Silīcija dioksīda (SiO2) disperģēšana ar ultraskaņu

Silīcija dioksīdu, kas pazīstams arī kā SiO2, nanosilīcija dioksīds vai mikrosilīcija dioksīds, izmanto zobu pastā, cementā, sintētiskajā kaučukā, augstas veiktspējas polimēros vai pārtikas produktos kā biezinātāju, adsorbentu, pretsalipes vielu vai smaržvielu un aromatizētāju nesēju. Tālāk uzzināsiet vairāk par nanosilīcija dioksīda un mikrosilīcija dioksīda lietojumu un to, kā ultraskaņas sonomehāniskā iedarbība var uzlabot procesa efektivitāti un galaprodukta īpašības, iegūstot labākas silīcija dioksīda suspensijas un atvieglojot silīcija dioksīda nanodaļiņu sintēzi.

Nanosilīcija dioksīda (SiO2) disperģēšanas ar ultraskaņu priekšrocības

Silīcija dioksīds ir pieejams daudzās hidrofilās un hidrofobās formās, un tā daļiņas ir ārkārtīgi smalkas – no dažiem mikrometriem līdz pat dažiem nanometriem. Parasti pēc samitrināšanas silīcija dioksīds nav labi disperģēts. Tas arī ievada produkta sastāvā daudz mikroburbuļu. Apstrāde ar ultraskaņu ir efektīva procesa tehnoloģija mikrosilīcija dioksīda un nanosilīcija dioksīda disperģēšanai un izšķīdušās gāzes un mikroburbuļu izvadīšanai no produkta sastāva.

Disperģēšana ar ultraskaņu ir metode, kurā izmanto augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņas viļņus, lai disperģētu un deaglomerētu daļiņas šķidrā vidē. Silīcija dioksīda un nanosilīcija dioksīda disperģēšanā ultraskaņa sniedz vairākas priekšrocības:
 

Silīcija dioksīda daļiņu izmēra nozīme

Daudzos nanometru vai mikrometru izmēra silīcija dioksīda lietojumos ļoti svarīga ir laba un vienmērīga dispersija. Bieži nepieciešama monodispersa silīcija dioksīda suspensija, piemēram, daļiņu izmēra mērīšanai. Jo īpaši, izmantojot silīcija dioksīdu tintēs, pārklājumos un polimēros, lai uzlabotu izturību pret skrāpējumiem, tā daļiņām jābūt pietiekami mazām, lai tās neietekmētu redzamo gaismu, tādējādi novēršot duļķainību un saglabājot caurspīdīgumu. Lai izpildītu šo prasību, lielākajā daļā pārklājumu silīcija dioksīda daļiņām jābūt mazākām par 40nm. Citos lietojumos silīcija dioksīda daļiņu aglomerācija kavē katras atsevišķās silīcija dioksīda daļiņas mijiedarbību ar apkārtējo vidi.
Ultraskaņas homogenizatori silīcija dioksīdu disperģē efektīvāk nekā citas maisīšanas metodes ar lielu bīdes spēku, piemēram, rotācijas maisītāji vai tvertņu maisītāji. Tālāk redzamajā attēlā parādīts tipisks pirogēnā silīcija dioksīda disperģēšanas ar ultraskaņu rezultāts ūdenī.

Pirogēnā silīcija dioksīda disperģēšana ūdenī ar ultraskaņu

Apstrādes efektivitāte silīcija dioksīda daļiņu izmēra samazināšanā

Nanosilīcija dioksīda disperģēšana ar ultraskaņu ir pārāka par citām maisīšanas metodēm ar lielu bīdes spēku, piemēram, izmantojot IKA Ultra-Turrax. Ar ultraskaņu iegūst suspensijas ar mazāku silīcija dioksīda daļiņu izmēru, un apstrāde ar ultraskaņu ir energoefektīvāka tehnoloģija. Pohl un Schubert salīdzināja Aerosil 90 (2%wt) daļiņu izmēra samazināšanu ūdenī, izmantojot Ultra-Turrax (rotora–statora sistēmu) un Hielscher UIP1000hd (1kW ultraskaņas ierīci). Tālāk redzamajā grafikā parādīti ultraskaņas procesa pārākie rezultāti. Pamatojoties uz sava pētījuma rezultātiem, Pohl secināja, ka “Pie nemainīgas īpatnējās enerģijas EV ultraskaņa ir efektīvāka par rotora–statora sistēmu.” Energoefektivitātei un silīcija dioksīda daļiņu izmēra viendabīgumam ir ārkārtīgi liela nozīme ražošanas procesos, kuros svarīgas ir ražošanas izmaksas, procesa ražīgums un produkta kvalitāte.

Ultraskaņas un Ultra-turrax salīdzinājums silīcija dioksīda disperģēšanā

Tālāk redzamajos attēlos parādīti rezultāti, ko Pohl ieguva, ar ultraskaņu apstrādājot izsmidzinot sasaldētas un liofilizētas silīcija dioksīda granulas.

Pa kreisi: izsmidzinot sasaldētu silīcija dioksīda granulu REM attēli pirms deaglomerācijas ar ultraskaņu
Pa labi: ar ultraskaņu disperģētu silīcija dioksīda fragmentu TEM attēli
Pētījums un attēli: Pohl un Schubert, 2004)

Augstas veiktspējas ultraskaņas disperģētāji augstas kvalitātes silīcija dioksīda kompozīcijām

Hielscher Ultrasonics ir Vācijas ģimenes uzņēmums, kas specializējas augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatoru izstrādē, ražošanā un piegādē šķidrumu, ar cietvielām piesātinātu suspensiju un pastu apstrādei. Hielscher ultraskaņas homogenizatori uzticami apstrādā silīcija dioksīda suspensijas un citas nanosuspensijas, lai iegūtu jebkurus vēlamos specifikācijas rādītājus. Ar ultraskaņu var efektīvi disperģēt un deaglomerēt pat ļoti jutīgus, abrazīvus vai ļoti viskozus produktu sastāvus. Mūsu modernās ultraskaņas iekārtas ir ārkārtīgi daudzpusīgas un piedāvā pilnveidotas apstrādes iespējas gan partijās, gan plūsmā. Stabili augsti kvalitātes standarti un reproducējami rezultāti ir galvenās silīcija dioksīda disperģēšanas ar ultraskaņu īpašības.
Hielscher vismodernākajām rūpnieciskajām ultraskaņas iekārtām ir vieda un lietotājam draudzīga izvēlne, programmējami iestatījumi, automātiska datu reģistrēšana integrētā SD kartē, tālvadība pārlūkprogrammā un augsta izturība.
Amplitūda ir parametrs, kas visvairāk ietekmē apstrādi ar ultraskaņu. Amplitūda apzīmē ultraskaņas viļņa maksimālo novirzi vai kustību no viena maksimuma līdz pretējam maksimumam. Disperģēšanai, deaglomerācijai un slapjai malšanai ar ultraskaņu bieži nepieciešama augsta amplitūda, lai nodrošinātu pietiekamu enerģiju daļiņu izmēra samazināšanai. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes iekārtas var nodrošināt īpaši augstu amplitūdu. Amplitūdu līdz pat 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā darbībā 24/7 režīmā. Vēl augstākai amplitūdai ir pieejamas pēc pasūtījuma izgatavotas ultraskaņas sonotrodes.
No mazām un vidējām pētniecības un izstrādes un pilotmēroga ultraskaņas iekārtām līdz rūpnieciskām sistēmām silīcija dioksīda komerciālai ražošanai nepārtrauktā režīmā – Hielscher Ultrasonics piedāvā piemērotu ultraskaņas apstrādes iekārtu, lai izpildītu jūsu prasības pēc izcilas silīcija dioksīda apstrādes.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas nevainojami integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Tālāk esošā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Kas ir silīcija dioksīds (SiO2)?

Silīcija dioksīds ir ķīmisks savienojums, kas sastāv no silīcija un skābekļa un kura ķīmiskā formula ir SiO2. Pastāv daudzas dažādas silīcija dioksīda formas, piemēram, kausēts kvarcs, pirogēnais silīcija dioksīds, silikagels un aerogeli. Silīcija dioksīds sastopams kā vairāku minerālu savienojums un kā sintētisks produkts. Dabā silīcija dioksīds visbiežāk sastopams kvarca veidā un dažādos dzīvos organismos. Silīcija dioksīdu iegūst, iegūstot un attīrot kvarcu. Trīs galvenās amorfā silīcija dioksīda formas ir pirogēnais silīcija dioksīds, izgulsnētais silīcija dioksīds un silikagels.

Pirogēnais silīcija dioksīds / liesmā iegūtais silīcija dioksīds

Dedzinot silīcija tetrahlorīdu (SiCl4) ar skābekli bagātā ūdeņraža liesmā, rodas SiO2 dūmi – pirogēnais silīcija dioksīds. Pirogēno silīcija dioksīdu iegūst arī, iztvaicējot kvarca smiltis 3000 °C elektriskajā lokā. Abos procesos radušies mikroskopiskie amorfā silīcija dioksīda pilieni saplūst sazarotās, ķēdēm līdzīgās trīsdimensionālās sekundārajās daļiņās. Šīs sekundārās daļiņas pēc tam aglomerējas baltā pulverī ar ārkārtīgi mazu tilpummasu un ļoti lielu virsmas laukumu. Neporainā pirogēnā silīcija dioksīda primāro daļiņu izmērs ir no 5 līdz 50 nm. Pirogēnajam silīcija dioksīdam ir ļoti spēcīga biezinoša iedarbība. Tādēļ to izmanto kā pildvielu silikona elastomērā un viskozitātes regulēšanai krāsās, pārklājumos, līmēs, iespiedkrāsās vai nepiesātinātos poliestera sveķos. Pirogēno silīcija dioksīdu var apstrādāt, lai tas kļūtu hidrofobs vai hidrofils izmantošanai attiecīgi organiskos šķidrumos vai ūdens vidē. Hidrofobais silīcija dioksīds ir efektīvs putu slāpētāju komponents (pretputošanas līdzeklis).
Noklikšķiniet šeit, lai lasītu par degazēšanu un putu likvidēšanu ar ultraskaņu.
Pirogēnā silīcija dioksīda CAS numurs 112945-52-5

Silīcija dioksīda dūmi / mikrosilīcija dioksīds

Silīcija dioksīda dūmi ir īpaši smalks nanoizmēra pulveris, ko dēvē arī par mikrosilīcija dioksīdu. Silīcija dioksīda dūmus nedrīkst sajaukt ar pirogēno silīcija dioksīdu. Silīcija dioksīda dūmu ražošanas process, daļiņu morfoloģija un lietojuma jomas atšķiras no pirogēnā silīcija dioksīda ražošanas procesa, daļiņu morfoloģijas un lietojuma jomām. Silīcija dioksīda dūmi ir amorfa, nekristāliska, polimorfa SiO2 forma. Silīcija dioksīda dūmi sastāv no sfēriskām daļiņām ar vidējo diametru 150 nm. Nozīmīgākais silīcija dioksīda dūmu lietojums ir to izmantošana par pucolāna materiālu augstas veiktspējas betonā. Tos pievieno portlandcementa betonam, lai uzlabotu tādas betona īpašības kā spiedes stiprība, saķeres stiprība un nodilumizturība. Turklāt silīcija dioksīda dūmi samazina betona caurlaidību pret hlorīdjoniem. Tas aizsargā betona tērauda stiegrojumu pret koroziju.
Lai uzzinātu vairāk par cementa un silīcija dioksīda dūmu sajaukšanu ar ultraskaņu, noklikšķiniet šeit!
Silīcija dioksīda dūmu CAS numurs: 69012-64-2, silīcija dioksīda dūmu EINECS numurs: 273-761-1

Izgulsnētais silīcija dioksīds

Izgulsnētais silīcija dioksīds ir balta, pulverveida sintētiska amorfa SiO2 forma. Izgulsnēto silīcija dioksīdu izmanto kā pildvielu, mīkstinātāju vai īpašību uzlabotāju plastmasā vai gumijā, piemēram, riepās. To izmanto arī kā tīrīšanas, biezināšanas vai pulēšanas līdzekli zobu pastās.
Lai uzzinātu vairāk par sajaukšanu ar ultraskaņu zobu pastas ražošanā, noklikšķiniet šeit!
Pirogēnā silīcija dioksīda primāro daļiņu diametrs ir no 5 līdz 100 nm, savukārt aglomerātu izmērs ir līdz 40 µm, un vidējais poru izmērs ir lielāks par 30 nm. Tāpat kā pirogēnais silīcija dioksīds, arī izgulsnētais silīcija dioksīds būtībā nav mikroporains.
Pirogēno silīcija dioksīdu ražo, izgulsnējot to no šķīduma, kas satur silikātu sāļus. Pēc neitrāla silikāta šķīduma reakcijas ar minerālskābi ūdenim vienlaikus pievieno sērskābes un nātrija silikāta šķīdumus, nodrošinot maisīšanu, piemēram, ar ultraskaņu. Silīcija dioksīds izgulsnējas skābos apstākļos. Papildus tādiem faktoriem kā izgulsnēšanas ilgums, reaģentu pievienošanas ātrums, temperatūra un koncentrācija, kā arī pH, silīcija dioksīda īpašības var mainīt arī maisīšanas metode un intensitāte. Sonomehāniskā maisīšana ultraskaņas reaktora kamerā ir efektīva metode vienmērīga un viendabīga daļiņu izmēra iegūšanai. Maisīšana ar ultraskaņu paaugstinātā temperatūrā novērš gēla stadijas veidošanos.
Lai iegūtu vairāk informācijas par nanomateriālu, piemēram, izgulsnētā silīcija dioksīda, izgulsnēšanu ar ultraskaņas palīdzību, noklikšķiniet šeit!
Izgulsnētā silīcija dioksīda CAS numurs: 7631-86-9

Koloidālais silīcija dioksīds / silīcija dioksīda koloīds

Koloidālais silīcija dioksīds ir smalku, neporainu, amorfu, pārsvarā sfērisku silīcija dioksīda daļiņu suspensija šķidrā fāzē.
Silīcija dioksīda koloīdus visbiežāk izmanto kā atūdeņošanas palīglīdzekli papīra ražošanā, abrazīvu silīcija plākšņu pulēšanai, katalizatoru ķīmiskajos procesos, mitruma absorbentu, piedevu nodilumizturīgiem pārklājumiem vai virsmaktīvo vielu flokulācijai, koagulācijai, disperģēšanai vai stabilizēšanai.
Lai uzzinātu vairāk par koloidālo silīcija dioksīdu nodilumizturīgos polimēru pārklājumos, noklikšķiniet šeit!

Koloidālā silīcija dioksīda ražošana ir vairāku posmu process. Sārmu metāla silikāta šķīduma daļēja neitralizācija izraisa silīcija dioksīda kodolu veidošanos. Koloidālā silīcija dioksīda daļiņu apakšvienību izmērs parasti ir robežās no 1 līdz 5 nm. Atkarībā no polimerizācijas apstākļiem šīs apakšvienības var savienoties. Samazinot pH zem 7 vai pievienojot sāli, apakšvienībām ir tendence saplūst ķēdēs, kuras bieži sauc par silīcija dioksīda gēliem. Pretējā gadījumā apakšvienības paliek atdalītas un pakāpeniski aug. Iegūtos produktus bieži sauc par silīcija dioksīda soliem vai izgulsnētu silīcija dioksīdu. Koloidālā silīcija dioksīda suspensiju stabilizē, pielāgojot pH, un pēc tam koncentrē, piemēram, iztvaicējot.
Lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas mehānisko iedarbību sola–gēla procesos, noklikšķiniet šeit!

Silīcija dioksīda radītais risks veselībai

Sauss vai gaisā esošs kristālisks silīcija dioksīds ir cilvēkam plaušu vēzi izraisoša viela, kas var izraisīt nopietnas plaušu slimības, plaušu vēzi vai sistēmiskas autoimūnas slimības. Ieelpojot silīcija dioksīda putekļus un tiem nonākot plaušās, veidojas rētaudi un samazinās plaušu spēja uzņemt skābekli (silikoze). SiO2 samitrināšana un disperģēšana šķidrā fāzē, piemēram, homogenizējot ar ultraskaņu, novērš ieelpošanas risku. Tāpēc risks, ka šķidrs produkts, kas satur SiO2, izraisīs silikozi, ir ļoti zems. Strādājot ar silīcija dioksīdu sausa pulvera veidā, lietojiet piemērotus individuālos aizsardzības līdzekļus!

Literatūra

• 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.