Ultradźwiękowe dyspergowanie krzemionki (SiO2)

Krzemionka, znana również jako SiO2, nanokrzemionka lub mikrokrzemionka, jest stosowana w pastach do zębów, cemencie, kauczuku syntetycznym, polimerach o wysokich parametrach użytkowych lub produktach spożywczych jako zagęstnik, adsorbent, środek przeciwzbrylający lub nośnik substancji zapachowych i aromatów. Poniżej dowiesz się więcej o zastosowaniach nanokrzemionki i mikrokrzemionki oraz o tym, jak sonomechaniczne efekty ultradźwięków mogą poprawić efektywność procesu i właściwości użytkowe produktu końcowego poprzez uzyskiwanie lepszych zawiesin krzemionki i ułatwianie syntezy nanocząstek krzemionki.

Zalety ultradźwiękowego dyspergowania nanokrzemionki (SiO2)

Krzemionka jest dostępna w szerokiej gamie form hydrofilowych i hydrofobowych, a jej cząstki mają niezwykle małe rozmiary, od kilku mikrometrów do kilku nanometrów. Zazwyczaj po zwilżeniu krzemionka nie jest dobrze zdyspergowana. Wprowadza również wiele mikropęcherzyków do formulacji produktu. Sonikacja jest skuteczną technologią procesową służącą do dyspergowania mikrokrzemionki i nanokrzemionki oraz usuwania rozpuszczonego gazu i mikropęcherzyków z formulacji.

Dyspergowanie ultradźwiękowe to technika wykorzystująca fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości do dyspergowania i deaglomeracji cząstek w ciekłym ośrodku. W przypadku dyspergowania krzemionki i nanokrzemionki dyspergowanie ultradźwiękowe oferuje szereg zalet:
 

Znaczenie rozmiaru cząstek krzemionki

W wielu zastosowaniach krzemionki o rozmiarach nanometrycznych lub mikrometrycznych bardzo ważne jest dobre i równomierne zdyspergowanie. Często wymagana jest monodyspersyjna zawiesina krzemionki, np. do pomiaru rozmiaru cząstek. Szczególnie w przypadku stosowania w farbach drukarskich lub powłokach i polimerach w celu poprawy odporności na zarysowania cząstki krzemionki muszą być na tyle małe, aby nie oddziaływać ze światłem widzialnym, co pozwala uniknąć zmętnienia i zachować przezroczystość. W większości powłok cząstki krzemionki muszą być mniejsze niż 40nm, aby spełnić ten wymóg. W innych zastosowaniach aglomeracja cząstek krzemionki utrudnia każdej pojedynczej cząstce krzemionki oddziaływanie z otaczającym ośrodkiem.
Homogenizatory ultradźwiękowe są skuteczniejsze w dyspergowaniu krzemionki niż inne metody mieszania przy wysokim ścinaniu, takie jak mieszalniki obrotowe lub mieszadła zbiornikowe. Poniższy obraz przedstawia typowy wynik ultradźwiękowego dyspergowania krzemionki pirogenicznej w wodzie.

Ultradźwiękowe dyspergowanie krzemionki pirogenicznej w wodzie

Efektywność procesu zmniejszania rozmiaru cząstek krzemionki

Dyspergowanie ultradźwiękowe nanokrzemionki przewyższa inne metody mieszania przy wysokim ścinaniu, takie jak wykorzystanie IKA Ultra-Turrax. Ultradźwięki pozwalają uzyskiwać zawiesiny o mniejszych rozmiarach cząstek krzemionki, a sonikacja jest technologią bardziej efektywną energetycznie. Pohl i Schubert porównali zmniejszenie rozmiaru cząstek Aerosil 90 (2%wt) w wodzie przy użyciu Ultra-Turrax (układ rotor–stator) ze zmniejszeniem uzyskanym przy użyciu Hielscher UIP1000hd (urządzenie ultradźwiękowe o mocy 1kW). Poniższy wykres przedstawia lepsze wyniki procesu ultradźwiękowego. Na podstawie swoich badań Pohl stwierdził, że „Przy stałej energii właściwej EV ultradźwięki są skuteczniejsze niż układ rotor–stator”. Efektywność energetyczna i jednorodność rozmiaru cząstek krzemionki mają najwyższe znaczenie w procesach produkcyjnych, w których liczą się koszty wytwarzania, wydajność procesu i jakość produktu.

Ultradźwięki a Ultra-turrax w dyspergowaniu krzemionki

Poniższe obrazy przedstawiają wyniki uzyskane przez Pohla podczas sonikacji granulek krzemionki suszonych metodą liofilizacji rozpyłowej.

Po lewej: obrazy REM granulek krzemionki zamrażanych metodą rozpyłową przed deaglomeracją ultradźwiękową
Po prawej: obrazy TEM fragmentów krzemionki zdyspergowanych ultradźwiękowo
Badanie i obrazy: Pohl i Schubert, 2004)

Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wysokiej jakości formulacji krzemionkowych

Hielscher Ultrasonics to niemiecka firma rodzinna specjalizująca się w opracowywaniu, produkcji i dostarczaniu wysokowydajnych homogenizatorów ultradźwiękowych do obróbki cieczy, zawiesin zawierających cząstki stałe i past. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher niezawodnie przetwarzają zawiesiny krzemionki i inne nanozawiesiny w celu uzyskania dowolnej wymaganej specyfikacji. Nawet formulacje produktów, które są bardzo wrażliwe, ścierne lub mają wysoką lepkość, można wydajnie dyspergować i poddawać deaglomeracji za pomocą sonikacji. Nasze zaawansowane sonikatory są niezwykle wszechstronne i oferują rozbudowane możliwości obróbki wsadowej i przepływowej. Niezawodnie wysokie standardy jakości i powtarzalne wyniki to kluczowe cechy ultradźwiękowego dyspergowania krzemionki.
Nowoczesne sonikatory przemysłowe Hielscher wyposażone są w inteligentne i przyjazne dla użytkownika menu, programowalne ustawienia, automatyczne rejestrowanie danych na zintegrowanej karcie SD, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i cechują się wysoką wytrzymałością.
Amplituda jest parametrem o największym wpływie na obróbkę ultradźwiękową. Amplituda oznacza maksymalne przemieszczenie lub ruch od szczytu do szczytu fali ultradźwiękowej. Dyspergowanie ultradźwiękowe, deaglomeracja i mielenie na mokro często wymagają wysokich amplitud, aby dostarczyć energię wystarczającą do zmniejszenia rozmiaru cząstek. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać wyjątkowo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w pracy ciągłej 24/7. Do jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.
Od małych i średnich sonikatorów badawczo-rozwojowych i pilotażowych po systemy przemysłowe do komercyjnej produkcji krzemionki w trybie ciągłym, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni procesor ultradźwiękowy spełniający wymagania dotyczące najwyższej klasy obróbki krzemionki.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość z Niemiec

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikacją ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Czym jest krzemionka (SiO2, ditlenek krzemu)?

Krzemionka jest związkiem chemicznym złożonym z krzemu i tlenu o wzorze chemicznym SiO2, czyli ditlenkiem krzemu. Istnieje wiele różnych form krzemionki, takich jak kwarc topiony, krzemionka pirogeniczna, żel krzemionkowy i aerożele. Krzemionka występuje jako składnik kilku minerałów oraz jako produkt syntetyczny. W przyrodzie krzemionka najczęściej występuje jako kwarc oraz w różnych organizmach żywych. Ditlenek krzemu otrzymuje się poprzez wydobycie i oczyszczanie kwarcu. Trzy główne formy krzemionki amorficznej to krzemionka pirogeniczna, krzemionka strącana i żel krzemionkowy.

Krzemionka pirogeniczna / krzemionka pirogeniczna

Spalanie tetrachlorku krzemu (SiCl4) w płomieniu wodorowym bogatym w tlen wytwarza dym SiO2 – krzemionkę pirogeniczną. Alternatywnie odparowanie piasku kwarcowego w łuku elektrycznym o temperaturze 3000 °C również wytwarza krzemionkę pirogeniczną. W obu procesach powstające mikroskopijne kropelki krzemionki amorficznej łączą się w rozgałęzione, łańcuchowe, trójwymiarowe cząstki wtórne. Następnie te cząstki wtórne aglomerują, tworząc biały proszek o niezwykle niskiej gęstości nasypowej i bardzo dużej powierzchni. Rozmiar cząstek pierwotnych nieporowatej krzemionki pirogenicznej wynosi od 5 do 50 nm. Krzemionka pirogeniczna wykazuje bardzo silne działanie zagęszczające. Dlatego jest stosowana jako wypełniacz w elastomerach silikonowych oraz do regulacji lepkości farb, powłok, klejów, farb drukarskich lub nienasyconych żywic poliestrowych. Krzemionkę pirogeniczną można poddawać obróbce, aby nadać jej właściwości hydrofobowe lub hydrofilowe do zastosowań odpowiednio w cieczach organicznych lub układach wodnych. Krzemionka hydrofobowa jest skutecznym składnikiem środków odpieniających (środków przeciwpiennych).
Kliknij tutaj, aby przeczytać o ultradźwiękowym odgazowywaniu i odpienianiu.
Krzemionka pirogeniczna, numer CAS 112945-52-5

Pył krzemionkowy / mikrokrzemionka

Pył krzemionkowy to ultradrobny proszek o rozmiarach nanometrycznych, znany również jako mikrokrzemionka. Pyłu krzemionkowego nie należy mylić z krzemionką pirogeniczną. Proces produkcji, morfologia cząstek i obszary zastosowań pyłu krzemionkowego różnią się od tych dotyczących krzemionki pirogenicznej. Pył krzemionkowy jest amorficzną, niekrystaliczną, polimorficzną formą SiO2. Pył krzemionkowy składa się z kulistych cząstek o średniej średnicy 150 nm. Najważniejszym zastosowaniem pyłu krzemionkowego jest wykorzystanie go jako materiału pucolanowego w betonie wysokowartościowym. Dodaje się go do betonu z cementem portlandzkim, aby poprawić właściwości betonu, takie jak wytrzymałość na ściskanie, przyczepność 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 pyłu krzemionkowego, kliknij tutaj!
Pył krzemionkowy, numer CAS: 69012-64-2, pył krzemionkowy, numer EINECS: 273-761-1

Krzemionka strącana

Krzemionka strącana jest białą, sproszkowaną, syntetyczną, amorficzną formą SiO2. Krzemionka strącana jest stosowana jako wypełniacz, środek zmiękczający lub dodatek poprawiający właściwości użytkowe tworzyw sztucznych lub gumy, np. w oponach. Inne zastosowania obejmują wykorzystanie jako środka czyszczącego, zagęszczającego lub polerującego w pastach do zębów.
Aby dowiedzieć się więcej o mieszaniu ultradźwiękowym w produkcji past do zębów, kliknij tutaj!
Cząstki pierwotne krzemionki pirogenicznej mają średnicę od 5 do 100 nm, natomiast rozmiar aglomeratów wynosi do 40 µm, a średni rozmiar porów jest większy niż 30 nm. Podobnie jak krzemionka pirogeniczna, krzemionka strącana zasadniczo nie jest mikroporowata.
Krzemionka pirogeniczna jest wytwarzana przez strącanie z roztworu zawierającego sole krzemianowe. Po reakcji obojętnego roztworu krzemianu z kwasem mineralnym roztwory kwasu siarkowego i krzemianu sodu dodaje się jednocześnie do wody, mieszając, np. ultradźwiękowo. Krzemionka wytrąca się w warunkach kwaśnych. Oprócz czynników takich jak czas strącania, szybkość dodawania reagentów, temperatura i stężenie oraz pH, metoda i intensywność mieszania mogą zmieniać właściwości krzemionki. Mieszanie sonomechaniczne w komorze reaktora ultradźwiękowego jest skuteczną metodą uzyskiwania stałego i jednorodnego rozmiaru cząstek. Mieszanie ultradźwiękowe w podwyższonych temperaturach zapobiega powstawaniu fazy żelowej.
Aby uzyskać więcej informacji o wspomaganym ultradźwiękami strącaniu nanomateriałów, takich jak krzemionka strącana, kliknij tutaj!
Krzemionka strącana, numer CAS: 7631-86-9

Krzemionka koloidalna / koloid krzemionkowy

Krzemionka koloidalna jest zawiesiną drobnych, nieporowatych, amorficznych, przeważnie kulistych cząstek krzemionki w fazie ciekłej.
Najczęstsze zastosowania koloidów krzemionkowych obejmują wykorzystanie jako środka wspomagającego odwadnianie w produkcji papieru, ścierniwa do polerowania płytek krzemowych, katalizatora w procesach chemicznych, absorbentu wilgoci, dodatku do powłok odpornych na ścieranie lub środka powierzchniowo czynnego 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 krzemianu metalu alkalicznego prowadzi do powstawania zarodków krzemionki. Podjednostki cząstek krzemionki koloidalnej mają zazwyczaj rozmiar od 1 do 5 nm. W zależności od warunków polimeryzacji podjednostki te mogą się ze sobą łączyć. Obniżenie pH poniżej 7 lub dodanie soli sprawia, że podjednostki mają tendencję do łączenia się w łańcuchy, które często nazywa się żelami krzemionkowymi. W przeciwnym razie podjednostki pozostają oddzielone i stopniowo rosną. Powstałe produkty często nazywa się zolami krzemionkowymi lub krzemionką strącaną. Zawiesinę krzemionki koloidalnej stabilizuje się przez regulację pH, a następnie zatęża, np. przez odparowanie.
Aby dowiedzieć się więcej o efektach sonomechanicznych w procesach zol–żel, kliknij tutaj!

Zagrożenia zdrowotne związane z krzemionką

Suchy lub unoszący się w powietrzu krystaliczny „silicone dioxide” jest czynnikiem rakotwórczym dla płuc człowieka, który może powodować poważne choroby płuc, raka płuc lub układowe choroby autoimmunologiczne. Gdy pył krzemionkowy jest wdychany i dostaje się do płuc, powoduje powstawanie tkanki bliznowatej i zmniejsza zdolność płuc do pobierania tlenu (krzemica). Zwilżanie i dyspergowanie SiO2 w fazie ciekłej, np. przez homogenizację ultradźwiękową, eliminuje ryzyko wdychania. Dlatego ryzyko wywołania krzemicy przez produkt ciekły zawierający SiO2 jest bardzo niskie. Podczas pracy z krzemionką w postaci suchego proszku należy stosować odpowiednie środki ochrony indywidualnej!

Literatura

• 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.