Ultrasone dispersie van silica (SiO2)

Silica, ook bekend als SiO2, nanosilica of microsilica, wordt gebruikt in tandpasta, cement, synthetisch rubber, hoogwaardige polymeren of in voedingsmiddelen als verdikkingsmiddel, adsorbens, antiklontermiddel of drager voor geur- en smaakstoffen. Hieronder leest u meer over de toepassingen van nanosilica en microsilica en hoe de sonomechanische effecten van ultrasoon geluid de procesefficiëntie en de prestaties van het eindproduct kunnen verbeteren door betere silicasuspensies te maken en de synthese van silicananodeeltjes te vergemakkelijken.

Voordelen van ultrasone dispersie van nanosilica (SiO2)

Silica is verkrijgbaar in een breed scala aan hydrofiele en hydrofobe vormen en heeft een uiterst fijne deeltjesgrootte, van enkele micrometers tot enkele nanometers. Doorgaans is silica na bevochtiging niet goed gedispergeerd. Het voegt ook veel microbelletjes toe aan de productformulering. Sonicatie is een effectieve procestechnologie om microsilica en nanosilica te dispergeren en opgelost gas en microbelletjes uit de formulering te verwijderen.

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

Het belang van de deeltjesgrootte van silica

Voor veel toepassingen van silica op nano- of microschaal is een goede en gelijkmatige dispersie zeer belangrijk. Vaak is een monodisperse silicasuspensie vereist, bijvoorbeeld voor de meting van de deeltjesgrootte. Vooral bij 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, zodat waas wordt voorkomen en de transparantie behouden blijft. Voor de meeste coatings moeten silicadeeltjes kleiner zijn dan 40nm om aan deze eis te voldoen. Bij andere toepassingen belemmert agglomeratie van silicadeeltjes de interactie van elk afzonderlijk silicadeeltje met de omringende media.
Ultrasone homogenisatoren zijn effectiever bij het dispergeren van silica dan andere mengmethoden met hoge afschuiving, zoals roterende mengers of tankroerwerken. De onderstaande afbeelding toont een typisch resultaat van het ultrasoon dispergeren van pyrogene silica in water.

Ultrasone dispersie van pyrogene silica in water

Verwerkingsefficiëntie bij de verkleining van silicadeeltjes

Ultrasone dispersie van nanosilica is superieur aan andere mengmethoden met hoge afschuiving, zoals een IKA Ultra-Turrax. Ultrasoon geluid produceert suspensies met kleinere silicadeeltjes en sonicatie is de energiezuinigere technologie. Pohl en Schubert vergeleken de verkleining van de deeltjesgrootte van Aerosil 90 (2%wt) in water met een Ultra-Turrax (rotor-statorsysteem) met die van een Hielscher UIP1000hd (1kW ultrasoon apparaat). De onderstaande grafiek toont de superieure resultaten van het ultrasone proces. Naar aanleiding van zijn onderzoek concludeerde Pohl dat “bij constante specifieke energie EV ultrasoon geluid effectiever is dan het rotor-statorsysteem.” Energie-efficiëntie en uniformiteit van de deeltjesgrootte van silica zijn van het grootste belang in productieprocessen waarin productiekosten, procescapaciteit en productkwaliteit een rol spelen.

Ultrasoon geluid versus Ultra-turrax voor silicadispersie

De onderstaande afbeeldingen tonen de resultaten die Pohl verkreeg door sproeivriesgedroogde silicagranulaten aan sonicatie te onderwerpen.

Links: REM-beelden van sproeivriesgranulaten van silica vóór ultrasone deagglomeratie
Rechts: TEM-beelden van ultrasoon gedispergeerde silicafragmenten
Onderzoek en afbeeldingen: Pohl en Schubert, 2004)

Ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties voor hoogwaardige silicaformuleringen

Hielscher Ultrasonics is een Duits familiebedrijf dat gespecialiseerd is in de ontwikkeling, productie en levering van ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor de behandeling van vloeistoffen, suspensies met vaste stoffen en pasta’s. Ultrasone homogenisatoren van Hielscher verwerken silicaslurries en andere nanosuspensies op betrouwbare wijze om elke gewenste specificatie te bereiken. Zelfs productformuleringen die zeer gevoelig, abrasief of zeer viskeus zijn, kunnen met sonicatie efficiënt worden gedispergeerd en gedeagglomereerd. Onze geavanceerde sonicatoren zijn uiterst veelzijdig en bieden geavanceerde mogelijkheden voor batch- en inlinebehandeling. Betrouwbaar hoge kwaliteitsnormen en reproduceerbare resultaten zijn belangrijke kenmerken van ultrasone silicadispersie.
De ultramoderne industriële sonicatoren van Hielscher beschikken over een slim en gebruiksvriendelijk menu, programmeerbare instellingen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, afstandsbediening via een browser en een hoge robuustheid.
De amplitude is de parameter met de grootste invloed bij ultrasone verwerking. Amplitude verwijst naar de maximale verplaatsing of de piek-tot-piekbeweging van een ultrasone golf. Voor ultrasone dispersie, deagglomeratie en nat malen zijn vaak hoge amplitudes vereist om voldoende energie toe te voeren voor de verkleining van deeltjes. De industriële ultrasone processoren van Hielscher kunnen uitzonderlijk hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
Van kleine en middelgrote sonicatoren voor R&D en proefproductie tot industriële systemen voor commerciële silicaproductie in continubedrijf: Hielscher Ultrasonics heeft de juiste ultrasone processor om te voldoen aan uw eisen voor superieure silicaverwerking.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Sonicatoren van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicatoren in industriële installaties mogelijk. Sonicatoren van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicatoren met hoge prestaties met ultramoderne technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen sonicatoren van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Wat is silica (SiO2, siliciumdioxide)?

Silica is een chemische verbinding van silicium en zuurstof met de chemische formule SiO2, oftewel siliciumdioxide. Er zijn veel verschillende vormen van silica, zoals gesmolten kwarts, pyrogene silica, silicagel en aerogels. Silica komt voor als verbinding in verschillende mineralen en als synthetisch product. In de natuur wordt silica het vaakst aangetroffen als kwarts en in verschillende levende organismen. Siliciumdioxide wordt verkregen door de winning en zuivering van kwarts. De drie belangrijkste vormen van amorfe silica zijn pyrogene silica, geprecipiteerde silica en silicagel.

Pyrogene silica / pyrogeen silica

Bij de verbranding van siliciumtetrachloride (SiCl4) in een zuurstofrijke waterstofvlam ontstaat een rook van SiO2 – pyrogene silica. Ook door kwartszand in een elektrische boog van 3000 °C te verdampen, kan pyrogene silica worden geproduceerd. Bij beide processen versmelten de resulterende microscopische druppeltjes amorfe silica tot vertakte, ketenvormige, driedimensionale secundaire deeltjes. Deze secundaire deeltjes agglomereren vervolgens tot een wit poeder met een uiterst lage bulkdichtheid en een zeer groot oppervlak. De primaire deeltjesgrootte van de niet-poreuze pyrogene silica ligt tussen 5 en 50 nm. Pyrogene silica heeft een zeer sterk verdikkend effect. Daarom wordt pyrogene silica gebruikt als vulstof in siliconenelastomeren en voor het aanpassen van de viscositeit van verven, coatings, lijmen, drukinkten of onverzadigde polyesterharsen. Pyrogene silica kan worden behandeld om deze hydrofoob of hydrofiel te maken voor toepassingen in organische vloeistoffen of waterige media. Hydrofobe silica is een effectieve component van ontschuimers (antischuimmiddelen).
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon ontgassen en ontschuimen.
Pyrogene silica CAS-nummer 112945-52-5

Silicafume / microsilica

Silicafume is een ultrafijn poeder met deeltjes op nanoschaal, dat ook bekendstaat als microsilica. Silicafume mag niet worden verward met pyrogene silica. Het productieproces, de deeltjesmorfologie en de toepassingsgebieden van silicafume verschillen allemaal van die van pyrogene silica. Silicafume is een amorfe, niet-kristallijne, polymorfe vorm van SiO2. Silicafume bestaat uit bolvormige deeltjes met een gemiddelde deeltjesdiameter van 150 nm. De belangrijkste toepassing van silicafume is als puzzolaan materiaal voor hoogwaardig beton. Het wordt aan portlandcementbeton toegevoegd om betoneigenschappen zoals druksterkte, hechtsterkte en slijtvastheid te verbeteren. Daarnaast vermindert silicafume de doorlaatbaarheid van beton voor chloride-ionen. Dit beschermt het wapeningsstaal in beton tegen corrosie.
Klik hier voor meer informatie over het ultrasoon mengen van cement en silicafume!
Silicafume CAS-nummer: 69012-64-2, silicafume EINECS-nummer: 273-761-1

Geprecipiteerde silica

Geprecipiteerde silica is een witte, poedervormige, synthetische amorfe vorm van SiO2. Geprecipiteerde silica wordt gebruikt als vulstof, weekmaker of prestatieverbeteraar in kunststoffen of rubber, bijvoorbeeld banden. Andere toepassingen zijn als reinigings-, verdikkings- of polijstmiddel in tandpasta’s.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon mengen bij de productie van tandpasta!
Primaire deeltjes van pyrogene silica hebben een diameter tussen 5 en 100 nm, terwijl de agglomeraatgrootte tot 40 µm bedraagt en de gemiddelde poriegrootte groter is dan 30 nm. Net als pyrogene silica is geprecipiteerde silica in wezen niet microporeus.
Pyrogene silica wordt geproduceerd door precipitatie uit een oplossing die silicaatzouten bevat. Na een reactie van een neutrale silicaatoplossing met een mineraal zuur worden oplossingen van zwavelzuur en natriumsilicaat gelijktijdig en onder roeren, bijvoorbeeld ultrasoon roeren, aan water toegevoegd. Silica precipiteert onder zure omstandigheden. Naast factoren zoals de duur van de precipitatie, de toevoersnelheid van reactanten, temperatuur en concentratie en pH kunnen de methode en intensiteit van het roeren de eigenschappen van de silica beïnvloeden. Sonomechanisch roeren in een ultrasone reactorkamer is een effectieve methode om een consistente en uniforme deeltjesgrootte te verkrijgen. Ultrasoon roeren bij verhoogde temperaturen voorkomt de vorming van een gelfase.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon ondersteunde precipitatie van nanomaterialen, zoals geprecipiteerde silica!
Geprecipiteerde silica CAS-nummer: 7631-86-9

Colloïdale silica / silicacolloïde

Colloïdale silica is een suspensie van fijne, niet-poreuze, amorfe, meestal bolvormige silicadeeltjes in een vloeibare fase.
De meest voorkomende toepassingen van silicacolloïden zijn als ontwateringshulpmiddel bij de papierproductie, slijpmiddel voor het polijsten van siliciumwafers, katalysator in chemische processen, vochtabsorberend middel, additief voor slijtvaste coatings of oppervlakteactieve stof voor flocculatie, coagulatie, dispersie of stabilisatie.
Klik hier voor meer informatie over colloïdale silica in slijtvaste polymeercoatings!

De productie van colloïdale silica is een proces met meerdere stappen. Gedeeltelijke neutralisatie van een alkalisilicaatoplossing leidt tot de vorming van silicakernen. De subeenheden van colloïdale silicadeeltjes liggen doorgaans tussen 1 en 5 nm. Afhankelijk van de polymerisatieomstandigheden kunnen deze subeenheden met elkaar worden verbonden. Door de pH tot onder 7 te verlagen of door zout toe te voegen, hebben de eenheden de neiging om tot ketens te versmelten, die vaak silicagels worden genoemd. Anders blijven de subeenheden gescheiden en groeien ze geleidelijk. De resulterende producten worden vaak silicasolen of geprecipiteerde silica genoemd. Een colloïdale silicasuspensie wordt gestabiliseerd door de pH aan te passen en vervolgens geconcentreerd, bijvoorbeeld door verdamping.
Klik hier voor meer informatie over sonomechanische effecten in sol-gelprocessen!

Gezondheidsrisico van silica

Droog of in de lucht aanwezig kristallijn siliconendioxide is een longcarcinogeen voor de mens dat ernstige longziekten, longkanker of systemische auto-immuunziekten kan 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). Bevochtiging en dispersie van SiO2 in een vloeibare fase, bijvoorbeeld door ultrasone homogenisatie, elimineren 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 silica in droge poedervorm hanteert!

Literatuur

• 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.