Dyspersja ultradźwiękowa krzemionki (SiO2)

Krzemionka, znana również jako SiO2, nanokrzemionka lub mikrokrzemionka, jest stosowana w pastach do zębów, cemencie, kauczuku syntetycznym, polimerach o wysokiej wydajności lub w produktach spożywczych jako zagęszczacz, adsorbent, środek przeciwzbrylający lub nośnik substancji zapachowych i smakowych. 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 i ułatwianie syntezy nanocząstek krzemionki.

Zalety ultradźwiękowej dyspersji nanokrzemionki (SiO2)

Krzemionka jest dostępna w szerokiej gamie hydrofilowych i hydrofobowych form i ma niezwykle drobny rozmiar cząstek od kilku mikrometrów do kilku nanometrów. Zazwyczaj krzemionka nie jest dobrze rozproszona po zwilżeniu. Dodaje również wiele mikropęcherzyków do formulacji produktu. Ultradźwięki są skuteczną technologią procesową do dyspergowania mikrokrzemionki i nanokrzemionki oraz usuwania rozpuszczonego gazu i mikropęcherzyków z preparatu.

Dyspersja ultradźwiękowa to technika wykorzystująca fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości do rozpraszania i deaglomeracji cząstek w ciekłym ośrodku. Jeśli chodzi o dyspersję krzemionki i nanokrzemionki, dyspersja ultradźwiękowa oferuje kilka zalet:
 

Znaczenie wielkości cząstek krzemionki

W wielu zastosowaniach krzemionki o rozmiarach nano lub mikro bardzo ważna jest dobra i jednorodna dyspersja. Często wymagana jest monodyspersyjna zawiesina krzemionki, np. do pomiaru wielkości cząstek. W szczególności do stosowania w tuszach lub powłokach i polimerach w celu poprawy odporności na zarysowania, cząstki krzemionki muszą być wystarczająco małe, aby nie zakłócać światła widzialnego, aby uniknąć zamglenia i zachować przezroczystość. W przypadku większości powłok cząsteczki krzemionki muszą być mniejsze niż 40 nm, aby spełnić ten wymóg. W innych zastosowaniach aglomeracja cząstek krzemionki utrudnia każdej pojedynczej cząstce krzemionki interakcję z otaczającymi ją mediami.
Homogenizatory ultradźwiękowe są bardziej skuteczne w dyspergowaniu krzemionki niż inne metody mieszania o wysokim ścinaniu, takie jak mieszadła obrotowe lub mieszadła zbiornikowe. Poniższy rysunek przedstawia typowy wynik ultradźwiękowego rozpraszania zmatowionej krzemionki w wodzie.

Ultradźwiękowa dyspersja zmatowionej krzemionki w wodzie

Wydajność przetwarzania w redukcji rozmiaru krzemionki

Ultradźwiękowa dyspersja nanokrzemionki jest lepsza od innych metod mieszania o wysokim ścinaniu, takich jak IKA Ultra-Turrax. Ultradźwięki wytwarzają zawiesiny o mniejszym rozmiarze cząstek krzemionki, a ultradźwięki są bardziej energooszczędną technologią. Pohl i Schubert porównali redukcję wielkości cząstek Aerosil 90 (2%wt) w wodzie za pomocą Ultra-Turrax (system rotor-stator) z redukcją za pomocą Hielscher UIP1000hd (urządzenie ultradźwiękowe 1kW). Poniższa grafika pokazuje lepsze wyniki procesu ultradźwiękowego. W wyniku swoich badań Pohl stwierdził, że "przy stałej energii właściwej EV ultradźwięki są bardziej skuteczne niż system rotor-stator". Wydajność energetyczna i jednorodność wielkości cząstek krzemionki mają ogromne znaczenie w procesach produkcyjnych, w których liczą się koszty produkcji, wydajność procesu i jakość produktu.

Ultradźwięki vs. Ultra-turrax dla dyspersji krzemionki

Poniższe zdjęcia przedstawiają wyniki, które Pohl uzyskał poprzez sonikację liofilizowanych granulek krzemionki.

Po lewej: Zdjęcia REM granulek krzemionki mrożonych natryskowo przed deaglomeracją ultradźwiękową
Po prawej: Zdjęcia TEM ultradźwiękowo zdyspergowanych fragmentów krzemionki
Badania i obrazy: Pohl i Schubert, 2004)

Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wysokiej jakości preparatów krzemionkowych

Hielscher Ultrasonics to niemiecka firma rodzinna specjalizująca się w opracowywaniu, produkcji i dostawie wysokowydajnych homogenizatorów ultradźwiękowych do obróbki cieczy, zawiesin i past obciążonych ciałami stałymi. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher niezawodnie przetwarzają zawiesiny krzemionkowe i inne nanozawiesiny w celu uzyskania dowolnej pożądanej specyfikacji. Nawet preparaty produktów, które są bardzo wrażliwe, ścierne lub bardzo lepkie, mogą być skutecznie dyspergowane i deaglomerowane za pomocą ultradźwięków. Nasze zaawansowane ultrasonografy są niezwykle wszechstronne i oferują zaawansowane możliwości obróbki wsadowej i liniowej. Niezawodnie wysokie standardy jakości i powtarzalne wyniki są kluczowymi cechami ultradźwiękowej dyspersji krzemionki.
Najnowocześniejsze ultradźwięki klasy przemysłowej firmy Hielscher charakteryzują się inteligentnym i przyjaznym dla użytkownika menu, programowalnymi ustawieniami, automatycznym protokołowaniem danych na zintegrowanej karcie SD, zdalnym sterowaniem przez przeglądarkę i wysoką wytrzymałością.
Amplituda jest najbardziej wpływowym parametrem, jeśli chodzi o przetwarzanie ultradźwiękowe. Amplituda odnosi się do maksymalnego przemieszczenia lub ruchu międzyszczytowego fali ultradźwiękowej. W przypadku dyspersji ultradźwiękowej, dezaglomeracji i mielenia na mokro często wymagane są wysokie amplitudy w celu zastosowania wystarczającej energii do redukcji wielkości cząstek. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą dostarczać wyjątkowo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Od małych i średnich R&D i pilotażowe ultradźwięki do systemów przemysłowych do komercyjnej produkcji krzemionki w trybie ciągłym, Hielscher Ultrasonics ma odpowiedni procesor ultradźwiękowy, aby spełnić Twoje wymagania dotyczące doskonałej obróbki krzemionki.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Czym jest krzemionka (SiO2, dwutlenek krzemu)?

Krzemionka to związek chemiczny składający się z krzemu i tlenu o wzorze chemicznym SiO2, czyli dwutlenku krzemu. Istnieje wiele różnych form krzemionki, takich jak topiony kwarc, dymiona krzemionka, żel krzemionkowy i aerożele. Krzemionka występuje jako związek kilku minerałów i jako produkt syntetyczny. Krzemionka najczęściej występuje w przyrodzie jako kwarc i w różnych organizmach żywych. Dwutlenek krzemu uzyskuje się poprzez wydobywanie i oczyszczanie kwarcu. Trzy główne formy amorficznej krzemionki to krzemionka pirogeniczna, krzemionka strącona i żel krzemionkowy.

Krzemionka dymiona / krzemionka pirogeniczna

Spalanie czterochlorku krzemu (SiCl4) w płomieniu wodorowym bogatym w tlen wytwarza dym SiO2 – dymiona krzemionka. Alternatywnie, odparowanie piasku kwarcowego w łuku elektrycznym o temperaturze 3000 °C również wytwarza zmatowioną krzemionkę. W obu procesach powstałe mikroskopijne kropelki amorficznej krzemionki łączą się w rozgałęzione, łańcuchowe, trójwymiarowe cząstki wtórne. Te wtórne cząstki aglomerują następnie w biały proszek o wyjątkowo niskiej gęstości nasypowej i bardzo dużej powierzchni. Pierwotny rozmiar cząstek nieporowatej dymionej krzemionki wynosi od 5 do 50 nm. Zmatowiona krzemionka ma bardzo silne działanie zagęszczające. Dlatego krzemionka spieniona jest stosowana jako wypełniacz w elastomerach silikonowych i regulacja lepkości w farbach, powłokach, klejach, tuszach drukarskich lub nienasyconych żywicach poliestrowych. Zmatowiona krzemionka może być poddana obróbce, aby uczynić ją hydrofobową lub hydrofilową do zastosowań w cieczach organicznych lub w wodzie. Hydrofobowa krzemionka jest skutecznym składnikiem przeciwpieniącym.
Kliknij tutaj, aby przeczytać o ultradźwiękowym odgazowywaniu i odpienianiu.
Krzemionka spieniona Numer CAS 112945-52-5

Pył krzemionkowy / mikrokrzemionka

Pył krzemionkowy to bardzo drobny proszek w rozmiarze nano, znany również jako mikrokrzemionka. Pyłów krzemionkowych nie należy mylić z krzemionką dymioną. Proces produkcji, morfologia cząstek i obszary zastosowań pyłu krzemionkowego różnią się od tych dla krzemionki dymionej. Pył krzemionkowy jest amorficzną, niekrystaliczną, polimorficzną formą SiO2. Dym krzemionkowy składa się z kulistych cząstek o średniej średnicy 150 nm. Najważniejszym zastosowaniem pyłu krzemionkowego jest materiał pucolanowy do betonu o wysokiej wydajności. Jest on dodawany do betonu na bazie cementu portlandzkiego w celu poprawy właściwości betonu, takich jak wytrzymałość na ściskanie, siła wiązania i odporność na ścieranie. Ponadto, pył krzemionkowy zmniejsza przepuszczalność betonu dla jonów chlorkowych. Chroni to stal zbrojeniową betonu przed korozją.
Aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym mieszaniu cementu i pyłów krzemionkowych, kliknij tutaj!
Pył krzemionkowy Numer CAS: 69012-64-2, Pył krzemionkowy Numer EINECS: 273-761-1

Wytrącona krzemionka

Krzemionka strącana to biała, sproszkowana, syntetyczna, amorficzna forma SiO2. Wytrącona krzemionka jest stosowana jako wypełniacz, środek zmiękczający lub poprawiający wydajność tworzyw sztucznych lub gumy, np. opon. Inne zastosowania obejmują środek czyszczący, zagęszczający lub polerujący w pastach do zębów.
Aby dowiedzieć się więcej o mieszaniu ultradźwiękowym w produkcji pasty do zębów, kliknij tutaj!
Pierwotne cząstki zmatowionej krzemionki mają średnicę od 5 do 100 nm, podczas gdy rozmiar aglomeratu wynosi do 40 µm, a średni rozmiar porów jest większy niż 30 nm. Podobnie jak krzemionka pirogeniczna, wytrącona krzemionka zasadniczo nie jest mikroporowata.
Zmatowiona krzemionka jest wytwarzana przez wytrącanie z roztworu zawierającego sole krzemianowe. Po reakcji obojętnego roztworu krzemianu z kwasem mineralnym, kwas siarkowy i roztwory krzemianu sodu są dodawane jednocześnie z mieszaniem, takim jak mieszanie ultradźwiękowe, do wody. 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. Sonomechaniczne mieszanie w komorze reaktora ultradźwiękowego jest skuteczną metodą wytwarzania spójnego i jednolitego rozmiaru cząstek. Mieszanie ultradźwiękowe w podwyższonych temperaturach pozwala uniknąć tworzenia się fazy żelowej.
Aby uzyskać więcej informacji na temat wspomaganego ultradźwiękami wytrącania nanomateriałów, takich jak wytrącona krzemionka, kliknij tutaj!
Wytrącona krzemionka Numer CAS: 7631-86-9

Krzemionka koloidalna / koloid krzemionki

Krzemionka koloidalna to zawiesina drobnych, nieporowatych, amorficznych, głównie kulistych cząstek krzemionki w fazie ciekłej.
Najczęstsze zastosowania koloidów krzemionkowych to pomoc w odwadnianiu w produkcji papieru, ścierniwo do polerowania płytek krzemowych, katalizator w procesach chemicznych, absorbent 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 odpornych na ścieranie powłokach polimerowych, kliknij tutaj!

Produkcja koloidalnej krzemionki jest procesem wieloetapowym. Częściowa neutralizacja roztworu alkaliczno-krzemianowego prowadzi do powstania jąder krzemionki. Podjednostki koloidalnych cząstek krzemionki mają zazwyczaj wielkość od 1 do 5 nm. W zależności od warunków polimeryzacji podjednostki te mogą być łączone ze sobą. Obniżając pH poniżej 7 lub dodając sól, jednostki mają tendencję do łączenia się w łańcuchy, które często nazywane są żelami krzemionkowymi. W przeciwnym razie podjednostki pozostają oddzielone i stopniowo rosną. Powstałe produkty są często nazywane zolami krzemionkowymi lub wytrąconą krzemionką. Koloidalna zawiesina krzemionki jest stabilizowana przez dostosowanie pH, a następnie zagęszczana, np. przez odparowanie.
Aby dowiedzieć się więcej o efektach sonomechanicznych w procesach zol-żel, kliknij tutaj!

Ryzyko dla zdrowia związane z krzemionką

Suchy lub unoszący się w powietrzu krystaliczny dwutlenek krzemu jest czynnikiem rakotwórczym dla ludzkich płuc, który może powodować poważne choroby płuc, raka płuc lub ogólnoustrojowe choroby autoimmunologiczne. Kiedy pył krzemionkowy jest wdychany i dostaje się do płuc, powoduje tworzenie się tkanki bliznowatej i zmniejsza zdolność płuc do pobierania tlenu (krzemica). Zwilżanie i rozpraszanie SiO2 w fazie ciekłej, np. poprzez homogenizację ultradźwiękową, eliminuje ryzyko wdychania. Dlatego ryzyko wywołania krzemicy przez płynny produkt zawierający SiO2 jest bardzo niskie. Podczas pracy z krzemionką w postaci suchego proszku należy stosować odpowiednie środki ochrony osobistej!

Literatura