シリカ（SiO2）の超音波分散

SiO2、ナノシリカ、マイクロシリカとも呼ばれるシリカは、歯磨き剤、セメント、合成ゴム、高性能ポリマー、食品において、増粘剤、吸着剤、固結防止剤、または香料や風味成分の担体として使用されます。以下では、ナノシリカとマイクロシリカの用途について詳しく説明するとともに、超音波による機械的作用が、より良好なシリカ懸濁液の調製とシリカナノ粒子の合成促進を通じて、プロセス効率と最終製品の性能をどのように向上させるかを紹介します。

ナノシリカ（SiO2）の超音波分散の利点

シリカには多様な親水性および疎水性の形態があり、その粒径は数マイクロメートルから数ナノメートルに及ぶ極めて微細なものです。通常、シリカは湿潤後も十分には分散していません。また、製品配合物に多数の微細気泡を持ち込みます。超音波処理は、マイクロシリカとナノシリカを分散させ、配合物から溶存ガスと微細気泡を除去するための効果的なプロセス技術です。

超音波分散は、高強度・低周波の超音波を利用して液体媒体中の粒子を分散させ、解凝集する技術です。シリカおよびナノシリカの分散において、超音波分散には次のような利点があります。
 

シリカの粒径の重要性

ナノサイズまたはマイクロサイズのシリカの多くの用途では、良好で均一な分散が非常に重要です。例えば粒径測定では、単分散のシリカ懸濁液が必要になることがよくあります。特に、耐擦傷性を向上させるためにインク、コーティング、ポリマーに使用する場合、ヘイズを防ぎ透明性を維持するには、シリカ粒子が可視光に干渉しないほど十分に小さい必要があります。ほとんどのコーティングでは、この要件を満たすためにシリカ粒子を40nm未満にする必要があります。他の用途では、シリカ粒子の凝集が、個々のシリカ粒子と周囲の媒体との相互作用を妨げます。
超音波ホモジナイザーは、回転式ミキサーやタンク撹拌機など、他の高せん断混合方法よりもシリカの分散に効果的です。下の画像は、フュームドシリカを水中で超音波分散させた典型的な結果を示しています。

水中でのフュームドシリカの超音波分散

シリカの微粒化における処理効率

ナノシリカの超音波分散は、IKA Ultra-Turraxなどの他の高せん断混合方法よりも優れています。超音波は、より小さなシリカ粒径の懸濁液を生成し、超音波処理はよりエネルギー効率の高い技術です。PohlとSchubertは、水中のAerosil 90（2%wt）の微粒化について、Ultra-Turrax（ローター・ステーターシステム）を使用した場合とHielscher UIP1000hd（1kW超音波装置）を使用した場合を比較しました。下のグラフは、超音波プロセスの優れた結果を示しています。Pohlはこの研究の結果から、「比エネルギーEVが一定の場合、超音波はローター・ステーターシステムよりも効果的である」と結論付けました。製造コスト、プロセス処理能力、製品品質が重要となる生産プロセスでは、エネルギー効率とシリカ粒径の均一性が極めて重要です。

シリカ分散における超音波とUltra-turraxの比較

下の画像は、噴霧凍結乾燥したシリカ顆粒を超音波処理してPohlが得た結果を示しています。

左：超音波解凝集前の噴霧凍結シリカ顆粒のREM画像
右：超音波分散したシリカ断片のTEM画像
研究および画像：Pohl and Schubert, 2004)

高品質なシリカ配合物のための高性能超音波分散装置

Hielscher Ultrasonicsは、液体、固体を含む懸濁液、ペーストの処理に用いる高性能超音波ホモジナイザーの開発、製造、供給を専門とする、ドイツの家族経営企業です。Hielscherの超音波ホモジナイザーは、シリカスラリーやその他のナノ懸濁液を確実に処理し、あらゆる所望の仕様を実現します。非常に敏感な配合物、研磨性のある配合物、高粘度の配合物であっても、超音波処理によって効率的に分散・解凝集できます。当社の先進的な超音波装置は極めて汎用性が高く、高度なバッチ処理およびインライン処理の選択肢を提供します。安定した高い品質基準と再現性のある結果は、超音波によるシリカ分散の主要な特長です。
Hielscherの最先端の産業用超音波装置は、スマートで使いやすいメニュー、プログラム可能な設定、内蔵SDカードへの自動データ記録、ブラウザーによる遠隔操作、高い堅牢性を備えています。
超音波処理において、振幅は最も影響力の大きいパラメーターです。振幅とは、超音波の最大変位またはピーク間の動きを指します。超音波分散、解凝集、湿式粉砕では、微粒化に十分なエネルギーを加えるため、高い振幅が必要になることがよくあります。Hielscherの産業用超音波プロセッサーは、極めて高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。
小型・中型のR&D用およびパイロット用超音波装置から、連続モードでシリカを商業生産するための産業用システムまで、Hielscher Ultrasonicsは、優れたシリカ処理に関するお客様の要件を満たす適切な超音波プロセッサーを提供します。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波装置を産業設備に円滑に組み込めます。Hielscherの超音波装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置を特に重視しています。当然ながら、Hielscherの超音波装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。

シリカ（SiO2、二酸化ケイ素）とは？

シリカは、ケイ素と酸素からなる化合物で、化学式はSiO2です。二酸化ケイ素とも呼ばれます。シリカには、溶融石英、フュームドシリカ、シリカゲル、エアロゲルなど、さまざまな形態があります。シリカは、複数の鉱物を構成する化合物として、また合成製品として存在します。自然界では、シリカは最も一般的には石英として、またさまざまな生物中に見られます。二酸化ケイ素は、石英の採掘と精製によって得られます。非晶質シリカの主な三つの形態は、パイロジェニックシリカ、沈降シリカ、シリカゲルです。

フュームドシリカ／パイロジェニックシリカ

酸素に富む水素炎中で四塩化ケイ素（SiCl4）を燃焼させると、SiO2の煙 – フュームドシリカが生成します。また、3000 °Cの電気アークで石英砂を気化させることでも、フュームドシリカが生成します。どちらのプロセスでも、生成した非晶質シリカの微小液滴が融合し、分岐した鎖状の三次元二次粒子を形成します。これらの二次粒子はその後凝集し、かさ密度が極めて低く、表面積が非常に大きい白色粉末になります。非多孔質フュームドシリカの一次粒径は5–50 nmです。フュームドシリカには非常に強い増粘効果があります。そのため、シリコーンエラストマーの充填剤として、また塗料、コーティング、接着剤、印刷インク、不飽和ポリエステル樹脂の粘度調整に使用されます。フュームドシリカは、有機液体用途または水系用途に応じて、疎水性または親水性となるよう処理できます。疎水性シリカは、消泡剤の有効な成分です。
超音波による脱気と消泡については、こちらをご覧ください。
フュームドシリカのCAS番号 112945-52-5

シリカフューム／マイクロシリカ

シリカフュームは、マイクロシリカとも呼ばれる、ナノサイズの超微細粉末です。シリカフュームとフュームドシリカを混同しないでください。シリカフュームの製造プロセス、粒子形態、用途分野は、いずれもフュームドシリカとは異なります。シリカフュームは、SiO2の非晶質、非結晶性の多形です。シリカフュームは、平均粒径150 nmの球状粒子からなります。シリカフュームの最も主要な用途は、高性能コンクリート用のポゾラン材料です。圧縮強度、付着強度、耐摩耗性などのコンクリート特性を改善するため、ポルトランドセメントコンクリートに添加されます。さらに、シリカフュームはコンクリートの塩化物イオン透過性を低下させます。これにより、コンクリートの補強用鋼材が腐食から保護されます。
セメントとシリカフュームの超音波混合について詳しくは、こちらをクリックしてください！
シリカフュームのCAS番号：69012-64-2、シリカフュームのEINECS番号：273-761-1

沈降シリカ

沈降シリカは、白色粉末状の合成非晶質SiO2です。沈降シリカは、タイヤなどのプラスチックやゴムにおいて、充填剤、軟化剤、または性能向上のために使用されます。その他の用途には、歯磨き剤中の洗浄剤、増粘剤、研磨剤があります。
歯磨き剤製造における超音波混合について詳しくは、こちらをクリックしてください！
フュームドシリカの一次粒子の直径は5–100 nmで、凝集体の大きさは最大40 µm、平均細孔径は30 nmより大きくなります。パイロジェニックシリカと同様に、沈降シリカは基本的にミクロ多孔質ではありません。
フュームドシリカは、ケイ酸塩を含む溶液からの沈殿によって製造されます。中性のケイ酸塩溶液を鉱酸と反応させた後、超音波撹拌などで撹拌しながら、硫酸溶液とケイ酸ナトリウム溶液を水に同時に添加します。シリカは酸性条件下で沈殿します。沈殿時間、反応物の添加速度、温度、濃度、pHなどの要因に加えて、撹拌の方法と強度によってもシリカの特性が変化します。超音波反応器チャンバー内での超音波による機械的撹拌は、安定して均一な粒径を得るための効果的な方法です。高温での超音波撹拌は、ゲル段階の形成を回避します。
沈降シリカなどのナノ材料の超音波支援沈殿について詳しくは、こちらをクリックしてください！
沈降シリカのCAS番号：7631-86-9

コロイダルシリカ／シリカコロイド

コロイダルシリカは、微細で非多孔質、非晶質、主に球状のシリカ粒子を液相中に懸濁させたものです。
シリカコロイドの最も一般的な用途は、製紙における水切り助剤、シリコンウェハー研磨用の研磨剤、化学プロセスにおける触媒、吸湿剤、耐摩耗性コーティング用の添加剤、または凝集、凝結、分散、安定化のための界面活性剤です。
耐摩耗性ポリマーコーティング中のコロイダルシリカについて詳しくは、こちらをクリックしてください！

コロイダルシリカの製造は、多段階のプロセスです。アルカリケイ酸塩溶液を部分的に中和すると、シリカ核が形成されます。コロイダルシリカ粒子のサブユニットは、通常1–5 nmの範囲にあります。重合条件によっては、これらのサブユニットが結合することがあります。pHを7未満に下げるか、塩を添加すると、サブユニットは融合して鎖状になる傾向があり、これはしばしばシリカゲルと呼ばれます。それ以外の場合、サブユニットは分離したまま徐々に成長します。得られた製品は、しばしばシリカゾルまたは沈降シリカと呼ばれます。コロイダルシリカ懸濁液は、pH調整によって安定化され、その後、例えば蒸発によって濃縮されます。
ゾルゲルプロセスにおける超音波の機械的作用について詳しくは、こちらをクリックしてください！

シリカの健康リスク

乾燥した、または空気中に浮遊する結晶性二酸化シリコーンは、ヒトの肺に対する発がん性物質であり、重篤な肺疾患、肺がん、全身性自己免疫疾患を引き起こす可能性があります。シリカ粉塵が吸入されて肺に入ると、瘢痕組織の形成を引き起こし、肺が酸素を取り込む能力を低下させます（珪肺）。例えば超音波ホモジナイゼーションによってSiO2を湿潤させ、液相中に分散させると、吸入のリスクがなくなります。したがって、SiO2を含む液状製品が珪肺を引き起こすリスクは非常に低くなります。乾燥粉末状のシリカを取り扱う際は、適切な個人用保護具を使用してください！

参考文献

• 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.