עקבית בתקני איכות גבוהים ותוצאות הניתנות לשחזור הן מאפיינים מרכזיים של פיזור אולטרסוני של סיליקה.
המכשירים האולטרסוניים החדישים של Hielscher לשימוש תעשייתי כוללים תפריט חכם וידידותי למשתמש, הגדרות הניתנות לתכנות, רישום נתונים אוטומטי בכרטיס SD מובנה, שליטה מרחוק באמצעות דפדפן ועמידות גבוהה.
המשרעת היא הפרמטר המשפיע ביותר בעיבוד אולטרסוני. המשרעת מתייחסת להעתק המרבי או לתנועה משיא לשיא של גל אולטרסוני. בפיזור אולטרסוני, בפירוק אגלומרטים ובטחינה רטובה נדרשות לעיתים קרובות משרעות גבוהות כדי לספק אנרגיה מספקת להקטנת גודל החלקיקים. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות במיוחד. ניתן להפעיל אותם בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בפעולה 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית.
ממכשירים אולטרסוניים קטנים ובינוניים למחקר ופיתוח ולניסויי פיילוט ועד מערכות תעשייתיות לייצור מסחרי רציף של סיליקה, ל־Hielscher Ultrasonics יש המעבד האולטרסוני המתאים למילוי דרישותיכם לעיבוד סיליקה מעולה.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות מתוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות הפעלה מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים ועם סביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים עתירי ביצועים המשלבים טכנולוגיה חדישה ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

מהי סיליקה (SiO2, צורן דו־חמצני)?

סיליקה היא תרכובת כימית המורכבת מצורן ומחמצן, שנוסחתה הכימית היא SiO2, או צורן דו־חמצני. קיימות צורות שונות רבות של סיליקה, כגון קוורץ מותך, סיליקה מעושנת, סיליקה ג'ל ואירוג'לים. סיליקה קיימת כתרכובת בכמה מינרלים וכמוצר סינתטי. בטבע, סיליקה מצויה בעיקר בצורת קוורץ ובאורגניזמים חיים שונים. צורן דו־חמצני מופק באמצעות כרייה וטיהור של קוורץ. שלוש הצורות העיקריות של סיליקה אמורפית הן סיליקה פירוגנית, סיליקה משוקעת וסיליקה ג'ל.

סיליקה מעושנת / סיליקה פירוגנית

שרפת סיליקון טטרכלוריד (SiCl4) בלהבת מימן עשירה בחמצן מייצרת עשן של SiO2 – סיליקה פירוגנית. לחלופין, גם אידוי חול קוורץ בקשת חשמלית בטמפרטורה של 3000 °C מייצר סיליקה פירוגנית. בשני התהליכים, הטיפות המיקרוסקופיות של סיליקה אמורפית שנוצרות מתמזגות לחלקיקים שניוניים תלת־ממדיים, מסועפים ודמויי שרשרת. חלקיקים שניוניים אלה מצטברים לאחר מכן לאגלומרטים ויוצרים אבקה לבנה בעלת צפיפות נפחית נמוכה ביותר ושטח פנים גבוה מאוד. גודל החלקיקים הראשוניים של הסיליקה הפירוגנית הלא נקבובית נע בין 5 ל־50 nm. לסיליקה פירוגנית השפעת הסמכה חזקה מאוד. לכן, סיליקה פירוגנית משמשת כחומר מילוי באלסטומר סיליקון ולהתאמת הצמיגות בצבעים, בציפויים, בדבקים, בדיו להדפסה או בשרפי פוליאסטר בלתי רוויים. ניתן לטפל בסיליקה פירוגנית כדי להפוך אותה להידרופובית או להידרופילית, לשימושים בנוזלים אורגניים או במערכות מימיות. סיליקה הידרופובית היא רכיב יעיל בחומרים לסילוק קצף (חומרים מונעי הקצפה).
לחצו כאן כדי לקרוא על סילוק גזים וקצף באמצעות אולטרסאונד.
סיליקה פירוגנית מספר CAS ‏112945-52-5

עשן סיליקה / מיקרוסיליקה

עשן סיליקה הוא אבקה דקה במיוחד בגודל ננומטרי, המוכרת גם בשם מיקרוסיליקה. אין לבלבל בין עשן סיליקה לסיליקה פירוגנית. תהליך הייצור, מורפולוגיית החלקיקים ותחומי היישום של עשן סיליקה שונים כולם מאלה של סיליקה פירוגנית. עשן סיליקה הוא צורה פולימורפית אמורפית ולא גבישית של SiO2. עשן סיליקה מורכב מחלקיקים כדוריים שקוטרם הממוצע הוא 150 nm. היישום הבולט ביותר של עשן סיליקה הוא כחומר פוצולני לבטון בעל ביצועים גבוהים. הוא מתווסף לבטון המבוסס על צמנט פורטלנד כדי לשפר את תכונות הבטון, כגון חוזק לחיצה, חוזק היצמדות ועמידות בשחיקה. מעבר לכך, עשן סיליקה מפחית את חדירות הבטון ליוני כלוריד. כך הוא מגן על פלדת הזיון של הבטון מפני קורוזיה.
למידע נוסף על ערבוב אולטרסוני של צמנט ועשן סיליקה, לחצו כאן!
עשן סיליקה מספר CAS: ‏69012-64-2, עשן סיליקה מספר EINECS: ‏273-761-1

סיליקה משוקעת

סיליקה משוקעת היא צורה סינתטית ואמורפית של SiO2 בצורת אבקה לבנה. סיליקה משוקעת משמשת כחומר מילוי, כחומר מרכך או לשיפור ביצועים בפלסטיק או בגומי, למשל בצמיגים. שימושים נוספים כוללים חומר ניקוי, חומר מסמיך או חומר ליטוש במשחות שיניים.
למידע נוסף על ערבוב אולטרסוני בייצור משחת שיניים, לחצו כאן!
קוטר החלקיקים הראשוניים של סיליקה פירוגנית נע בין 5 ל־100 nm, בעוד שגודל האגלומרטים מגיע עד 40 µm וגודל הנקבוביות הממוצע גדול מ־30 nm. בדומה לסיליקה פירוגנית, סיליקה משוקעת אינה מיקרו־נקבובית במהותה.
סיליקה פירוגנית מיוצרת באמצעות שיקוע מתוך תמיסה המכילה מלחי סיליקט. לאחר תגובה של תמיסת סיליקט ניטרלית עם חומצה מינרלית, מוסיפים למים בו־זמנית תמיסות של חומצה גופרתית ושל נתרן סיליקט תוך כדי ערבול, כגון ערבול אולטרסוני. סיליקה שוקעת בתנאים חומציים. נוסף על גורמים כגון משך השיקוע, קצב הוספת המגיבים, הטמפרטורה והריכוז, וכן ה־pH, גם שיטת הערבול ועוצמתו יכולות לשנות את תכונות הסיליקה. ערבול סונומכני בתא ריאקטור אולטרסוני הוא שיטה יעילה לייצור חלקיקים בגודל עקבי ואחיד. ערבול אולטרסוני בטמפרטורות גבוהות מונע היווצרות של שלב ג'ל.
למידע נוסף על שיקוע בסיוע אולטרסאונד של ננו־חומרים, כגון סיליקה משוקעת, לחצו כאן!
סיליקה משוקעת מספר CAS: ‏7631-86-9

סיליקה קולואידית / קולואיד סיליקה

סיליקה קולואידית היא תרחיף של חלקיקי סיליקה דקים, לא נקבוביים, אמורפיים וברובם כדוריים בפאזה נוזלית.
השימושים הנפוצים ביותר בקולואידי סיליקה הם כחומר עזר לניקוז בייצור נייר, כחומר שוחק לליטוש פרוסות סיליקון, כזרז בתהליכים כימיים, כחומר סופח לחות, כתוסף לציפויים עמידים בשחיקה או כחומר פעיל שטח לפתיתה, להקרשה, לפיזור או לייצוב.
למידע נוסף על סיליקה קולואידית בציפויים פולימריים עמידים לשחיקה, לחצו כאן!

ייצור סיליקה קולואידית הוא תהליך רב־שלבי. נטרול חלקי של תמיסת סיליקט אלקלי מוביל להיווצרות גרעיני סיליקה. תת־היחידות של חלקיקי הסיליקה הקולואידית הן בדרך כלל בטווח שבין 1 ל־5 nm. בהתאם לתנאי הפילמור, תת־יחידות אלה יכולות להתחבר זו לזו. בהפחתת ה־pH אל מתחת ל־7 או בהוספת מלח, היחידות נוטות להתמזג לשרשראות, המכונות לעיתים קרובות ג'לים של סיליקה. אחרת, תת־היחידות נותרות נפרדות וגדלות בהדרגה. התוצרים המתקבלים מכונים לעיתים קרובות סולים של סיליקה או סיליקה משוקעת. תרחיף של סיליקה קולואידית מיוצב באמצעות התאמת ה־pH ולאחר מכן מרוכז, למשל באמצעות אידוי.
למידע נוסף על השפעות סונומכניות בתהליכי סול־ג'ל, לחצו כאן!

הסיכון הבריאותי של סיליקה

סיליקון דו־חמצני גבישי יבש או נישא באוויר הוא חומר מסרטן לריאות בבני אדם, העלול לגרום למחלת ריאות קשה, לסרטן ריאות או למחלות אוטואימוניות מערכתיות. כאשר אבק סיליקה נשאף וחודר לריאות, הוא גורם להיווצרות רקמת צלקת ומפחית את יכולת הריאות לקלוט חמצן (סיליקוזיס). הרטבה ופיזור של SiO2 בפאזה נוזלית, למשל באמצעות הומוגניזציה אולטרסונית, מבטלים את הסיכון לשאיפה. לכן הסיכון שמוצר נוזלי המכיל SiO2 יגרום לסיליקוזיס נמוך מאוד. אנא השתמשו בציוד מגן אישי מתאים בעת טיפול בסיליקה בצורת אבקה יבשה!

ספרות

• 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.