Ultrazvučno dispergiranje silicijeva dioksida (SiO2)

Silicijev dioksid, poznat i kao SiO2, nanosilicijev dioksid ili mikrosilicijev dioksid, upotrebljava se u pastama za zube, cementu, sintetičkoj gumi, polimerima visokih performansi ili prehrambenim proizvodima kao zgušnjivač, adsorbens, sredstvo protiv zgrudnjavanja ili nosač mirisa i aroma. U nastavku ćete saznati više o primjenama nanosilicijeva dioksida i mikrosilicijeva dioksida te o tome kako sonomehanički učinci ultrazvuka mogu poboljšati učinkovitost procesa i svojstva konačnog proizvoda stvaranjem boljih suspenzija silicijeva dioksida i olakšavanjem sinteze nanočestica silicijeva dioksida.

Prednosti ultrazvučnog dispergiranja nanosilicijeva dioksida (SiO2)

Silicijev dioksid dostupan je u širokom rasponu hidrofilnih i hidrofobnih oblika te ima iznimno sitne čestice veličine od nekoliko mikrometara do svega nekoliko nanometara. Silicijev dioksid obično nije dobro dispergiran nakon vlaženja. Također unosi mnogo mikromjehurića u formulaciju proizvoda. Sonikacija je učinkovita procesna tehnologija za dispergiranje mikrosilicijeva dioksida i nanosilicijeva dioksida te uklanjanje otopljenog plina i mikromjehurića iz formulacije.

Ultrazvučno dispergiranje tehnika je koja primjenjuje ultrazvučne valove visokog intenziteta i niske frekvencije za dispergiranje i deaglomeraciju čestica u tekućem mediju. Kada je riječ o dispergiranju silicijeva dioksida i nanosilicijeva dioksida, ultrazvučno dispergiranje nudi nekoliko prednosti:
 

Važnost veličine čestica silicijeva dioksida

Za mnoge primjene silicijeva dioksida nanometarske ili mikrometarske veličine vrlo je važno dobro i ravnomjerno dispergiranje. Često je potrebna monodisperzna suspenzija silicijeva dioksida, npr. za mjerenje veličine čestica. Osobito pri uporabi u tintama ili premazima i polimerima radi poboljšanja otpornosti na ogrebotine, čestice silicijeva dioksida moraju biti dovoljno male da ne ometaju prolazak vidljive svjetlosti kako bi se izbjeglo zamućenje i očuvala prozirnost. Za većinu premaza čestice silicijeva dioksida moraju biti manje od 40nm kako bi se ispunio taj zahtjev. U drugim primjenama aglomeracija čestica silicijeva dioksida ometa međudjelovanje svake pojedine čestice silicijeva dioksida s okolnim medijem.
Ultrazvučni homogenizatori učinkovitiji su u dispergiranju silicijeva dioksida od drugih metoda miješanja s visokim smicanjem, poput rotacijskih miješalica ili miješalica u spremnicima. Slika u nastavku prikazuje tipičan rezultat ultrazvučnog dispergiranja pirogenog silicijeva dioksida u vodi.

Ultrazvučno dispergiranje pirogenog silicijeva dioksida u vodi

Učinkovitost obrade pri smanjenju veličine čestica silicijeva dioksida

Ultrazvučno dispergiranje nanosilicijeva dioksida nadmašuje druge metode miješanja s visokim smicanjem, poput miješanja uređajem IKA Ultra-Turrax. Ultrazvukom se dobivaju suspenzije s manjim česticama silicijeva dioksida, a ultrazvučna obrada energetski je učinkovitija tehnologija. Pohl i Schubert usporedili su smanjenje veličine čestica proizvoda Aerosil 90 (2%wt) u vodi uporabom uređaja Ultra-Turrax (sustav rotor–stator) sa smanjenjem postignutim uređajem Hielscher UIP1000hd (ultrazvučni uređaj snage 1kW). Grafikon u nastavku prikazuje superiorne rezultate ultrazvučnog postupka. Na temelju svojeg istraživanja Pohl je zaključio da je „pri konstantnoj specifičnoj energiji EV ultrazvuk učinkovitiji od sustava rotor–stator.” Energetska učinkovitost i ujednačenost veličine čestica silicijeva dioksida od najveće su važnosti u proizvodnim procesima u kojima su bitni troškovi proizvodnje, kapacitet procesa i kvaliteta proizvoda.

Ultrazvuk u usporedbi s uređajem Ultra-turrax za dispergiranje silicijeva dioksida

Slike u nastavku prikazuju rezultate koje je Pohl dobio sonikacijom granula silicijeva dioksida liofiliziranih nakon zamrzavanja raspršivanjem.

Lijevo: REM-snimke granula silicijeva dioksida zamrznutih raspršivanjem prije ultrazvučne deaglomeracije
Desno: TEM-snimke ultrazvučno dispergiranih fragmenata silicijeva dioksida
Istraživanje i slike: Pohl i Schubert, 2004)

Visokoučinkoviti ultrazvučni dispergatori za visokokvalitetne formulacije silicijeva dioksida

Hielscher Ultrasonics njemačka je obiteljska tvrtka specijalizirana za razvoj, proizvodnju i isporuku visokoučinkovitih ultrazvučnih homogenizatora za obradu tekućina, suspenzija s krutim česticama i pasta. Ultrazvučni homogenizatori Hielscher pouzdano obrađuju muljevite suspenzije silicijeva dioksida i druge nanosuspenzije radi postizanja svih željenih specifikacija. Čak se i formulacije proizvoda koje su vrlo osjetljive, abrazivne ili vrlo viskozne mogu učinkovito dispergirati i deaglomerirati primjenom ultrazvuka. Naši napredni ultrazvučni uređaji iznimno su svestrani i nude sofisticirane mogućnosti šaržne i protočne obrade. Pouzdano visoki standardi kvalitete i ponovljivi rezultati ključne su značajke ultrazvučnog dispergiranja silicijeva dioksida.
Najsuvremeniji industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher imaju pametan izbornik jednostavan za uporabu, programabilne postavke, automatsko bilježenje podataka na ugrađenu SD karticu, daljinsko upravljanje putem preglednika i visoku robusnost.
Amplituda je parametar s najvećim utjecajem na ultrazvučnu obradu. Amplituda se odnosi na maksimalni pomak ili gibanje od vrha do vrha ultrazvučnog vala. Za ultrazvučno dispergiranje, deaglomeraciju i mokro mljevenje često su potrebne visoke amplitude kako bi se primijenilo dovoljno energije za smanjenje veličine čestica. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu postići iznimno visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati kontinuirano u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Od malih i srednjih ultrazvučnih uređaja za istraživanje i razvoj te pilot-uređaja do industrijskih sustava za komercijalnu proizvodnju silicijeva dioksida u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics ima odgovarajući ultrazvučni procesor koji zadovoljava vaše zahtjeve za vrhunsku obradu silicijeva dioksida.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnom uporabom. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Što je silika (SiO2, silicijev dioksid)?

Silika je kemijski spoj silicija i kisika s kemijskom formulom SiO2, odnosno silicijev dioksid. Postoje brojni različiti oblici silicijeva dioksida, kao što su taljeni kvarc, pirogeni silicijev dioksid, silikagel i aerogelovi. Silicijev dioksid postoji kao spoj u nekoliko minerala i kao sintetski proizvod. U prirodi se silicijev dioksid najčešće nalazi u obliku kvarca i u raznim živim organizmima. Silicijev dioksid dobiva se vađenjem i pročišćavanjem kvarca. Tri glavna oblika amorfnog silicijeva dioksida jesu pirogeni silicijev dioksid, taloženi silicijev dioksid i silikagel.

Pirogena silika / Pirogeni silicijev dioksid

Izgaranjem silicijeva tetraklorida (SiCl4) u vodikovu plamenu bogatom kisikom nastaje dim SiO2 – pirogeni silicijev dioksid. Pirogeni silicijev dioksid može se proizvesti i isparavanjem kvarcnog pijeska u električnom luku pri 3000 °C. U oba se postupka nastale mikroskopske kapljice amorfnog silicijeva dioksida stapaju u razgranate, lančaste, trodimenzionalne sekundarne čestice. Te se sekundarne čestice zatim aglomeriraju u bijeli prah iznimno male nasipne gustoće i vrlo velike površine. Veličina primarnih čestica neporoznog pirogenog silicijeva dioksida iznosi između 5 i 50 nm. Pirogeni silicijev dioksid ima vrlo snažan učinak zgušnjavanja. Stoga se upotrebljava kao punilo u silikonskim elastomerima i za prilagodbu viskoznosti boja, premaza, ljepila, tiskarskih boja ili nezasićenih poliesterskih smola. Pirogeni silicijev dioksid može se obraditi kako bi postao hidrofoban ili hidrofilan za primjene u organskim tekućinama ili vodenim sustavima. Hidrofobni silicijev dioksid učinkovita je komponenta sredstava za uklanjanje pjene (sredstava protiv pjenjenja).
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o ultrazvučnom otplinjavanju i uklanjanju pjene.
CAS broj pirogenog silicijeva dioksida 112945-52-5

Silicijska prašina / Mikrosilika

Silicijska prašina iznimno je fini prah s česticama nanometarske veličine, poznat i kao mikrosilika. Silicijsku prašinu ne treba zamijeniti s pirogenim silicijevim dioksidom. Proizvodni postupak, morfologija čestica i područja primjene silicijske prašine razlikuju se od onih pirogenog silicijeva dioksida. Silicijska prašina amorfni je, nekristalni, polimorfni oblik SiO2. Silicijska prašina sastoji se od kuglastih čestica prosječnog promjera 150 nm. Najznačajnija primjena silicijske prašine jest kao pucolanski materijal za beton visokih svojstava. Dodaje se betonu s portlandskim cementom radi poboljšanja svojstava betona, poput tlačne čvrstoće, čvrstoće prianjanja i otpornosti na abraziju. Osim toga, silicijska prašina smanjuje propusnost betona za kloridne ione. Time se armaturni čelik u betonu štiti od korozije.
Kako biste saznali više o ultrazvučnom miješanju cementa i silicijske prašine, kliknite ovdje!
CAS broj silicijske prašine: 69012-64-2, EINECS broj silicijske prašine: 273-761-1

Precipitirani silicijev dioksid

Precipitirani silicijev dioksid bijeli je praškasti sintetski amorfni oblik SiO2. Precipitirani silicijev dioksid upotrebljava se kao punilo, omekšivač ili za poboljšanje svojstava plastike ili gume, primjerice u gumama za vozila. Ostale primjene uključuju uporabu kao sredstva za čišćenje, zgušnjavanje ili poliranje u pastama za zube.
Kako biste saznali više o ultrazvučnom miješanju u proizvodnji pasti za zube, kliknite ovdje!
Primarne čestice pirogenog silicijeva dioksida imaju promjer između 5 i 100 nm, dok veličina aglomerata doseže do 40 µm, uz prosječnu veličinu pora veću od 30 nm. Poput pirogenog silicijeva dioksida, precipitirani silicijev dioksid u osnovi nije mikroporozan.
Pirogeni silicijev dioksid proizvodi se precipitacijom iz otopine koja sadržava silikatne soli. Nakon reakcije neutralne otopine silikata s mineralnom kiselinom, otopine sumporne kiseline i natrijeva silikata istodobno se dodaju u vodu uz miješanje, primjerice ultrazvučno miješanje. Silicijev dioksid taloži se u kiselim uvjetima. Osim čimbenika poput trajanja precipitacije, brzine dodavanja reaktanata, temperature i koncentracije te pH vrijednosti, način i intenzitet miješanja mogu mijenjati svojstva silicijeva dioksida. Sonomehaničko miješanje u komori ultrazvučnog reaktora učinkovita je metoda za postizanje dosljedne i ujednačene veličine čestica. Ultrazvučnim miješanjem pri povišenim temperaturama izbjegava se nastanak gel-faze.
Za više informacija o ultrazvučno potpomognutoj precipitaciji nanomaterijala, poput precipitiranog silicijeva dioksida, kliknite ovdje!
CAS broj precipitiranog silicijeva dioksida: 7631-86-9

Koloidni silicijev dioksid / Koloid silicijeva dioksida

Koloidni silicijev dioksid suspenzija je finih neporoznih, amorfnih, pretežno kuglastih čestica silicijeva dioksida u tekućoj fazi.
Koloidi silicijeva dioksida najčešće se upotrebljavaju kao pomoćno sredstvo za odvodnjavanje u proizvodnji papira, abraziv za poliranje silicijskih pločica, katalizator u kemijskim procesima, apsorbens vlage, dodatak premazima otpornima na abraziju ili površinski aktivna tvar za flokulaciju, koagulaciju, dispergiranje ili stabilizaciju.
Da biste saznali više o koloidnom silicijevu dioksidu u polimernim premazima otpornima na abraziju, kliknite ovdje!

Proizvodnja koloidnog silicijeva dioksida višestupanjski je proces. Djelomična neutralizacija otopine alkalijskog silikata dovodi do nastanka jezgara silicijeva dioksida. Podjedinice čestica koloidnog silicijeva dioksida obično su veličine između 1 i 5 nm. Ovisno o uvjetima polimerizacije, te se podjedinice mogu međusobno povezati. Snižavanjem pH ispod 7 ili dodavanjem soli podjedinice se nastoje spojiti u lance, koji se često nazivaju silikagelovima. U suprotnom podjedinice ostaju odvojene i postupno rastu. Nastali proizvodi često se nazivaju solovima silicijeva dioksida ili taloženim silicijevim dioksidom. Suspenzija koloidnog silicijeva dioksida stabilizira se podešavanjem pH, a zatim koncentrira, npr. isparavanjem.
Da biste saznali više o sonomehaničkim učincima u sol-gel procesima, kliknite ovdje!

Zdravstveni rizik silicijeva dioksida

Kristalni silikonov dioksid u suhom obliku ili raspršen u zraku karcinogen je za ljudska pluća koji može uzrokovati ozbiljne plućne bolesti, rak pluća ili sustavne autoimune bolesti. Kada se prašina silicijeva dioksida udahne i dospije u pluća, uzrokuje stvaranje ožiljnog tkiva i smanjuje sposobnost pluća da primaju kisik (silikoza). Vlaženje i dispergiranje SiO2 u tekućoj fazi, npr. ultrazvučnom homogenizacijom, uklanja rizik od udisanja. Stoga je rizik da tekući proizvod koji sadrži SiO2 uzrokuje silikozu vrlo nizak. Pri rukovanju silicijevim dioksidom u obliku suhog praha upotrebljavajte odgovarajuću osobnu zaštitnu opremu!

Literatura

• 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.