シリカの超音波分散(SiO2)

シリカはSiO2とも呼ばれ、歯磨き粉、セメント、合成ゴム、高機能ポリマー、食品中に増粘剤、吸着剤、アンチケーキング剤、または香料や香料の担体として使用されています。以下では、ナノシリカとマイクロシリカの使用と、超音波のソノメカニカル効果がより良いシリカ懸濁液または改善されたシリカナノ粒子合成を行うことによってプロセス効率と最終製品性能を向上させる方法について詳しく学びます。

シリカ分散 /シリカ懸濁液 / ナノシリカ (SiO2)

シリカは、親水性および疎水性の形態の広い範囲で利用可能であり、いくつかのナノメートルに数マイクロメートルの非常に微細な粒子サイズを有する。典型的にはシリカは湿潤後に十分に分散しない。また、製品の製剤に多くのマイクロバブルを追加します。超音波処理は、マイクロシリカとナノシリカを分散し、溶存ガスとマイクロバブルを製剤から除去する効果的なプロセス技術です。

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。多くの場合、粒度測定などのために、モノ分散シリカ懸濁液が必要とされる。特にインクやコーティングやポリマーに使用して傷抵抗性を向上させるために、シリカ粒子は、ヘイズを避け、透明性を維持するために可視光に干渉しないように十分に小さくする必要があります。ほとんどのコーティングのシリカ粒子は、この要件を満たすために40nmよりも小さくする必要があります。他の用途では、シリカ粒子凝集は、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攪拌機などの他の高剪断混合方法よりも分散シリカに効果的です。下の写真は、水中のフュームドシリカの超音波分散の典型的な結果を示しています。

シリカサイズの縮小で処理効率

ナノシリカの超音波分散は、IKA超Turraxのような他の高剪断混合法よりも優れています。超音波は、より小さなシリカ粒子サイズの懸濁液を生成し、超音波は、よりエネルギー効率の高い技術です。ポールとシューベルトは、ウルトラトゥラックス(ローターステータ系)を用いた水中のアエロジル90(2%wt)の粒径縮小とヒールシャーUIP1000hd(1kW超音波装置)の粒子サイズの減少を比較した。以下の図は、超音波処理の優れた結果を示しています。彼の研究の結果、Pohlは、「一定の特定エネルギーでEV超音波はローターステータシステムよりも効果的である」と結論付けました。エネルギー効率とシリカ粒子サイズの均一性は、製造コスト、プロセス能力、製品品質が重要な製造プロセスにおいて最も重要です。

下の写真は、シリカスプレー凍結顆粒を超音波処理することによってPohlが得た結果を示しています。(画像をクリックすると拡大します!

シリカ(SiO2、二酸化ケイ素)とは何ですか?

シリカは、化学式SiO2、または二酸化ケイ素を用いてケイ素と酸素からなる化学化合物である。シリカには、融合石英、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、いくつかの鉱物の化合物として、合成物として存在します。シリカは、石英として、そして様々な生物に自然の中で最も一般的に見られる。二酸化ケイ素は、石英の採掘と精製によって得られます。アモルファスシリカの3つの主要な形態は、発熱性シリカ、沈殿シリカおよびシリカゲルである。

フュームドシリカ/パイロゲンシリカ

酸素が豊富な水素炎で四塩化ケイ素(SiCl4)を燃焼するとSiO2の煙が発生する – ファメドシリカ。あるいは、3000°Cの電気アークで石英砂を気化させ、ヒュームドシリカも生成します。両方のプロセスにおいて、得られた非晶質シリカの微視的な液滴が分岐し、鎖状、三次元二次粒子に融合する。これらの二次粒子は、その後、極めて低いかさ密度と非常に高い表面積を有する白色粉末に凝集する。非多孔性フュームドシリカの一次粒子径は5〜50nmの間である。フュームドシリカは非常に強い増粘効果を有する。したがって、ヒュームドシリカは、シリコーンエラストマーの充填剤として使用され、塗料、コーティング、接着剤、印刷インキまたは不飽和ポリエステル樹脂の粘度調整。フュームドシリカは、有機液体または水性用途に疎水性または親水性を作るために処理することができます。疎水性シリカは、有効な消泡剤成分(消泡剤)である。
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フュームドシリカ CAS番号 112945-52-5

シリカヒューム/ミクロシリカ

シリカヒュームは、マイクロシリカとも呼ばれる超微細なナノサイズの粉末です。シリカヒュームは、ヒュームドシリカと混同してはなりません。製造プロセス、粒子形態、シリカヒュームの適用分野は、すべてフュームドシリカのものとは異なります。シリカヒュームは、非結晶型のSiO2の非結晶型の多形である。シリカヒュームは、平均粒子径が150nmの球状粒子からなる。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のためのポゾラン材料としてである。これは、圧縮強度、結合強度、耐摩耗性などのコンクリートの特性を改善するために、ポートランドのセメントコンクリートに追加されます。それ以上に、シリカヒュームは、塩化物イオンに対するコンクリートの透過性を低下させます。これは腐食からコンクリートの補強鋼を保護する。
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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

沈降シリカ

沈殿シリカは、SiO2の白色の粉末状合成非晶質形態である。沈殿シリカは、充填剤、軟化剤またはゴム、例えばタイヤの性能向上として使用されます。その他の用途には、歯磨き粉の洗浄、増粘または研磨剤が含まれます。
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ヒュームドシリカの一次粒子は直径5~100nm、凝集体サイズは最大40μmで、平均孔径は30nmを超える。発熱性シリカと同様に、沈殿したシリカは本質的に微孔性ではない。
フュームドシリカは、ケイ酸塩を含む溶液から沈殿することによって生成される。中性ケイ酸溶液と無機酸との反応後、硫酸および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添加する。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、温度および濃度、およびpHなどの要因のほかに、攪拌の方法および強度は、シリカの特性を変化させることができる。超音波反応器室でのソノメカニカル撹拌は、一貫した均一な粒子サイズを生成する有効な方法です。高温での超音波攪拌は、ゲル段階の形成を回避します。
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沈殿したシリカCAS番号:7631-86-9

コロイドシリカ/シリカコロイド

コロイド状シリカは、液体相中の微細な非多孔性、非晶質、主に球状シリカ粒子の懸濁液である。
シリカコロイドの最も一般的な用途は、製紙、シリコンウエハー研磨用の研磨剤、化学プロセスにおける触媒、吸湿剤、摩耗抵抗塗料への添加剤、または凝集、凝固、分散または安定化のための界面活性剤の排水助剤として使用されます。
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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の部分的な中和は、シリカ核の形成につながります。コロイド状シリカ粒子のサブユニットは、典型的には1〜5nmの範囲である。重合の条件に応じて、これらのサブユニットを結合することができます。pHを7未満に減らすか、塩を加えることによって、単位はしばしばシリカゲルと呼ばれる鎖で融合する傾向がある。それ以外の場合、サブユニットは分離されたままになり、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、次いで、例えば、蒸発によって濃縮される。
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シリカの健康リスク

乾燥または空気中の結晶性二酸化ケイ素は、深刻な肺疾患、肺癌または全身自己免疫疾患を引き起こす可能性のあるヒト肺発がん性物質である。シリカダストが吸入され、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る(Silicosis)。SiO2を液相に濡らし、分散させる、例えば超音波均質化によって、吸入の危険を排除する。したがって、SiO2を含む液体製品がシリコシスを引き起こす危険性は非常に低い。乾燥粉末の形でシリカを扱うときに適した個人保護具を使用してください!

文献

• Markus Pohl, Helmar Schubert (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions, 2004 Partec