Dispersi Ultrasonik Silika (SiO2)

Silika, yang juga dikenal sebagai SiO2, nanosilika atau mikrosilika, digunakan dalam pasta gigi, semen, karet sintetis, polimer berkinerja tinggi atau produk pangan sebagai pengental, adsorben, bahan antipenggumpalan, atau pembawa pewangi dan perisa. Di bawah ini Anda akan mempelajari lebih lanjut tentang penggunaan nanosilika dan mikrosilika serta bagaimana efek sonomekanis ultrasonik dapat meningkatkan efisiensi proses dan kinerja produk akhir dengan menghasilkan suspensi silika yang lebih baik dan memfasilitasi sintesis nanopartikel silika.

Keunggulan Dispersi Ultrasonik Nanosilika (SiO2)

Silika tersedia dalam beragam bentuk hidrofilik dan hidrofobik serta memiliki ukuran partikel yang sangat halus, dari beberapa mikrometer hingga beberapa nanometer. Biasanya, silika tidak terdispersi dengan baik setelah pembasahan. Silika juga menambahkan banyak gelembung mikro ke dalam formulasi produk. Ultrasonikasi merupakan teknologi proses yang efektif untuk mendispersikan mikrosilika dan nanosilika serta menghilangkan gas terlarut dan gelembung mikro dari formulasi.

Dispersi ultrasonik adalah teknik yang menggunakan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah untuk mendispersikan dan mendeaglomerasi partikel dalam medium cair. Untuk dispersi silika dan nanosilika, dispersi ultrasonik menawarkan beberapa keunggulan:
 

Pentingnya Ukuran Partikel Silika

Untuk banyak aplikasi silika berukuran nano atau mikro, dispersi yang baik dan seragam sangat penting. Sering kali diperlukan suspensi silika monodispersi, misalnya untuk pengukuran ukuran partikel. Khususnya untuk penggunaan dalam tinta atau pelapis dan polimer guna meningkatkan ketahanan terhadap goresan, partikel silika harus cukup kecil agar tidak mengganggu cahaya tampak, sehingga mencegah kekaburan dan mempertahankan transparansi. Untuk sebagian besar pelapis, partikel silika harus lebih kecil dari 40nm untuk memenuhi persyaratan ini. Untuk aplikasi lain, aglomerasi partikel silika menghambat interaksi setiap partikel silika dengan medium di sekitarnya.
Homogenizer ultrasonik lebih efektif dalam mendispersikan silika dibandingkan metode pencampuran bergeser tinggi lainnya, seperti pencampur putar atau pengaduk tangki. Gambar di bawah menunjukkan hasil khas pendispersian ultrasonik silika pirogenik dalam air.

Dispersi Ultrasonik Silika Pirogenik dalam Air

Efisiensi Pemrosesan dalam Pengurangan Ukuran Silika

Dispersi ultrasonik nanosilika lebih unggul dibandingkan metode pencampuran bergeser tinggi lainnya, seperti IKA Ultra-Turrax. Ultrasonik menghasilkan suspensi dengan ukuran partikel silika yang lebih kecil, dan ultrasonikasi merupakan teknologi yang lebih hemat energi. Pohl dan Schubert membandingkan pengurangan ukuran partikel Aerosil 90 (2%wt) dalam air menggunakan Ultra-Turrax (sistem rotor-stator) dengan menggunakan Hielscher UIP1000hd (perangkat ultrasonik 1kW). Grafik di bawah menunjukkan hasil proses ultrasonik yang lebih unggul. Berdasarkan penelitiannya, Pohl menyimpulkan bahwa “Pada energi spesifik EV yang konstan, ultrasonik lebih efektif daripada sistem rotor-stator.” Efisiensi energi dan keseragaman ukuran partikel silika sangat penting dalam proses produksi, ketika biaya produksi, kapasitas proses, dan kualitas produk menjadi pertimbangan.

Ultrasonik vs. Ultra-turrax untuk Dispersi Silika

Gambar-gambar di bawah menunjukkan hasil yang diperoleh Pohl melalui sonikasi granula silika yang dikeringkan dengan metode pengeringan beku semprot.

Kiri: Citra REM granula silika beku semprot sebelum deaglomerasi ultrasonik
Kanan: Citra TEM fragmen silika yang didispersikan secara ultrasonik
Penelitian dan gambar: Pohl and Schubert, 2004)

Disperser Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Formulasi Silika Berkualitas Tinggi

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan keluarga asal Jerman yang berspesialisasi dalam pengembangan, pembuatan, dan penyediaan homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk pengolahan cairan, suspensi bermuatan padatan, dan pasta. Homogenizer ultrasonik Hielscher memproses bubur silika dan nanosuspensi lainnya secara andal untuk mencapai spesifikasi apa pun yang diinginkan. Bahkan formulasi produk yang sangat sensitif, abrasif, atau sangat kental dapat didispersikan dan dideaglomerasi secara efisien menggunakan ultrasonikasi. Sonikator canggih kami sangat serbaguna dan menawarkan pilihan pengolahan batch dan inline yang canggih. Standar kualitas tinggi yang andal dan hasil yang dapat direproduksi merupakan ciri utama dispersi silika ultrasonik.
Sonikator kelas industri mutakhir Hielscher dilengkapi menu cerdas dan mudah digunakan, pengaturan yang dapat diprogram, pencatatan data otomatis pada kartu SD terintegrasi, kendali jarak jauh melalui peramban, serta ketangguhan tinggi.
Amplitudo merupakan parameter yang paling berpengaruh dalam pemrosesan ultrasonik. Amplitudo merujuk pada perpindahan maksimum atau gerakan dari puncak ke puncak suatu gelombang ultrasonik. Untuk dispersi ultrasonik, deaglomerasi, dan penggilingan basah, sering kali diperlukan amplitudo tinggi agar energi yang diberikan cukup untuk mengurangi ukuran partikel. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan terus-menerus dalam pengoperasian 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan dengan kebutuhan.
Dari sonikator penelitian dan pengembangan serta skala pilot berukuran kecil dan menengah hingga sistem industri untuk produksi silika komersial dalam mode kontinu, Hielscher Ultrasonics memiliki prosesor ultrasonik yang tepat untuk memenuhi kebutuhan Anda akan pemrosesan silika yang unggul.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator Hielscher dikenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasiannya memungkinkan integrasi sonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh sonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan perhatian khusus pada sonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir serta mudah digunakan. Tentu saja, sonikator Hielscher sesuai dengan ketentuan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

Apa Itu Silika (SiO2, Silikon Dioksida)?

Silika adalah senyawa kimia yang tersusun dari silikon dan oksigen dengan rumus kimia SiO2, atau silikon dioksida. Terdapat berbagai bentuk silika, seperti kuarsa lebur, silika pirogenik, gel silika, dan aerogel. Silika terdapat sebagai senyawa penyusun beberapa mineral dan sebagai produk sintetis. Di alam, silika paling umum ditemukan sebagai kuarsa dan dalam berbagai organisme hidup. Silikon dioksida diperoleh melalui penambangan dan pemurnian kuarsa. Tiga bentuk utama silika amorf adalah silika pirogenik, silika presipitasi, dan gel silika.

Silika Pirogenik / Silika Hasil Pirolisis

Pembakaran silikon tetraklorida (SiCl4) dalam nyala hidrogen yang kaya oksigen menghasilkan asap SiO2 – silika pirogenik. Sebagai alternatif, penguapan pasir kuarsa dalam busur listrik 3000 °C juga menghasilkan silika pirogenik. Dalam kedua proses tersebut, tetesan mikroskopis silika amorf yang dihasilkan menyatu menjadi partikel sekunder tiga dimensi yang bercabang dan menyerupai rantai. Partikel sekunder ini kemudian beraglomerasi menjadi serbuk putih dengan densitas curah yang sangat rendah dan luas permukaan yang sangat tinggi. Ukuran partikel primer silika pirogenik yang tidak berpori berkisar antara 5 dan 50 nm. Silika pirogenik memiliki efek pengentalan yang sangat kuat. Oleh karena itu, silika pirogenik digunakan sebagai bahan pengisi dalam elastomer silikon dan untuk mengatur viskositas cat, pelapis, perekat, tinta cetak, atau resin poliester tak jenuh. Silika pirogenik dapat diberi perlakuan agar bersifat hidrofobik atau hidrofilik untuk aplikasi dalam cairan organik maupun berbasis air. Silika hidrofobik merupakan komponen penghilang busa yang efektif (bahan antibusa).
Klik di sini untuk membaca tentang penghilangan gas dan busa secara ultrasonik.
Nomor CAS silika pirogenik 112945-52-5

Asap Silika / Mikrosilika

Asap silika adalah serbuk ultrahalus berukuran nano yang juga dikenal sebagai mikrosilika. Asap silika tidak boleh disamakan dengan silika pirogenik. Proses produksi, morfologi partikel, dan bidang aplikasi asap silika semuanya berbeda dari silika pirogenik. Asap silika merupakan bentuk polimorf SiO2 yang amorf dan nonkristalin. Asap silika terdiri dari partikel berbentuk bola dengan diameter partikel rata-rata 150 nm. Aplikasi asap silika yang paling menonjol adalah sebagai bahan pozolan untuk beton berkinerja tinggi. Bahan ini ditambahkan ke beton semen Portland untuk meningkatkan sifat beton, seperti kuat tekan, kekuatan ikatan, dan ketahanan abrasi. Selain itu, asap silika mengurangi permeabilitas beton terhadap ion klorida. Hal ini melindungi baja tulangan beton dari korosi.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang pencampuran ultrasonik semen dan asap silika, silakan klik di sini!
Nomor CAS asap silika: 69012-64-2, nomor EINECS asap silika: 273-761-1

Silika Presipitasi

Silika presipitasi adalah bentuk sintetis amorf SiO2 berupa serbuk putih. Silika presipitasi digunakan sebagai bahan pengisi, pelunak, atau peningkat kinerja dalam plastik atau karet, misalnya ban. Penggunaan lainnya meliputi bahan pembersih, pengental, atau pemoles dalam pasta gigi.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang pencampuran ultrasonik dalam pembuatan pasta gigi, silakan klik di sini!
Partikel primer silika pirogenik memiliki diameter antara 5 dan 100 nm, sedangkan ukuran aglomeratnya mencapai 40 µm dengan ukuran pori rata-rata lebih besar dari 30 nm. Seperti silika pirogenik, silika presipitasi pada dasarnya tidak berpori mikro.
Silika pirogenik diproduksi melalui presipitasi dari larutan yang mengandung garam silikat. Setelah reaksi larutan silikat netral dengan asam mineral, larutan asam sulfat dan natrium silikat ditambahkan secara bersamaan ke dalam air sambil diaduk, misalnya dengan pengadukan ultrasonik. Silika mengendap dalam kondisi asam. Selain faktor-faktor seperti durasi presipitasi, laju penambahan reaktan, suhu dan konsentrasi, serta pH, metode dan intensitas pengadukan dapat mengubah sifat silika. Pengadukan sonomekanis dalam ruang reaktor ultrasonik merupakan metode yang efektif untuk menghasilkan ukuran partikel yang konsisten dan seragam. Pengadukan ultrasonik pada suhu tinggi mencegah terbentuknya tahap gel.
Untuk informasi lebih lanjut tentang presipitasi material nano berbantuan ultrasonik, seperti silika presipitasi, silakan klik di sini!
Nomor CAS silika presipitasi: 7631-86-9

Silika Koloidal / Koloid Silika

Silika koloidal adalah suspensi partikel silika halus yang tidak berpori, amorf, dan sebagian besar berbentuk bola dalam fase cair.
Penggunaan koloid silika yang paling umum adalah sebagai bahan pembantu drainase dalam pembuatan kertas, bahan abrasif untuk pemolesan wafer silikon, katalis dalam proses kimia, penyerap kelembapan, aditif untuk pelapis tahan abrasi, atau surfaktan untuk flokulasi, koagulasi, dispersi, atau stabilisasi.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang silika koloidal dalam pelapis polimer tahan abrasi, silakan klik di sini!

Produksi silika koloidal merupakan proses bertahap. Netralisasi parsial larutan silikat alkali menyebabkan terbentuknya inti silika. Subunit partikel silika koloidal biasanya berukuran antara 1 dan 5 nm. Bergantung pada kondisi polimerisasi, subunit ini dapat bergabung satu sama lain. Dengan menurunkan pH hingga di bawah 7 atau menambahkan garam, unit-unit tersebut cenderung menyatu membentuk rantai, yang sering disebut gel silika. Jika tidak, subunit tetap terpisah dan tumbuh secara bertahap. Produk yang dihasilkan sering disebut sol silika atau silika presipitasi. Suspensi silika koloidal distabilkan melalui penyesuaian pH lalu dipekatkan, misalnya melalui penguapan.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang efek sonomekanis dalam proses sol-gel, silakan klik di sini!

Risiko Kesehatan Silika

Silikon dioksida kristalin yang kering atau terbawa udara merupakan karsinogen paru-paru manusia yang dapat menyebabkan penyakit paru-paru serius, kanker paru-paru, atau penyakit autoimun sistemik. Ketika debu silika terhirup dan masuk ke paru-paru, debu tersebut menyebabkan pembentukan jaringan parut dan mengurangi kemampuan paru-paru untuk menyerap oksigen (silikosis). Pembasahan dan pendispersian SiO2 ke dalam fase cair, misalnya melalui homogenisasi ultrasonik, menghilangkan risiko terhirup. Oleh karena itu, risiko produk cair yang mengandung SiO2 menyebabkan silikosis sangat rendah. Gunakan alat pelindung diri yang sesuai saat menangani silika dalam bentuk serbuk kering!

Literatur

• 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.