Ultrasone dispersie van siliciumdioxide (SiO2)

Silica, ook bekend als SiO2, nano-silica of micro-silica wordt gebruikt in tandpasta, cement, synthetisch rubber, hoogwaardige polymeren of in voedingsmiddelen als verdikkingsmiddel, adsorptiemiddel, antiklontermiddel of drager voor geur- en smaakstoffen. Hieronder komt u meer te weten over de toepassingen van nanosilica en microsilica en hoe de sonomechanische effecten van ultrasonisme de procesefficiëntie en de uiteindelijke productprestaties kunnen verbeteren door betere silica-suspensies te maken en de synthese van silica-nanodeeltjes te vergemakkelijken.

Voordelen van ultrasone dispersie van nanokiezelzuur (SiO2)

Silica is verkrijgbaar in een breed gamma hydrofiele en hydrofobe vormen en heeft een uiterst fijne deeltjesgrootte van enkele micrometers tot enkele nanometers. Gewoonlijk is silica niet goed gedispergeerd na bevochtiging. Het voegt ook veel microbellen toe aan de productformulering. Ultrasoon is een effectieve procestechnologie om micro- en nanosilica te dispergeren en opgelost gas en microbellen uit de formulering te verwijderen.

Ultrasone dispersie is een techniek die ultrasone geluidsgolven met hoge intensiteit en lage frequentie gebruikt om deeltjes in een vloeibaar medium te dispergeren en te deagglomereren. Voor de dispersie van silica en nano-silica biedt ultrasone dispersie verschillende voordelen:
 

Het belang van de deeltjesgrootte van siliciumdioxide

Voor veel toepassingen van nano- of microsiliciumdioxide is een goede en uniforme dispersie erg belangrijk. Vaak is een monodisperse silica-suspensie nodig, bv. voor het meten van de deeltjesgrootte. Vooral voor gebruik in inkten of coatings en polymeren om de krasbestendigheid te verbeteren, moeten de silica deeltjes klein genoeg zijn om niet te interfereren met het zichtbare licht om waas te vermijden en de transparantie te behouden. Voor de meeste coatings moeten de silicadeeltjes kleiner zijn dan 40 nm om aan deze vereiste te voldoen. Voor andere toepassingen belemmert de agglomeratie van silicadeeltjes de interactie tussen elk afzonderlijk silicadeeltje en de omringende media.
Ultrasone homogenisatoren zijn effectiever in het dispergeren van silica dan andere mengmethoden met hoge schuifkracht, zoals roterende mixers of tankroerders. De afbeelding hieronder toont een typisch resultaat van ultrasoon dispergeren van pyrogeen kiezelzuur in water.

Ultrasone dispersie van pyrogeen kiezelzuur in water

Verwerkingsefficiëntie in silicagroottevermindering

Ultrasone dispersie van nano-silica is superieur aan andere high-shear mengmethoden, zoals een IKA Ultra-Turrax. Ultrasoon produceert suspensies met een kleinere deeltjesgrootte voor silica en ultrasoon is de meest energie-efficiënte technologie. Pohl en Schubert vergeleken de verkleining van de deeltjesgrootte van Aerosil 90 (2% wt) in water met behulp van een Ultra-Turrax (rotor-stator-systeem) met die van een Hielscher UIP1000hd (1kW ultrasoon apparaat). Onderstaande grafiek toont de superieure resultaten van het ultrasone proces. Als resultaat van zijn onderzoek concludeerde Pohl dat "bij een constante specifieke energie EV ultrasoon geluid effectiever is dan het rotor-stator-systeem". Energie-efficiëntie en uniformiteit van de silicadeeltjesgrootte zijn van het grootste belang in productieprocessen, waar productiekosten, procescapaciteit en productkwaliteit van belang zijn.

Ultrasoon vs. Ultra-turrax voor silicadispersie

De foto's hieronder tonen de resultaten die Pohl verkreeg door gevriesdroogde silicakorrels te sonificeren.

Links: REM-foto's van verstoven bevroren silicakorrels vóór ultrasone deagglomeratie
Rechts: TEM-foto's van ultrasoon gedispergeerde silicafragmenten
Studie en afbeeldingen: Pohl en Schubert, 2004)

Ultrasone dispergeerders met hoge prestaties voor hoogwaardige silicaformules

Hielscher Ultrasonics is een Duits familiebedrijf dat gespecialiseerd is in de ontwikkeling, productie en levering van hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor de behandeling van vloeistoffen, met vaste stoffen beladen suspensies en pasta's. Hielscher ultrasone homogenisatoren verwerken op betrouwbare wijze silica slurries en andere nano-suspensies om elke gewenste specificatie te verkrijgen. Zelfs productformules die zeer gevoelig, schurend of zeer viskeus zijn, kunnen efficiënt worden gedispergeerd en gedeagglomereerd met behulp van ultrasoon. Onze geavanceerde ultrasoonapparaten zijn uiterst veelzijdig en bieden geavanceerde batch- en inlinebehandelingsmogelijkheden. Betrouwbaar hoge kwaliteitsnormen en reproduceerbare resultaten zijn de belangrijkste kenmerken van ultrasone silica dispersie.
Hielscher ultramoderne ultrasoonapparaten van industriële kwaliteit hebben een slim en gebruiksvriendelijk menu, programmeerbare instellingen, automatische gegevensprotocollering op een geïntegreerde SD-kaart, browserafstandsbediening en een hoge robuustheid.
De amplitude is de meest invloedrijke parameter als het gaat om ultrasone verwerking. De amplitude verwijst naar de maximale verplaatsing of piek-tot-piek beweging van een ultrasone golf. Voor ultrasone dispersie, deagglomeratie en nat malen zijn vaak hoge amplitudes nodig om voldoende energie toe te passen voor de verkleining van de deeltjesgrootte. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren kunnen uitzonderlijk hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar.
Van kleine en middelgrote R&Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om te voldoen aan uw eisen voor superieure siliciumverwerking. Van ultrasone machines voor onderzoek en pilotproductie tot industriële systemen voor commerciële siliciumproductie in continubedrijf.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Wat is siliciumdioxide (SiO2)?

Silica is een chemische verbinding die bestaat uit silicium en zuurstof met de chemische formule SiO2, of siliciumdioxide. Er zijn veel verschillende vormen van siliciumdioxide, zoals gesmolten kwarts, kiezelzuur, silicagel en aerogels. Silica bestaat als een verbinding van verschillende mineralen en als synthetisch product. Silica komt het meest voor in de natuur als kwarts en in verschillende levende organismen. Siliciumdioxide wordt verkregen door kwarts te ontginnen en te zuiveren. De drie belangrijkste vormen van amorfe silica zijn pyrogene silica, neergeslagen silica en silicagel.

Pyrogeen kiezelzuur / Pyrogenic Silica

Verbranding van siliciumtetrachloride (SiCl4) in een zuurstofrijke waterstofvlam produceert een rook van SiO2 – pyrogeen kiezelzuur. Als alternatief produceert het verdampen van kwartszand in een elektrische boog van 3000 °C ook pyrogene silica. In beide processen smelten de resulterende microscopische druppeltjes amorfe silica samen tot vertakte, ketenachtige, driedimensionale secundaire deeltjes. Deze secundaire deeltjes agglomereren dan tot een wit poeder met een extreem lage bulkdichtheid en een zeer hoog oppervlak. De primaire deeltjesgrootte van niet-poreus pyrogeen kiezelzuur ligt tussen 5 en 50 nm. Pyrogeen kiezelzuur heeft een zeer sterk verdikkend effect. Daarom wordt pyrogeen kiezelzuur gebruikt als vulmiddel in siliconenelastomeer en om de viscositeit aan te passen in verf, coatings, kleefstoffen, drukinkt of onverzadigde polyesterharsen. Pyrogeen kiezelzuur kan worden behandeld om het hydrofoob of hydrofiel te maken voor organische vloeibare of waterige toepassingen. Hydrofoob siliciumdioxide is een effectief antischuimmiddel.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon ontgassen en defoaming.
Pyrogeen kiezelzuur CAS-nummer 112945-52-5

Silicadamp / Microsilica

Silicadioxide is een ultrafijn poeder van nanogrootte dat ook bekend staat als microsiliciumdioxide. Silicadioxide moet niet worden verward met pyrogeen kiezelzuur. Het productieproces, de deeltjesmorfologie en toepassingsgebieden van silicagume verschillen allemaal van die van pyrogeen kiezelzuur. Silicadioxide is een amorfe, niet-kristallijne, polymorfe vorm van SiO2. Silicadioxide bestaat uit bolvormige deeltjes met een gemiddelde deeltjesdiameter van 150 nm. De meest prominente toepassing van silicagume is als puzzolaan voor beton met hoge prestaties. Het wordt toegevoegd aan portlandcementbeton om de betoneigenschappen te verbeteren, zoals druksterkte, hechtsterkte en slijtvastheid. Bovendien vermindert silica fume de doorlaatbaarheid van beton voor chloride-ionen. Dit beschermt het betonstaal tegen corrosie.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon mengen van cement en silica fume!
Silicagume CAS-nummer: 69012-64-2, Silicagume EINECS-nummer: 273-761-1

Geprecipiteerd siliciumdioxide

Geprecipiteerd siliciumdioxide is een witte poederachtige synthetische amorfe vorm van SiO2. Geprecipiteerd siliciumdioxide wordt gebruikt als vulmiddel, verzachter of om de prestaties te verbeteren in kunststoffen of rubber, bv. banden. Andere toepassingen zijn reiniging, verdikking of polijstmiddel in tandpasta.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon mengen bij de productie van tandpasta!
Primaire deeltjes van pyrogeen kiezelzuur hebben een diameter tussen 5 en 100 nm, terwijl de agglomeraatgrootte tot 40 µm bedraagt met een gemiddelde poriegrootte groter dan 30 nm. Net als pyrogene silica is neergeslagen silica in wezen niet microporeus.
Pyrogeen kiezelzuur wordt geproduceerd door precipitatie uit een oplossing die silicaatzouten bevat. Na een reactie van een neutrale silicaatoplossing met een mineraal zuur, worden zwavelzuur en natriumsilicaatoplossingen tegelijkertijd met agitatie, zoals ultrasone agitatie, aan water toegevoegd. Siliciumdioxide slaat neer in zure omstandigheden. Naast factoren, zoals de duur van de neerslag, de toevoegingssnelheid van de reactanten, temperatuur en concentratie en pH, kunnen de methode en intensiteit van de agitatie de eigenschappen van het silica variëren. Sonomechanische agitatie in een ultrasone reactorkamer is een effectieve methode om een consistente en uniforme deeltjesgrootte te produceren. Ultrasone agitatie bij hoge temperaturen vermijdt de vorming van een gelfase.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon geassisteerde precipitatie van nanomaterialen, zoals geprecipiteerd silica!
Geprecipiteerd siliciumdioxide CAS-nummer: 7631-86-9

Colloïdaal Silica / Silica Colloid

Colloïdaal silica is een suspensie van fijne niet-poreuze, amorfe, meestal bolvormige silica deeltjes in een vloeibare fase.
De meest voorkomende toepassingen van silica colloïden zijn als drainagehulpmiddel in de papierindustrie, als schuurmiddel voor het polijsten van silicium wafers, als katalysator in chemische processen, als vochtabsorberend middel, als toevoeging aan slijtvaste coatings, of als oppervlakteactieve stof om te flocculeren, coaguleren, dispergeren of stabiliseren.
Klik hier voor meer informatie over colloïdaal silica in slijtvaste polymeercoatings!

De productie van colloïdaal silica is een proces dat uit meerdere stappen bestaat. Gedeeltelijke neutralisatie van een alkali-silicaatoplossing leidt tot de vorming van silicakiemen. De subeenheden van colloïdale silica deeltjes zijn meestal tussen 1 en 5 nm groot. Afhankelijk van de polymerisatieomstandigheden kunnen deze subeenheden worden samengevoegd. Door de pH te verlagen tot onder 7 of door zout toe te voegen versmelten de eenheden tot ketens, die vaak silicagels worden genoemd. Anders blijven de subeenheden gescheiden en groeien ze geleidelijk aan. De resulterende producten worden vaak silica sols of neergeslagen silica genoemd. Een colloïdale silica-suspensie wordt gestabiliseerd door de pH aan te passen en dan geconcentreerd, bijvoorbeeld door verdamping.
Klik hier voor meer informatie over sonomechanische effecten in sol-gelprocessen!

Silica Gezondheidsrisico

Droge of door de lucht verspreide kristallijne siliciumdioxide is kankerverwekkend voor de menselijke longen en kan ernstige longaandoeningen, longkanker of systemische auto-immuunziekten veroorzaken. Wanneer silicastof wordt ingeademd en in de longen terechtkomt, veroorzaakt het de vorming van littekenweefsel en vermindert het het vermogen van de longen om zuurstof op te nemen (silicose). Het bevochtigen en dispergeren van SiO2 in een vloeibare fase, bv. door ultrasone homogenisatie, elimineert het risico op inademing. Daarom is het risico dat een vloeibaar product dat SiO2 bevat Silicose veroorzaakt zeer laag. Gebruik geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen wanneer u siliciumdioxide in droge poedervorm hanteert!

Literatuur