シリカ（SiO2）の超音波分散

SiO2、ナノシリカ、マイクロシリカとしても知られるシリカは、歯磨き粉、セメント、合成ゴム、高性能ポリマー、あるいは増粘剤、吸着剤、固結防止剤、香料担体として食品に使用されています。以下では、ナノシリカとマイクロシリカの用途について、また、超音波のソノメカニカル効果が、より良いシリカ懸濁液を作り、シリカナノ粒子合成を促進することで、プロセス効率と最終製品性能をどのように向上させるかについて詳しく説明します。

ナノシリカ（SiO2）の超音波分散の利点

シリカは親水性、疎水性など様々な種類があり、粒径は数マイクロメートルから数ナノメートルと非常に細かい。一般的にシリカは湿潤後、あまり分散しない。また、シリカは製品に多くのマイクロバブルを加えます。超音波処理は、マイクロシリカとナノシリカを分散させ、製剤から溶存ガスとマイクロバブルを除去する効果的なプロセス技術です。

超音波分散は、高強度、低周波数の超音波を利用して、液体媒体中の粒子を分散させ、凝集を除去する技術です。シリカやナノシリカの分散に関しては、超音波分散にはいくつかの利点があります：
 

シリカの粒子径の重要性

ナノサイズやマイクロサイズのシリカの多くの用途において、良好で均一な分散は非常に重要である。多くの場合、単分散のシリカ懸濁液が、例えば粒子径測定のために必要とされる。特に、耐スクラッチ性を向上させるためにインクやコーティング剤、ポリマーに使用する場合、シリカ粒子はヘイズを避けて透明性を維持するために可視光線を妨げない程度に小さくする必要がある。ほとんどのコーティングでは、シリカ粒子はこの要件を満たすために40nmより小さくする必要がある。他の用途では、シリカ粒子の凝集が、個々のシリカ粒子が周囲の媒体と相互作用するのを妨げる。
超音波ホモジナイザーは、ロータリーミキサーやタンク撹拌機のような他の高剪断混合方法よりも、シリカの分散に効果的です。下の写真はフュームドシリカを超音波で水中に分散させた典型的な結果です。

フュームドシリカの水中超音波分散

シリカ微粉砕の処理効率

ナノシリカの超音波分散は、IKA Ultra-Turraxのような他の高剪断混合法より優れています。超音波はより小さなシリカ粒径の懸濁液を生成し、超音波はよりエネルギー効率の高い技術である。PohlとSchubertは、Ultra-Turrax（ローター-ステーター-システム）とHielscher UIP1000hd（1kW超音波装置）を用いて、水中でのAerosil 90（2％重量）の粒子径減少を比較した。下の図は、超音波処理の優れた結果を示している。研究の結果、Pohlは "一定の比エネルギーでは、EV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 "と結論づけた。エネルギー効率とシリカ粒子径の均一性は、製造コスト、工程能力、製品品質が問題となる製造工程で最も重要である。

シリカ分散における超音波とウルトラトラックスの比較

下の写真は、噴霧凍結乾燥シリカ顆粒を超音波処理してポールが得た結果である。

左：超音波凝集除去前の噴霧凍結シリカ顆粒のREM写真
右：超音波分散したシリカ片のTEM写真
研究とイメージ：ポールとシューベルト、2004)

高品質シリカ配合のための高性能超音波分散機

Hielscher Ultrasonics社は、液体、固体懸濁液、ペースト処理用の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同族企業です。Hielscher社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、ご希望の仕様を実現します。高感度、高研磨性、高粘度の製品でも、超音波処理で効率的に分散・脱凝集させることができます。当社の先進的な超音波処理装置は、非常に汎用性が高く、洗練されたバッチ処理やインライン処理の可能性を提供します。信頼性の高い高い品質基準と再現性の高い結果は、超音波シリカ分散の重要な特徴です。
Hielscher社の最先端工業用超音波装置は、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プロトコール、ブラウザリモコン、高い堅牢性を特徴としています。
振幅は、超音波処理に関して最も影響力のあるパラメータである。 振幅とは、超音波の最大変位またはピーク間移動のことである。超音波分散、脱凝集、湿式粉砕では、粒子径を小さくするために十分なエネルギーを加えるため、しばしば高い振幅が要求されます。Hielscherの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易です。さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。
中小規模のRから&ヒールシャー・ウルトラソニックス社は、優れたシリカ処理に必要な超音波処理装置を提供しています。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

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学化合物で、化学式はSiO2（二酸化ケイ素）。シリカには、溶融石英、ヒュームドシリカ、シリカゲル、エアロゲルなど様々な形状があります。シリカは複数の鉱物の化合物や合成品として存在します。シリカは、自然界では石英として、また様々な生物中に最も一般的に存在する。二酸化ケイ素は石英の採掘と精製によって得られる。非晶質シリカの3つの主な形態は、パイロジェンシリカ、沈殿シリカ、シリカゲルである。

フュームドシリカ / パイロジェンシリカ

四塩化ケイ素(SiCl4)を酸素の多い水素炎で燃焼させると、SiO2の煙が発生する。 – ヒュームドシリカまた、3000℃の電気アークで石英砂を蒸発させることでも、ヒュームドシリカが生成される。どちらのプロセスでも、アモルファスシリカの微細な液滴が融合し、枝分かれした鎖状の立体的な二次粒子になります。これらの二次粒子は凝集し、嵩密度が極めて低く、表面積が非常に高い白色粉末となる。無孔質フュームドシリカの一次粒子径は5～50nmです。フュームドシリカは非常に強い増粘効果があります。そのため、フュームドシリカはシリコーンエラストマーの充填剤として、また塗料、コーティング剤、接着剤、印刷インキ、不飽和ポリエステル樹脂の粘度調整剤として使用されます。フュームドシリカは疎水性または親水性に処理することができ、有機液体または水性用途に使用されます。疎水性シリカは効果的な消泡成分（消泡剤）です。
超音波脱気と脱泡についてはこちらをご覧ください。
フュームドシリカ CAS番号 112945-52-5

シリカフューム / マイクロシリカ

シリカフュームは超微細なナノサイズの粉末で、マイクロシリカとしても知られています。シリカフュームはヒュームドシリカと混同しないでください。シリカフュームはヒュームドシリカとは製造工程も粒子形態も適用分野もすべて異なります。シリカフュームはSiO2の非晶質、非結晶、多形体である。シリカフュームの平均粒径は150nmの球状粒子である。シリカフュームの最も顕著な用途は、高性能コンクリート用のポゾラン材料である。圧縮強度、接着強度、耐摩耗性などのコンクリート特性を向上させるためにポルトランドセメントコンクリートに添加される。さらに、シリカフュームは塩化物イオンに対するコンクリートの浸透性を低下させる。これにより、コンクリートの鉄筋を腐食から守ります。
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！
シリカヒューム CAS番号：69012-64-2、シリカヒュームEINECS番号：273-761-1

沈殿シリカ

沈殿シリカはSiO2の白い粉末状の合成アモルファスです。沈殿シリカは、プラスチックやゴム（タイヤなど）の充填剤、軟化剤、性能向上剤として使用される。その他の用途としては、歯磨き粉の洗浄剤、増粘剤、研磨剤などがあります。
歯磨き粉製造における超音波ミキシングについて詳しくは、こちらをご覧ください！
フュームドシリカの一次粒子の直径は5～100nmで、凝集体のサイズは最大40μm、平均孔径は30nmより大きい。パイロジェンシリカのように、沈殿シリカは基本的にマイクロポーラスではない。
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る。中性のケイ酸塩溶液を鉱酸と反応させた後、硫酸とケイ酸ナトリウム溶液を超音波攪拌などの攪拌と同時に水に加える。シリカは酸性条件下で沈殿する。沈殿の持続時間、反応物の添加速度、温度、濃度、pHなどの要因の他に、撹拌の方法と強さによってシリカの性質が変化する。超音波リアクターチャンバー内でのソノメカニカル攪拌は、一貫した均一な粒子径を得るための効果的な方法である。高温での超音波撹拌は、ゲル段階の形成を回避する。
沈殿シリカのようなナノ材料の超音波アシスト沈殿の詳細については、ここをクリックしてください！
沈殿シリカ 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、微細な非多孔質、非晶質、主に球状のシリカ粒子の液相中の懸濁液である。
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の添加剤、あるいは凝集、凝固、分散、安定化のための界面活性剤などである。
耐摩耗性ポリマーコーティングにおけるコロイダルシリカの詳細については、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プロセスである。アルカリ珪酸塩溶液の部分中和により、シリカ核が形成される。コロイダルシリカ粒子のサブユニットは通常1～5nmの範囲にある。重合の条件によっては、これらのサブユニットを結合させることができる。pHを7以下に下げるか、塩を添加すると、シリカゲルと呼ばれる鎖状に融合する。そうでない場合は、サブユニットは分離したまま徐々に成長する。シリカゾルまたは沈殿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、蒸発などによって濃縮される。
ゾル-ゲルプロセスにおけるソノメカニカル効果については、こちらをクリックしてください！

シリカの健康リスク

乾燥または空気中に浮遊する結晶性二酸化ケイ素は、ヒト肺発癌性物質であり、重篤な肺疾患、肺癌または全身性自己免疫疾患を引き起こす可能性がある。シリカ粉塵を吸い込んで肺に入ると、瘢痕組織が形成され、酸素を取り込む肺の能力が低下します（珪肺症）。超音波ホモジナイザーなどでSiO2を液相に湿潤・分散させれば、吸入のリスクはなくなる。したがって、SiO2を含む液体製品が珪肺症を引き起こす危険性は非常に低い。乾燥粉末状のシリカを取り扱う際には、適切な個人保護具を使用してください！

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