실리카(SiO2)의 초음파 분산

SiO2, 나노실리카 또는 마이크로실리카로도 알려진 실리카는 치약, 시멘트, 합성 고무, 고성능 고분자 또는 식품에서 증점제, 흡착제, 고결 방지제 또는 향료와 향미료의 담체로 사용됩니다. 아래에서는 나노실리카와 마이크로실리카의 용도와 초음파의 기계적 효과가 실리카 현탁액의 품질을 높이고 실리카 나노입자 합성을 촉진하여 공정 효율과 최종 제품 성능을 어떻게 향상할 수 있는지 자세히 알아봅니다.

나노실리카(SiO2) 초음파 분산의 장점

실리카는 다양한 친수성 및 소수성 형태로 제공되며, 입자 크기는 수 마이크로미터에서 수 나노미터에 이르기까지 극히 미세합니다. 일반적으로 실리카는 습윤 후에도 잘 분산되지 않습니다. 또한 제품 제형에 다량의 미세 기포를 유입시킵니다. 초음파 처리는 마이크로실리카와 나노실리카를 분산시키고 제형에서 용존 가스와 미세 기포를 제거하는 데 효과적인 공정 기술입니다.

초음파 분산은 고강도 저주파 초음파를 이용하여 액체 매질 내 입자를 분산시키고 응집을 해체하는 기술입니다. 실리카와 나노실리카의 분산에서 초음파 분산은 여러 가지 장점을 제공합니다.
 

실리카 입자 크기의 중요성

나노 크기 또는 마이크로 크기 실리카를 사용하는 많은 응용 분야에서는 우수하고 균일한 분산이 매우 중요합니다. 예를 들어 입도 측정에는 단분산 실리카 현탁액이 필요한 경우가 많습니다. 특히 내스크래치성을 개선하기 위해 잉크, 코팅제 및 고분자에 사용하는 경우, 실리카 입자는 가시광선과의 간섭을 일으키지 않을 만큼 충분히 작아야 혼탁을 방지하고 투명성을 유지할 수 있습니다. 대부분의 코팅제에서 이 요건을 충족하려면 실리카 입자가 40nm보다 작아야 합니다. 다른 응용 분야에서는 실리카 입자의 응집이 각 실리카 입자와 주변 매질 사이의 상호작용을 방해합니다.
초음파 균질기는 회전식 혼합기나 탱크 교반기와 같은 다른 고전단 혼합 방식보다 실리카 분산에 더 효과적입니다. 아래 이미지는 퓸드 실리카를 물에 초음파로 분산시켰을 때의 대표적인 결과를 보여줍니다.

물에서 퓸드 실리카의 초음파 분산

실리카 입도 감소 공정의 효율

나노 실리카의 초음파 분산은 IKA Ultra-Turrax와 같은 다른 고전단 혼합 방식보다 우수합니다. 초음파는 실리카 입도가 더 작은 현탁액을 생성하며, 초음파 처리는 에너지 효율이 더 높은 기술입니다. Pohl과 Schubert는 물속의 Aerosil 90 (2%wt)에 대해 Ultra-Turrax(로터–스테이터 시스템)를 사용한 입도 감소와 Hielscher UIP1000hd(1kW 초음파 장치)를 사용한 입도 감소를 비교했습니다. 아래 그래프는 초음파 공정의 우수한 결과를 보여줍니다. Pohl은 연구 결과를 바탕으로 “비에너지 EV가 일정할 때 초음파는 로터–스테이터 시스템보다 더 효과적이다.”라고 결론지었습니다. 제조 비용, 공정 처리 용량 및 제품 품질이 중요한 생산 공정에서는 에너지 효율과 실리카 입도의 균일성이 무엇보다 중요합니다.

실리카 분산을 위한 초음파와 Ultra-turrax의 비교

아래 이미지들은 Pohl이 분무 동결 건조한 실리카 과립을 초음파로 처리하여 얻은 결과를 보여줍니다.

왼쪽: 초음파 해응집 전 분무 동결 실리카 과립의 REM 이미지
오른쪽: 초음파로 분산시킨 실리카 조각의 TEM 이미지
연구 및 이미지: Pohl and Schubert, 2004)

고품질 실리카 제형을 위한 고성능 초음파 분산기

Hielscher Ultrasonics는 액체, 고체가 함유된 현탁액 및 페이스트 처리를 위한 고성능 초음파 균질기의 개발, 제조 및 공급을 전문으로 하는 독일의 가족 소유 기업입니다. Hielscher 초음파 균질기는 실리카 슬러리와 기타 나노 현탁액을 안정적으로 처리하여 원하는 모든 규격을 충족할 수 있도록 합니다. 민감도가 매우 높거나, 마모성이 있거나, 점도가 매우 높은 제품 배합물도 초음파 처리를 통해 효율적으로 분산하고 해응집할 수 있습니다. 당사의 첨단 초음파 처리기는 활용 범위가 매우 넓으며 정교한 배치 및 인라인 처리 기능을 제공합니다. 안정적으로 높은 품질 기준과 재현 가능한 결과는 초음파 실리카 분산의 핵심 특징입니다.
Hielscher의 최첨단 산업용 초음파 처리기는 스마트하고 사용자 친화적인 메뉴, 프로그래밍 가능한 설정, 내장 SD 카드에 자동으로 데이터를 기록하는 기능, 브라우저를 통한 원격 제어 및 높은 견고성을 갖추고 있습니다.
진폭은 초음파 처리에서 가장 큰 영향을 미치는 매개변수입니다. 진폭은 초음파의 최대 변위 또는 피크 간 움직임을 의미합니다. 초음파 분산, 해응집 및 습식 분쇄에서는 입자 크기 감소에 충분한 에너지를 가하기 위해 높은 진폭이 필요한 경우가 많습니다. Hielscher 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 손쉽게 24/7 연속 운전할 수 있습니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우에는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
소형 및 중형 R&D용과 파일럿용 초음파 처리기부터 연속 모드로 상업용 실리카를 제조하는 산업용 시스템까지, Hielscher Ultrasonics는 우수한 실리카 처리를 위한 고객의 요구 사항을 충족하는 적합한 초음파 처리기를 제공합니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 완성한 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 거친 조건과 까다로운 환경에서도 손쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 두고 있습니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 기준을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

실리카(SiO2, 이산화규소)란 무엇인가요?

실리카는 규소와 산소로 구성된 화학식 SiO2의 화합물로, 이산화규소라고도 합니다. 실리카에는 용융 석영, 흄드 실리카, 실리카겔, 에어로겔 등 다양한 형태가 있습니다. 실리카는 여러 광물의 구성 화합물로 존재하며 합성 제품으로도 존재합니다. 자연에서 실리카는 석영 형태와 다양한 생물체 내에서 가장 흔히 발견됩니다. 이산화규소는 석영을 채굴하고 정제하여 얻습니다. 비정질 실리카의 세 가지 주요 형태는 열분해 실리카, 침강 실리카 및 실리카겔입니다.

흄드 실리카 / 열분해 실리카

사염화규소(SiCl4)를 산소가 풍부한 수소 불꽃에서 연소시키면 SiO2 연무인 흄드 실리카가 생성됩니다. 또는 석영 모래를 3000 °C 전기 아크에서 기화시켜도 흄드 실리카가 생성됩니다. 두 공정 모두에서 생성된 비정질 실리카의 미세한 액적은 융합하여 가지가 뻗은 사슬 모양의 삼차원 이차 입자가 됩니다. 그런 다음 이 이차 입자들이 응집하여 벌크 밀도가 극히 낮고 표면적이 매우 큰 백색 분말을 형성합니다. 비다공성 흄드 실리카의 일차 입자 크기는 5–50 nm입니다. 흄드 실리카는 증점 효과가 매우 강합니다. 따라서 흄드 실리카는 실리콘 엘라스토머의 충전제로 사용되며, 페인트, 코팅제, 접착제, 인쇄 잉크 또는 불포화 폴리에스테르 수지의 점도 조절에 사용됩니다. 흄드 실리카는 유기 액체 또는 수계 용도에 맞게 소수성이나 친수성을 띠도록 처리할 수 있습니다. 소수성 실리카는 효과적인 소포제 성분(거품 억제제)입니다.
초음파 탈기 및 소포에 관해 알아보려면 여기를 클릭하세요.
흄드 실리카 CAS 번호 112945-52-5

실리카 퓸 / 마이크로실리카

실리카 퓸은 마이크로실리카라고도 하는 나노 크기의 초미세 분말입니다. 실리카 퓸을 흄드 실리카와 혼동해서는 안 됩니다. 실리카 퓸의 생산 공정, 입자 형태 및 적용 분야는 모두 흄드 실리카와 다릅니다. 실리카 퓸은 SiO2의 비정질, 비결정성 다형체입니다. 실리카 퓸은 평균 입자 직경이 150 nm인 구형 입자로 구성됩니다. 실리카 퓸의 가장 대표적인 용도는 고성능 콘크리트용 포졸란 재료입니다. 실리카 퓸은 압축 강도, 부착 강도 및 내마모성과 같은 콘크리트 특성을 개선하기 위해 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 첨가됩니다. 또한 실리카 퓸은 콘크리트의 염화물 이온 투과성을 낮춥니다. 이를 통해 콘크리트 내부의 철근을 부식으로부터 보호합니다.
시멘트와 실리카 퓸의 초음파 혼합에 관해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
실리카 퓸 CAS 번호: 69012-64-2, 실리카 퓸 EINECS 번호: 273-761-1

침전 실리카

침전 실리카는 백색 분말 형태의 합성 비정질 SiO2입니다. 침전 실리카는 타이어와 같은 플라스틱 또는 고무 제품에서 충전제, 연화제 또는 성능 개선제로 사용됩니다. 그 밖에 치약의 세정제, 증점제 또는 연마제로도 사용됩니다.
치약 제조 시 초음파 혼합에 관해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
흄드 실리카의 일차 입자 직경은 5–100 nm이며, 응집체 크기는 최대 40 µm이고 평균 기공 크기는 30 nm보다 큽니다. 열분해 실리카와 마찬가지로 침전 실리카는 본질적으로 미세다공성이 아닙니다.
흄드 실리카는 규산염을 함유한 용액에서 침전시켜 생산합니다. 중성 규산염 용액을 무기산과 반응시킨 후, 초음파 교반과 같은 교반을 가하면서 황산 용액과 규산나트륨 용액을 물에 동시에 첨가합니다. 실리카는 산성 조건에서 침전됩니다. 침전 시간, 반응물 첨가 속도, 온도와 농도, pH 등의 요인 외에도 교반 방법과 강도에 따라 실리카의 특성이 달라질 수 있습니다. 초음파 반응기 챔버에서의 음향기계적 교반은 일관되고 균일한 입자 크기를 얻는 효과적인 방법입니다. 높은 온도에서 초음파 교반을 수행하면 겔 단계의 형성을 방지할 수 있습니다.
침전 실리카와 같은 나노물질의 초음파 보조 침전에 관해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
침전 실리카 CAS 번호: 7631-86-9

콜로이드 실리카 / 실리카 콜로이드

콜로이드 실리카는 액상에 미세한 비다공성 비정질 실리카 입자가 현탁된 현탁액이며, 입자는 대부분 구형입니다.
실리카 콜로이드의 가장 일반적인 용도는 제지 공정의 탈수 보조제, 실리콘 웨이퍼 연마용 연마제, 화학 공정의 촉매, 수분 흡수제, 내마모성 코팅제용 첨가제 또는 응집, 응결, 분산이나 안정화를 위한 계면활성제입니다.
내마모성 고분자 코팅에 사용되는 콜로이드 실리카에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

콜로이드 실리카의 생산은 여러 단계로 이루어지는 공정입니다. 알칼리 규산염 용액을 부분적으로 중화하면 실리카 핵이 형성됩니다. 콜로이드 실리카 입자를 구성하는 하위 단위의 크기는 일반적으로 1–5 nm 범위입니다. 중합 조건에 따라 이러한 하위 단위가 서로 결합할 수 있습니다. pH를 7 미만으로 낮추거나 염을 첨가하면 이 단위들은 서로 융합하여 사슬을 형성하는 경향이 있으며, 이를 흔히 실리카 겔이라고 합니다. 그렇지 않으면 하위 단위는 분리된 상태로 유지되면서 점차 성장합니다. 생성된 제품은 흔히 실리카 졸 또는 침강 실리카라고 합니다. 콜로이드 실리카 현탁액은 pH 조절로 안정화한 다음 증발 등의 방법으로 농축합니다.
졸–겔 공정에서의 초음파 기계적 효과에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

실리카의 건강 위험

건조 상태이거나 공기 중에 부유하는 결정질 이산화규소는 사람의 폐에 암을 유발하는 물질로, 심각한 폐 질환, 폐암 또는 전신 자가면역 질환을 일으킬 수 있습니다. 실리카 분진을 흡입하여 폐로 들어가면 흉터 조직이 형성되고 폐의 산소 흡수 능력이 감소합니다(규폐증). 초음파 균질화 등의 방법으로 SiO2를 습윤하고 액상에 분산하면 흡입 위험이 제거됩니다. 따라서 SiO2를 함유한 액상 제품이 규폐증을 일으킬 위험은 매우 낮습니다. 실리카를 건조 분말 형태로 취급할 때는 적절한 개인 보호 장비를 사용하세요!

참고 문헌

• 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.