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 leest u meer over de toepassingen van nanosilica en microsilica en hoe de sonomechanische effecten van ultrasonica de procesefficiëntie en de uiteindelijke productprestaties kunnen verbeteren door betere silica-suspensies te maken en de synthese van silicanopartikels te vergemakkelijken.

Voordelen van ultrasone dispersie van nanokiezelzuur (SiO2)

Silica is beschikbaar in een breed scala van hydrofiele en hydrofobe vormen en heeft een extreem fijne deeltjesgrootte van enkele micrometers tot enkele nanometers. Typisch is dat siliciumdioxide niet goed verspreid is na bevochtiging. Het voegt ook veel microbellen toe aan de productformulering. Ultrasonicatie is een effectieve procestechnologie om microsilica en nano-silica te dispergeren en opgeloste gassen en microbellen uit de formulering te verwijderen.

Ultrasone dispersie is een techniek waarbij ultrasone golven met hoge intensiteit en lage frequentie worden 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 microsilica is een goede en uniforme dispersie van groot belang. Vaak is een mono-dispersiesilicasuspensie nodig, bijvoorbeeld voor het meten van de deeltjesgrootte. Met name voor gebruik in inkten of coatings en polymeren om de krasbestendigheid te verbeteren, moeten de silicadeeltjes klein genoeg zijn om het zichtbare licht niet te verstoren om nevelvorming te voorkomen en de transparantie te behouden. Voor de meeste coatings moeten de silicadeeltjes kleiner zijn dan 40 nm om aan deze eis te voldoen. Voor andere toepassingen belemmert de agglomeratie van silicadeeltjes de interactie tussen elk afzonderlijk silicadeeltjes en de omringende media.
Ultrasone homogenisatoren zijn effectiever in het dispergeren van siliciumdioxide dan andere hoogscherpe mengmethoden, zoals roterende mengers of tankroerders. De onderstaande afbeelding toont een typisch resultaat van het ultrasoon dispergeren van pyrogeen kiezelzuur in water.

Ultrasone dispersie van pyrogeen kiezelzuur in water

Verwerking Efficiency in Silica verkleinen

Ultrasone dispersie van nano-silica is superieur aan andere high-shear-mixmethoden, zoals een IKA Ultra-Turrax. Ultrasonica produceert suspensies van een kleinere silicadeeltjesgrootte en ultrasoon is de meer energie-efficiënte technologie. Pohl en Schubert vergeleken de deeltjesgrootte reductie 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). De onderstaande grafiek toont de superieure resultaten van het ultrasoon proces. Als resultaat van zijn studie concludeerde Pohl, dat "bij 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 fabricagekosten, procescapaciteit en productkwaliteit van belang zijn.

Ultrasonica vs. Ultra-turrax voor Silica Dispersion

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 dispergeermachines 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 dataprotocollering op een geïntegreerde SD-kaart, browser-afstandsbediening 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 natmalen 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 aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar.
Van kleine en middelgrote R&Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om aan uw eisen voor superieure silicaverwerking te voldoen.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit gemaakt in Duitsland

Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun hoogste kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasoonapparaten in industriële installaties mogelijk. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

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

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

Wat is Silica (SiO2, Siliciumdioxide)?

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

Gumed Silica / Pyrogenic Silica

Het verbranden van siliciumtetrachloride (SiCl4) in een zuurstofrijke waterstofvlam produceert een rook van SiO2. – pyrogeen kiezelzuur. Als alternatief kan het verdampen van kwartszand in een elektrische boog van 3000 °C ook pyrogeen kiezelzuur opleveren. In beide processen versmelten de resulterende microscopische druppeltjes amorfe silica tot vertakte, ketenachtige, driedimensionale secundaire deeltjes. Deze secundaire deeltjes agglomereren vervolgens tot een wit poeder met een extreem lage bulkdensiteit en een zeer groot oppervlak. De primaire deeltjesgrootte van het niet-poreus gestookte siliciumdioxide ligt tussen 5 en 50 nm. Pyrogeen kiezelzuur heeft een zeer sterk verdikkend effect. Daarom wordt pyrogeen kiezelzuur gebruikt als vulstof in siliconenelastomeer en als viscositeitsaanpassing in verf, coatings, lijm, drukinkt of onverzadigde polyesterharsen. Fumed Silica kan worden behandeld om het hydrofoob of hydrofiel te maken voor zowel organische vloeibare als waterige toepassingen. Hydrofoob siliciumdioxide is een effectieve antischuimcomponent (antischuimmiddel).
Klik hier, om te lezen over ultrasone ontgassing en ontschuiming.
Gefumigeerde Silica CAS-nummer 112945-52-5

Kiezelzuur / Microsilica

Silicadamp is een ultrafijn, nanogroot poeder dat ook bekend staat als microsilica. Silicafume is niet te verwarren met pyrogeen kiezelzuur. Het productieproces, de deeltjesmorfologie en de toepassingsgebieden van silicadampen zijn allemaal verschillend van die van pyrogeen kiezelzuur. Silicadamp is een amorfe, niet-kristallijne, polymorfe vorm van SiO2. Silicadamp bestaat uit sferische deeltjes met een gemiddelde deeltjesdiameter van 150 nm. De meest prominente toepassing van silicadampen is als puzzolaan materiaal voor hoogwaardig beton. Het wordt toegevoegd aan Portlandcementbeton om de betoneigenschappen te verbeteren, zoals druksterkte, hechtsterkte en slijtvastheid. Bovendien vermindert de kiezelzuurdamp de doorlaatbaarheid van beton voor chloride-ionen. Dit beschermt het betonstaal tegen corrosie.
Om meer te weten te komen over het ultrasoon mengen van cement- en silicadampen, klik hier!
Kiezelzuur CAS-nummer: 69012-64-2, Kiezelzuur EINECS-nummer: 273-761-1

Neergeslagen siliciumdioxide

Neergeslagen siliciumdioxide is een witte poederachtige synthetische amorfe vorm van SiO2. Neerslachtig siliciumdioxide wordt gebruikt als vulstof, weekmaker of als prestatieverbetering in kunststoffen of rubber, bijvoorbeeld bij banden. Andere toepassingen zijn het reinigen, verdikken of polijsten van tandpasta's.
Om meer te weten te komen over het ultrasoon mengen in de tandpastafabricage, klik hier!
Primaire deeltjes van pyrogeen kiezelzuur hebben een diameter tussen 5 en 100 nm, terwijl de grootte van het agglomeraat tot 40 µm bedraagt en de gemiddelde poriegrootte groter is dan 30 nm. Net als pyrogene silica is neergeslagen silica in wezen niet microporeus.
Gumed Silica wordt geproduceerd door middel van neerslag uit een oplossing die silicaatzouten bevat. Na een reactie van een neutrale silicaatoplossing met een mineraalzuur, zwavelzuur en natriumsilicaatoplossingen worden deze gelijktijdig met agitatie, zoals ultrasone agitatie, aan het water toegevoegd. Het siliciumdioxide slaat neer in zure omstandigheden. Naast factoren als de duur van de precipitatie, het tempo van de toevoeging van de reactanten, de temperatuur en de concentratie, en de pH, kan de methode en de intensiteit van de agitatie de eigenschappen van het siliciumdioxide variëren. Sonomechanische agitatie in een ultrasone reactorkamer is een effectieve methode om een consistente en uniforme deeltjesgrootte te produceren. Ultrasone agitatie bij verhoogde temperaturen vermijdt de vorming van een gelstadium.
Voor meer informatie over ultrasoon geassisteerde neerslag van nanomaterialen, zoals geprecipiteerd siliciumdioxide, klik hier!
Neergeslagen Silica CAS-nummer: 7631-86-9

Colloïdaal Siliciumdioxide / Siliciumdioxide Colloïde

Colloïdaal siliciumdioxide is een suspensie van fijne, niet-poreuze, amorfe, meestal bolvormige siliciumdioxide deeltjes in een vloeibare fase.
De meest voorkomende toepassingen van silicacolloïden zijn als drainagemiddel bij het maken van papier, als schuurmiddel bij het polijsten van siliciumwafers, als katalysator bij chemische processen, als vochtabsorberend middel, als toevoeging aan slijtvaste coatings, of als oppervlakte-actieve stof bij het flocculeren, coaguleren, dispergeren of stabiliseren.
Voor meer informatie over colloïdaal siliciumdioxide in slijtvaste polymeer coatings, klik hier!

De productie van colloïdaal siliciumdioxide is een meerstappenproces. Gedeeltelijke neutralisatie van een alkali-silicaatoplossing leidt tot de vorming van silicakernen. De subeenheden van colloïdale silicadeeltjes bevinden zich typisch in het bereik tussen 1 en 5 nm. Afhankelijk van de omstandigheden van de polymerisatie kunnen deze subeenheden worden samengevoegd. Door de pH te verlagen tot onder 7 of door toevoeging van zout hebben de eenheden de neiging om samen te smelten in 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 pH-aanpassing en vervolgens geconcentreerd, bijvoorbeeld door verdamping.
Om meer te weten te komen over sonomechanische effecten in sol-gel processen, klik hier!

Silicagevoeligheidsrisico

Droog of in de lucht gedragen kristallijn siliciumdioxide is menselijk longcarcinogeen dat ernstige longaandoeningen, longkanker of systemische auto-immuunziekten kan veroorzaken. Wanneer siliciumstof wordt ingeademd en in de longen terechtkomt, veroorzaakt het de vorming van littekenweefsel en vermindert het vermogen van de longen om zuurstof op te nemen (silicose). Bevochtiging en dispersie van SiO2 in een vloeibare fase, bijvoorbeeld door ultrasone homogenisatie, elimineert het risico van inademing. Daarom is het risico van een vloeibaar product dat SiO2 bevat om Silicose te veroorzaken zeer laag. Gelieve geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken wanneer u silica in droge poedervorm behandelt!

Literatuur