A szilícium-dioxid (SiO2) ultrahangos diszpergálása

A szilícium-dioxidot, más néven SiO2-t, nanoszilícium-dioxidot vagy mikroszilícium-dioxidot fogkrémekben, cementben, szintetikus gumiban, nagy teljesítményű polimerekben vagy élelmiszerekben használják sűrítőanyagként, adszorbensként, csomósodásgátlóként, illetve illat- és aromaanyagok hordozójaként. Az alábbiakban többet megtudhat a nanoszilícium-dioxid és a mikroszilícium-dioxid felhasználásáról, valamint arról, hogyan javíthatják az ultrahang szonomechanikai hatásai a folyamat hatékonyságát és a végtermék teljesítményét jobb szilícium-dioxid-szuszpenziók előállításával és a szilícium-dioxid-nanorészecskék szintézisének megkönnyítésével.

A nanoszilícium-dioxid (SiO2) ultrahangos diszpergálásának előnyei

A szilícium-dioxid számos hidrofil és hidrofób formában érhető el, és rendkívül finom részecskemérete néhány mikrométertől egészen néhány nanométerig terjed. Nedvesítés után a szilícium-dioxid jellemzően nincs megfelelően diszpergálva. Emellett sok mikrobuborékot is juttat a termékkészítménybe. Az ultrahangos kezelés hatékony technológia a mikroszilícium-dioxid és a nanoszilícium-dioxid diszpergálására, valamint az oldott gáz és a mikrobuborékok eltávolítására a készítményből.

Az ultrahangos diszpergálás olyan eljárás, amely nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahanghullámokat használ a részecskék folyékony közegben történő diszpergálására és deagglomerálására. A szilícium-dioxid és a nanoszilícium-dioxid diszpergálásában az ultrahangos diszpergálás számos előnyt kínál:
 

A szilícium-dioxid részecskeméretének jelentősége

A nano- vagy mikroméretű szilícium-dioxid számos alkalmazásában nagyon fontos a jó és egyenletes diszpergálás. Gyakran monodiszperz szilícium-dioxid-szuszpenzióra van szükség, például részecskeméret-méréshez. Különösen a tintákban, bevonatokban és polimerekben a karcállóság javítására alkalmazott szilícium-dioxid részecskéinek kell elég kicsinek lenniük ahhoz, hogy ne zavarják a látható fényt, így elkerülhető legyen a homályosság, és megmaradjon az átlátszóság. A legtöbb bevonat esetében a szilícium-dioxid-részecskéknek 40nm-nél kisebbnek kell lenniük e követelmény teljesítéséhez. Más alkalmazásokban a szilícium-dioxid-részecskék agglomerációja akadályozza az egyes szilícium-dioxid-részecskék kölcsönhatását a környező közeggel.
Az ultrahangos homogenizátorok hatékonyabban diszpergálják a szilícium-dioxidot, mint más, nagy nyíróhatású keverési módszerek, például a forgó keverők vagy a tartálykeverők. Az alábbi kép a pirogén szilícium-dioxid vízben történő ultrahangos diszpergálásának egy tipikus eredményét mutatja.

Pirogén szilícium-dioxid ultrahangos diszpergálása vízben

A feldolgozás hatékonysága a szilícium-dioxid méretcsökkentésében

A nanoszilícium-dioxid ultrahangos diszpergálása felülmúlja a többi, nagy nyíróhatású keverési módszert, például az IKA Ultra-Turrax alkalmazását. Az ultrahang kisebb szilícium-dioxid-részecskéket tartalmazó szuszpenziókat hoz létre, és az ultrahangos kezelés az energiahatékonyabb technológia. Pohl és Schubert összehasonlította az Aerosil 90 (2%wt) vízben történő részecskeméret-csökkentését Ultra-Turrax (rotor–sztátor rendszer) és Hielscher UIP1000hd (1kW ultrahangos készülék) használatával. Az alábbi grafikon az ultrahangos eljárás kedvezőbb eredményeit mutatja. Vizsgálata alapján Pohl arra a következtetésre jutott, hogy „Állandó EV fajlagos energia mellett az ultrahang hatékonyabb, mint a rotor–sztátor rendszer.” Az energiahatékonyság és a szilícium-dioxid részecskeméretének egyenletessége rendkívül fontos azokban a termelési folyamatokban, ahol számít a gyártási költség, a folyamat kapacitása és a termék minősége.

Ultrahang és Ultra-turrax összehasonlítása a szilícium-dioxid diszpergálásában

Az alábbi képek azokat az eredményeket mutatják, amelyeket Pohl porlasztásos fagyasztva szárítással előállított szilícium-dioxid-granulátumok ultrahangos kezelésével ért el.

Balra: porlasztásos fagyasztással előállított szilícium-dioxid-granulátumok REM-felvételei az ultrahangos deagglomerálás előtt
Jobbra: ultrahangosan diszpergált szilícium-dioxid-töredékek TEM-felvételei
Tanulmány és képek: Pohl és Schubert, 2004)

Nagy teljesítményű ultrahangos diszpergátorok kiváló minőségű szilícium-dioxid-készítményekhez

A Hielscher Ultrasonics német családi vállalkozás, amely folyadékok, szilárd anyagokat tartalmazó szuszpenziók és paszták kezelésére szolgáló, nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok fejlesztésére, gyártására és szállítására szakosodott. A Hielscher ultrahangos homogenizátorai megbízhatóan dolgozzák fel a szilícium-dioxid-iszapokat és más nanoszuszpenziókat bármilyen kívánt specifikáció eléréséhez. Még a rendkívül érzékeny, abrazív vagy nagy viszkozitású termékkészítmények is hatékonyan diszpergálhatók és deagglomerálhatók ultrahangos kezeléssel. Fejlett ultrahangos készülékeink rendkívül sokoldalúak, és kifinomult szakaszos és inline kezelési lehetőségeket kínálnak. A megbízhatóan magas minőségi színvonal és a reprodukálható eredmények az ultrahangos szilícium-dioxid-diszpergálás fő jellemzői.
A Hielscher korszerű, ipari ultrahangos készülékei intelligens és felhasználóbarát menüvel, programozható beállításokkal, integrált SD-kártyára történő automatikus adatnaplózással, böngészőn keresztüli távvezérléssel és nagyfokú robusztussággal rendelkeznek.
Az ultrahangos feldolgozásban az amplitúdó a legnagyobb hatású paraméter. Az amplitúdó az ultrahanghullám maximális elmozdulását vagy csúcstól csúcsig tartó mozgását jelenti. Az ultrahangos diszpergáláshoz, deagglomeráláshoz és nedves őrléshez gyakran nagy amplitúdókra van szükség ahhoz, hogy elegendő energia álljon rendelkezésre a részecskeméret csökkentéséhez. A Hielscher ipari ultrahangos feldolgozóberendezései kivételesen nagy amplitúdókat képesek biztosítani. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemmódban. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
A kis és közepes méretű K+F és kísérleti ultrahangos készülékektől a szilícium-dioxid folyamatos üzemű, kereskedelmi célú gyártására szolgáló ipari rendszerekig a Hielscher Ultrasonics kínálatában megtalálható a megfelelő ultrahangos feldolgozóberendezés, amely kielégíti a kiváló szilícium-dioxid-feldolgozással kapcsolatos igényeit.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. A robusztusság és az egyszerű működtetés lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyen megbirkóznak a mostoha körülményekkel és az igényes környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a korszerű technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE-előírásoknak, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Mi a szilícium-dioxid (SiO2)?

A szilícium-dioxid szilíciumból és oxigénből álló kémiai vegyület, amelynek képlete SiO2. A szilícium-dioxidnak számos különböző formája létezik, például az olvasztott kvarc, a pirogén szilícium-dioxid, a szilikagél és az aerogélek. A szilícium-dioxid több ásvány alkotóvegyületeként és szintetikus termékként is előfordul. A természetben a szilícium-dioxid leggyakrabban kvarcként és különböző élő szervezetekben található meg. A szilícium-dioxidot kvarc bányászatával és tisztításával nyerik. Az amorf szilícium-dioxid három fő formája a pirogén szilícium-dioxid, a kicsapatott szilícium-dioxid és a szilikagél.

Pirogén szilícium-dioxid / Pirogén szilika

A szilícium-tetraklorid (SiCl4) oxigénben gazdag hidrogénlángban történő elégetése SiO2-füstöt – pirogén szilícium-dioxidot – hoz létre. Alternatívaként a kvarchomok elpárologtatása 3000 °C-os elektromos ívben szintén pirogén szilícium-dioxidot eredményez. Mindkét folyamatban az amorf szilícium-dioxid keletkező mikroszkopikus cseppjei elágazó, láncszerű, háromdimenziós másodlagos részecskékké olvadnak össze. Ezek a másodlagos részecskék ezután rendkívül kis halmazsűrűségű és igen nagy felületű fehér porrá agglomerálódnak. A nem porózus pirogén szilícium-dioxid elsődleges részecskemérete 5 és 50 nm között van. A pirogén szilícium-dioxidnak nagyon erős sűrítő hatása van. Ezért szilikonelasztomerekben töltőanyagként, festékekben, bevonatokban, ragasztókban, nyomdafestékekben vagy telítetlen poliésztergyantákban pedig a viszkozitás beállítására használják. A pirogén szilícium-dioxid kezeléssel hidrofóbbá vagy hidrofillé tehető szerves folyadékokban vagy vizes közegben történő alkalmazásokhoz. A hidrofób szilícium-dioxid hatékony habzásgátló összetevő (habzásgátló szer).
Kattintson ide, ha az ultrahangos gáztalanításról és habmentesítésről szeretne olvasni.
A pirogén szilícium-dioxid CAS-száma: 112945-52-5

Szilikafüst / Mikroszilika

A szilikafüst ultrafinom, nanoméretű por, amely mikroszilika néven is ismert. A szilikafüst nem tévesztendő össze a pirogén szilícium-dioxiddal. A szilikafüst előállítási folyamata, részecskemorfologiája és alkalmazási területei mind eltérnek a pirogén szilícium-dioxidétól. A szilikafüst a SiO2 amorf, nem kristályos, polimorf formája. A szilikafüst gömb alakú részecskékből áll, amelyek átlagos részecskeátmérője 150 nm. A szilikafüst legjelentősebb alkalmazása a nagy teljesítőképességű betonhoz használt puccolánanyagként való felhasználás. Portlandcementből készült betonhoz adják a beton olyan tulajdonságainak javítására, mint a nyomószilárdság, a tapadószilárdság és a kopásállóság. Ezen túlmenően a szilikafüst csökkenti a beton kloridionokkal szembeni áteresztőképességét. Ez megvédi a beton acélbetétjeit a korróziótól.
Ha többet szeretne megtudni a cement és a szilikafüst ultrahangos keveréséről, kattintson ide!
A szilikafüst CAS-száma: 69012-64-2, a szilikafüst EINECS-száma: 273-761-1

Kicsapatott szilícium-dioxid

A kicsapatott szilícium-dioxid a SiO2 fehér, porszerű, szintetikus amorf formája. A kicsapatott szilícium-dioxidot műanyagokban vagy gumiban, például gumiabroncsokban töltőanyagként, lágyítóként vagy a teljesítmény javítására használják. További felhasználási területei közé tartozik a fogkrémekben tisztító-, sűrítő- vagy polírozóanyagként való alkalmazás.
Ha többet szeretne megtudni a fogkrémgyártás során alkalmazott ultrahangos keverésről, kattintson ide!
A pirogén szilícium-dioxid elsődleges részecskéinek átmérője 5 és 100 nm között van, míg az agglomerátumok mérete akár 40 µm is lehet, az átlagos pórusméret pedig nagyobb mint 30 nm. A pirogén szilícium-dioxidhoz hasonlóan a kicsapatott szilícium-dioxid lényegében nem mikroporózus.
A pirogén szilícium-dioxidot szilikátsókat tartalmazó oldatból történő kicsapatással állítják elő. A semleges szilikátoldat és egy ásványi sav reakciója után kénsav- és nátrium-szilikát-oldatokat adagolnak egyidejűleg vízhez keverés, például ultrahangos keverés közben. A szilícium-dioxid savas körülmények között csapódik ki. Olyan tényezők mellett, mint a kicsapatás időtartama, a reagensek adagolási sebessége, a hőmérséklet és a koncentráció, valamint a pH, a keverés módja és intenzitása is változtathatja a szilícium-dioxid tulajdonságait. Az ultrahangos reaktorkamrában végzett szonomechanikai keverés hatékony módszer az állandó és egyenletes részecskeméret elérésére. Az emelt hőmérsékleten végzett ultrahangos keverés elkerüli a gélállapot kialakulását.
Ha további információt szeretne az olyan nanoanyagok ultrahanggal segített kicsapatásáról, mint a kicsapatott szilícium-dioxid, kattintson ide!
A kicsapatott szilícium-dioxid CAS-száma: 7631-86-9

Kolloid szilícium-dioxid / Szilícium-dioxid-kolloid

A kolloid szilícium-dioxid finom, nem porózus, amorf, többnyire gömb alakú szilícium-dioxid-részecskék folyadékfázisú szuszpenziója.
A szilícium-dioxid-kolloidok leggyakoribb felhasználási területei a papírgyártásban víztelenítést segítő anyagként, szilíciumszeletek polírozásához csiszolóanyagként, kémiai folyamatokban katalizátorként, nedvességmegkötőként, kopásálló bevonatok adalékanyagaként, illetve flokkuláláshoz, koaguláláshoz, diszpergáláshoz vagy stabilizáláshoz felületaktív anyagként való alkalmazás.
Ha többet szeretne megtudni a kopásálló polimerbevonatokban alkalmazott kolloid szilícium-dioxidról, kattintson ide!

A kolloid szilícium-dioxid előállítása többlépéses folyamat. Egy alkáli-szilikát-oldat részleges semlegesítése szilícium-dioxid-gócok kialakulásához vezet. A kolloid szilícium-dioxid-részecskék alegységei jellemzően az 1 és 5 nm közötti tartományba esnek. A polimerizáció körülményeitől függően ezek az alegységek összekapcsolódhatnak. A pH 7 alá csökkentésével vagy só hozzáadásával az egységek hajlamosak láncokká összeolvadni, amelyeket gyakran szilikagéleknek neveznek. Ellenkező esetben az alegységek elkülönülve maradnak, és fokozatosan növekednek. A keletkező termékeket gyakran szilícium-dioxid-szoloknak vagy kicsapatott szilícium-dioxidnak nevezik. A kolloid szilícium-dioxid-szuszpenziót a pH beállításával stabilizálják, majd például bepárlással töményítik.
Ha többet szeretne megtudni a szol–gél folyamatok szonomechanikai hatásairól, kattintson ide!

A szilícium-dioxid egészségügyi kockázata

A száraz vagy levegőben szálló kristályos szilikon-dioxid az emberi tüdőre rákkeltő hatású anyag, amely súlyos tüdőbetegséget, tüdőrákot vagy szisztémás autoimmun betegségeket okozhat. Amikor a szilícium-dioxid-por belélegzéssel a tüdőbe jut, hegszövet kialakulását okozza, és csökkenti a tüdő oxigénfelvevő képességét (szilikózis). A SiO2 nedvesítése és folyadékfázisban történő diszpergálása, például ultrahangos homogenizálással, megszünteti a belélegzés kockázatát. Ezért nagyon alacsony annak a kockázata, hogy egy SiO2-t tartalmazó folyékony termék szilikózist okozzon. Kérjük, használjon megfelelő egyéni védőeszközöket, amikor száraz por formájában kezel szilícium-dioxidot!

Szakirodalom

• 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.