Krzemionka, znana również jako SiO2, nanokrzemionka lub mikrokrzemionka jest stosowana w pastach do zębów, cemencie, gumie syntetycznej, wysokowydajnych polimerach lub w produktach spożywczych jako zagęstnik, adsorbent, środek przeciwzbrylający lub nośnik zapachów i aromatów. Poniżej dowiesz się więcej o zastosowaniach nanokrzemionki i mikrokrzemionki oraz o tym, jak efekty sonomechaniczne ultradźwięków mogą poprawić wydajność procesu i wydajność produktu końcowego poprzez tworzenie lepszych zawiesin krzemionkowych lub lepszą syntezę nanocząstek krzemionki.

Dyspersja krzemionki / Zawieszenie krzemionki / Nano Krzemionka (SiO2)

Krzemionka jest dostępna w szerokiej gamie form hydrofilowych i hydrofobowych i ma niezwykle drobne cząstki o wielkości od kilku mikrometrów do kilku nanometrów. Zazwyczaj krzemionka nie jest dobrze rozproszona po zwilżeniu. Dodaje ona również wiele pęcherzyków mikroskopijnych do składu produktu. Ultradźwięki to skuteczna technologia procesowa służąca do rozpraszania mikrokrzemionki i nanokrzemionki oraz usuwania rozpuszczonych pęcherzyków i gazów z preparatu.

Caution: Video "duration" is missing

Dla wielu zastosowań nano- lub mikro-rozmiarów krzemionki bardzo ważna jest dobra i równomierna dyspersja. Często wymagana jest monodyspersyjna zawiesina krzemionkowa, np. do pomiaru wielkości cząstek. W szczególności w przypadku stosowania farb drukarskich lub powłok i polimerów w celu poprawy odporności na zarysowania, cząsteczki krzemionki muszą być wystarczająco małe, aby nie zakłócać światła widzialnego, aby uniknąć zamglenia i utrzymać przejrzystość. W przypadku większości powłok cząsteczki krzemionki muszą być mniejsze niż 40 nm, aby spełnić ten wymóg. W innych zastosowaniach aglomeracja cząsteczek krzemionki utrudnia oddziaływanie każdej pojedynczej cząsteczki krzemionki na otaczające ją media.
Homogenizatory ultradźwiękowe są skuteczniejsze w procesie dyspergowania krzemionki niż inne metody mieszania wysokoseryjnego, takie jak mieszadła obrotowe lub mieszadła zbiornikowe. Poniższy rysunek przedstawia typowy rezultat ultradźwiękowego rozpraszania zmatowionej krzemionki w wodzie.

Dyspersja ultradźwiękowa krzemionki dymionej w wodzie

Sprawność przetwarzania w Silica rozdrabniające

Dyspersja ultradźwiękowa nanokrzemionki jest lepsza niż inne metody mieszania o dużej intensywności, takie jak IKA Ultra-Turrax. Ultradźwięki wytwarzają zawiesiny o mniejszym rozmiarze cząstek krzemionki, a ultrasonizacja jest technologią bardziej energooszczędną. Pohl i Schubert porównali redukcję wielkości cząstek Aerosil 90 (2%wt) w wodzie za pomocą Ultra-Turraxu (system rotor-stator) z urządzeniem ultradźwiękowym Hielscher UIP1000hd (1kW urządzenie ultradźwiękowe). Poniższa grafika przedstawia doskonałe wyniki procesu ultradźwiękowego. W wyniku swoich badań Pohl doszedł do wniosku, że "przy stałej energii jednostkowej ultradźwięki EV są bardziej efektywne niż system rotor-stator". Efektywność energetyczna i jednorodność wielkości cząstek krzemionki mają ogromne znaczenie w procesach produkcyjnych, w których liczą się koszty produkcji, wydajność procesu i jakość produktu.

Ultrasonics vs. Ultra-turrax for Silica Dispersion

Poniższe ilustracje przedstawiają wyniki, jakie Pohl uzyskał przez soniczne zamrażanie granulek krzemionki w sprayu. (Kliknij na obrazki, aby powiększyć!)

(lewej: przed ultradźwiękami, rację: po ultradźwiękami)

Co to jest krzemionka (SiO2, dwutlenek krzemu)?

Krzemionka jest związkiem chemicznym składającym się z krzemu i tlenu o wzorze chemicznym SiO2, czyli dwutlenku krzemu. Istnieje wiele różnych form krzemionki, takich jak stopiony kwarc, zmatowiona krzemionka, żel krzemionkowy i aerożele. Krzemionka istnieje jako związek kilku minerałów i jako produkt syntetyczny. Krzemionka jest najczęściej spotykana w przyrodzie jako kwarc i w różnych żywych organizmach. Dwutlenek krzemu jest otrzymywany w procesie wydobycia i oczyszczania kwarcu. Trzy główne formy amorficznej krzemionki to krzemionka pirogeniczna, krzemionka wytrącona i żel krzemionkowy.

Krzemionka dymiona / Krzemionka pirogeniczna

Spalanie tetrachlorku krzemu (SiCl4) w bogatym w tlen płomieniu wodorowym powoduje wytwarzanie dymu SiO2 – zmatowiona krzemionka. Alternatywnie, odparowujący piasek kwarcowy w łuku elektrycznym o temperaturze 3000 °C, wytwarza również zmatowioną krzemionkę. W obu procesach, powstałe mikroskopijne kropelki amorficznej krzemionki łączą się w rozgałęzione, łańcuchowe, trójwymiarowe cząstki wtórne. Te wtórne cząstki aglomerują się następnie w biały proszek o wyjątkowo niskiej gęstości nasypowej i bardzo dużej powierzchni. Podstawowa wielkość cząsteczek nieporowatej, zmatowionej krzemionki wynosi od 5 do 50 nm. Krzemionka dymiona ma bardzo silne działanie zagęszczające. Dlatego też krzemionka dymiona jest stosowana jako wypełniacz w elastomerach silikonowych oraz jako substancja regulująca lepkość w farbach, powłokach, klejach, farbach drukarskich lub nienasyconych żywicach poliestrowych. Krzemionka zmatowiona może być poddawana obróbce w celu nadania jej właściwości hydrofobowych lub hydrofilowych do zastosowań w cieczach organicznych lub wodnych. Krzemionka hydrofobowa jest skutecznym środkiem przeciwpieniącym (środkiem przeciwpieniącym).
Kliknij tutaj, aby przeczytać o odgazowywaniu ultradźwiękowym i odtłuszczaniu.
Krzemionka dymiona Numer CAS 112945-52-5

Pył krzemionkowy / Mikrokrzemionka

Pył krzemionkowy jest bardzo drobnym, nano-wymiarowym proszkiem znanym również jako mikrokrzemionka. Dymu krzemionkowego nie należy mylić z dymem krzemionkowym. Proces produkcyjny, morfologia cząstek i dziedziny zastosowania oparów krzemionki różnią się od tych, które stosuje się w przypadku krzemionki zmatowionej. Pył krzemionki jest amorficzną, niekrystaliczną, polimorficzną formą SiO2. Pył krzemionki składa się z kulistych cząstek o średniej średnicy cząstek wynoszącej 150 nm. Najistotniejsze zastosowanie oparów krzemionki ma jako materiał pucolanowy do betonu o wysokiej wydajności. Jest on dodawany do betonu cementowego Portland w celu poprawy jego właściwości, takich jak wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość wiązania i odporność na ścieranie. Ponadto, dymy krzemionkowe zmniejszają przepuszczalność betonu w stosunku do jonów chlorkowych. Chroni to stal zbrojeniową betonu przed korozją.
Aby dowiedzieć się więcej na temat ultradźwiękowego mieszania cementu i oparów krzemionki, kliknij tutaj!
Silica Fume Numer CAS: 69012-64-2, Silica Fume Numer EINECS: 273-761-1

Krzemionka przyspieszona

Krzemionka strąceniowa to biała, sproszkowana, syntetyczna, amorficzna forma SiO2. Krzemionka wytrącona jest stosowana jako wypełniacz, zmiękczacz lub środek poprawiający wydajność w tworzywach sztucznych lub gumie, np. oponach. Inne zastosowania obejmują środki czyszczące, zagęszczające lub polerujące w pastach do zębów.
Aby dowiedzieć się więcej na temat mieszania ultradźwiękowego w produkcji past do zębów, kliknij tutaj!
Cząstki pierwotne zmatowionej krzemionki mają średnicę od 5 do 100 nm, podczas gdy wielkość aglomeratu wynosi do 40 µm, a średnia wielkość porów jest większa niż 30 nm. Krzemionka wytrącona, podobnie jak krzemionka pirogeniczna, zasadniczo nie jest mikroporowata.
Krzemionka zmatowiona produkowana jest przez wytrącanie z roztworu zawierającego sole krzemianowe. Po reakcji obojętnego roztworu krzemianowego z kwasem mineralnym do wody dodaje się jednocześnie roztwór kwasu siarkowego i krzemianu sodu z mieszaniem, np. mieszaniem ultradźwiękowym. Krzemionka wytrąca się w warunkach kwaśnych. Oprócz czynników, takich jak czas trwania wytrącania, szybkość dodawania reagentów, temperatura i stężenie oraz pH, metoda i intensywność mieszania mogą zmieniać właściwości krzemionki. Wzburzenie sonomechaniczne w komorze reaktora ultradźwiękowego jest skuteczną metodą umożliwiającą uzyskanie stałej i jednolitej wielkości cząstek. Wzbudzenie ultradźwiękowe w podwyższonej temperaturze pozwala uniknąć tworzenia się fazy żelowej.
Aby uzyskać więcej informacji na temat wspomaganego ultradźwiękowo wytrącania się nanomateriałów, takich jak wytrącona krzemionka, kliknij tutaj!
Krzemionka wytrącona Numer CAS: 7631-86-9

Krzemionka koloidalna / Krzemionka Koloidalna

Krzemionka koloidalna jest zawiesiną drobnych nieporowatych, amorficznych, głównie kulistych cząstek krzemionki w fazie ciekłej.
Najczęstsze zastosowania koloidów krzemionkowych to: pomoc drenażowa w produkcji papieru, materiał ścierny do polerowania wafli silikonowych, katalizator w procesach chemicznych, pochłaniacz wilgoci, dodatek do powłok odpornych na ścieranie lub środek powierzchniowo czynny do flokulacji, koagulacji, dyspergowania lub stabilizacji.
Aby dowiedzieć się więcej o krzemionce koloidalnej w powłokach polimerowych odpornych na ścieranie, kliknij tutaj!

Produkcja krzemionki koloidalnej jest procesem wieloetapowym. Częściowa neutralizacja roztworu zasadowo-krzemianowego prowadzi do powstania jąder krzemionki. Podjednostki koloidalnych cząstek krzemionki znajdują się zazwyczaj w zakresie od 1 do 5 nm. W zależności od warunków polimeryzacji podjednostki te mogą być łączone razem. Przez obniżenie pH poniżej 7 lub przez dodanie soli jednostki te mają tendencję do łączenia się w łańcuchy, które często nazywane są żelem krzemionkowym. W przeciwnym razie, podjednostki pozostają rozdzielone i rosną stopniowo. Powstałe produkty są często nazywane zolami krzemionkowymi lub wytrącaną krzemionką. Koloidalna zawiesina krzemionki jest stabilizowana przez regulację pH, a następnie zagęszczana, np. przez odparowanie.
Aby dowiedzieć się więcej o efektach sonomechanicznych w procesach zol-żel, kliknij tutaj!

Zagrożenie dla zdrowia krzemionki

Suchy lub zawieszony w powietrzu krystaliczny dwutlenek silikonu jest ludzkim rakotwórcą płuc, który może powodować poważne choroby płuc, raka płuc lub systemowe choroby autoimmunologiczne. Kiedy pył krzemionkowy jest wdychany i przedostaje się do płuc, powoduje tworzenie się blizn i zmniejsza zdolność płuc do pobierania tlenu (pylica krzemowa). Zwilżenie i dyspersja SiO2 do fazy ciekłej, np. poprzez homogenizację ultradźwiękową, eliminuje ryzyko wdychania. Dlatego ryzyko, że płynny produkt zawierający SiO2 spowoduje krzemicę jest bardzo małe. Podczas pracy z krzemionką w postaci suchego proszku należy stosować odpowiednie środki ochrony osobistej!

Literatura