Dispersarea cu ultrasunete a silicei (SiO2)

Silicea, cunoscută și sub denumirile de SiO2, nano-silice sau micro-silice, este utilizată în pasta de dinți, ciment, cauciuc sintetic, polimeri de înaltă performanță sau în produse alimentare ca agent de îngroșare, adsorbant, agent antiaglomerant sau purtător pentru parfumuri și arome. Mai jos veți afla mai multe despre utilizările nanosilicei și microsilicei și despre modul în care efectele sonomecanice ale ultrasunetelor pot îmbunătăți eficiența procesului și performanța produsului final, prin obținerea unor suspensii de silice mai bune și prin facilitarea sintezei nanoparticulelor de silice.

Avantajele dispersării cu ultrasunete a nano-silicei (SiO2)

Silicea este disponibilă într-o gamă largă de forme hidrofile și hidrofobe și are o dimensiune a particulelor extrem de fină, de la câțiva micrometri până la câțiva nanometri. De regulă, silicea nu este bine dispersată după umectare. De asemenea, introduce numeroase microbule în formularea produsului. Sonicarea este o tehnologie de proces eficientă pentru dispersarea micro-silicei și a nano-silicei și pentru eliminarea gazelor dizolvate și a microbulelor din formulare.

Dispersarea cu ultrasunete este o tehnică ce utilizează unde ultrasonore de intensitate ridicată și frecvență joasă pentru a dispersa și dezaglomera particule într-un mediu lichid. În ceea ce privește dispersarea silicei și a nano-silicei, dispersarea cu ultrasunete oferă mai multe avantaje:

Importanța dimensiunii particulelor de silice

Pentru multe aplicații ale silicei de dimensiuni nanometrice sau micrometrice, o dispersie bună și uniformă este foarte importantă. Adesea este necesară o suspensie monodispersă de silice, de ex. pentru măsurarea dimensiunii particulelor. În special pentru utilizarea în cerneluri sau acoperiri și polimeri în vederea îmbunătățirii rezistenței la zgâriere, particulele de silice trebuie să fie suficient de mici pentru a nu interfera cu lumina vizibilă, astfel încât să se evite aspectul tulbure și să se mențină transparența. Pentru majoritatea acoperirilor, particulele de silice trebuie să fie mai mici de 40nm pentru a îndeplini această cerință. În alte aplicații, aglomerarea particulelor de silice împiedică fiecare particulă individuală de silice să interacționeze cu mediul înconjurător.
Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt mai eficiente în dispersarea silicei decât alte metode de amestecare cu forfecare ridicată, precum mixerele rotative sau agitatoarele de rezervor. Imaginea de mai jos prezintă un rezultat tipic al dispersării cu ultrasunete a silicei fumate în apă.

Dispersarea cu ultrasunete a silicei fumate în apă

Eficiența procesării în reducerea dimensiunii particulelor de silice

Dispersarea cu ultrasunete a nano-silicei este superioară altor metode de amestecare cu forfecare ridicată, precum un IKA Ultra-Turrax. Ultrasunetele produc suspensii cu o dimensiune mai mică a particulelor de silice, iar sonicarea este tehnologia mai eficientă din punct de vedere energetic. Pohl și Schubert au comparat reducerea dimensiunii particulelor de Aerosil 90 (2%wt) în apă folosind un Ultra-Turrax (sistem rotor-stator) cu cea obținută cu un Hielscher UIP1000hd (dispozitiv cu ultrasunete de 1kW). Graficul de mai jos arată rezultatele superioare ale procesului cu ultrasunete. Pe baza studiului său, Pohl a concluzionat că „La energie specifică EV constantă, ultrasunetele sunt mai eficiente decât sistemul rotor-stator.” Eficiența energetică și uniformitatea dimensiunii particulelor de silice sunt de cea mai mare importanță în procesele de producție în care contează costurile de fabricație, capacitatea de proces și calitatea produsului.

Ultrasunete vs. Ultra-turrax pentru dispersarea silicei

Imaginile de mai jos prezintă rezultatele obținute de Pohl prin sonicarea granulelor de silice liofilizate prin pulverizare.

Stânga: imagini REM ale granulelor de silice obținute prin congelare prin pulverizare, înainte de dezaglomerarea cu ultrasunete
Dreapta: imagini TEM ale fragmentelor de silice dispersate cu ultrasunete
Studiu și imagini: Pohl și Schubert, 2004)

Dispersoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru formulări de silice de înaltă calitate

Hielscher Ultrasonics este o afacere germană de familie specializată în dezvoltarea, fabricarea și furnizarea de omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru tratarea lichidelor, a suspensiilor cu conținut de solide și a pastelor. Omogenizatoarele cu ultrasunete Hielscher procesează în mod fiabil suspensiile de silice și alte nanosuspensii pentru a obține orice specificație dorită. Chiar și formulările de produse foarte sensibile, abrazive sau foarte vâscoase pot fi dispersate și dezaglomerate eficient prin sonicare. Sonicatoarele noastre avansate sunt extrem de versatile și oferă posibilități sofisticate de tratare în regim discontinuu (batch) și în linie. Standardele de calitate ridicate în mod fiabil și rezultatele reproductibile sunt caracteristici esențiale ale dispersării silicei cu ultrasunete.
Sonicatoarele industriale de ultimă generație Hielscher dispun de un meniu inteligent și ușor de utilizat, setări programabile, înregistrarea automată a datelor pe un card SD integrat, control de la distanță prin browser și robustețe ridicată.
Amplitudinea este parametrul cu cea mai mare influență în procesarea cu ultrasunete. Amplitudinea se referă la deplasarea maximă sau la mișcarea vârf-la-vârf a unei unde ultrasonore. Pentru dispersarea, dezaglomerarea și măcinarea umedă cu ultrasunete sunt adesea necesare amplitudini ridicate, pentru a aplica suficientă energie în vederea reducerii dimensiunii particulelor. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher pot furniza amplitudini excepțional de ridicate. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode personalizate.
De la sonicatoare mici și medii pentru cercetare-dezvoltare și scară pilot până la sisteme industriale pentru fabricarea comercială a silicei în regim continuu, Hielscher Ultrasonics are procesorul cu ultrasunete potrivit pentru a acoperi cerințele dumneavoastră privind o procesare superioară a silicei.

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Sonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru standardele lor de calitate și design de cel mai înalt nivel. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a sonicatoarelor noastre în instalații industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de sonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe sonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, sonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sonicatoarelor noastre:

Ce este silicea (SiO2, dioxid de siliciu)?

Silicea este un compus chimic alcătuit din siliciu și oxigen, cu formula chimică SiO2, sau dioxid de siliciu. Există multe forme diferite de silice, precum cuarțul topit, silicea fumată, silicagelul și aerogelurile. Silicea există ca un compus al mai multor minerale și ca produs sintetic. Silicea se găsește cel mai frecvent în natură sub formă de cuarț și în diverse organisme vii. Dioxidul de siliciu se obține prin extracția minieră și purificarea cuarțului. Cele trei forme principale de silice amorfă sunt silicea pirogenă, silicea precipitată și silicagelul.

Silice fumată / silice pirogenă

Arderea tetraclorurii de siliciu (SiCl4) într-o flacără de hidrogen bogată în oxigen produce un fum de SiO2 – silice fumată. Alternativ, vaporizarea nisipului cuarțos într-un arc electric la 3000 °C produce, de asemenea, silice fumată. În ambele procese, picăturile microscopice de silice amorfă rezultate fuzionează în particule secundare tridimensionale, ramificate, sub formă de lanțuri. Aceste particule secundare se aglomerează apoi într-o pulbere albă cu densitate în vrac extrem de scăzută și suprafață foarte mare. Dimensiunea particulelor primare ale silicei fumate neporoase este între 5 și 50 nm. Silicea fumată are un efect de îngroșare foarte puternic. Prin urmare, silicea fumată este utilizată ca material de umplutură în elastomerii siliconici și pentru ajustarea vâscozității în vopsele, acoperiri, adezivi, cerneluri tipografice sau rășini poliesterice nesaturate. Silicea fumată poate fi tratată pentru a deveni hidrofobă sau hidrofilă, pentru aplicații cu lichide organice sau apoase. Silicea hidrofobă este o componentă eficientă a antispumanților (agent antispumant).
Faceți clic aici pentru a citi despre degazarea și eliminarea spumei cu ultrasunete.
Silice fumată, număr CAS 112945-52-5

Fum de silice / microsilice

Fumul de silice este o pulbere ultrafină, de dimensiuni nanometrice, cunoscută și sub denumirea de micro-silice. Fumul de silice nu trebuie confundat cu silicea fumată. Procesul de producție, morfologia particulelor și domeniile de aplicare ale fumului de silice diferă toate de cele ale silicei fumate. Fumul de silice este o formă polimorfă amorfă, necristalină, a SiO2. Fumul de silice constă din particule sferice cu un diametru mediu al particulelor de 150 nm. Cea mai importantă aplicație a fumului de silice este ca material puzzolanic pentru betonul de înaltă performanță. Acesta se adaugă în betonul cu ciment Portland pentru a îmbunătăți proprietățile betonului, precum rezistența la compresiune, rezistența de aderență și rezistența la abraziune. În plus, fumul de silice reduce permeabilitatea betonului față de ionii de clorură. Aceasta protejează armătura din oțel a betonului împotriva coroziunii.
Pentru a afla mai multe despre amestecarea cu ultrasunete a cimentului și a fumului de silice, vă rugăm să faceți clic aici!
Fum de silice, număr CAS: 69012-64-2, fum de silice, număr EINECS: 273-761-1

Silice precipitată

Silicea precipitată este o formă sintetică amorfă de SiO2, sub formă de pulbere albă. Silicea precipitată este utilizată ca material de umplutură, agent de înmuiere sau pentru îmbunătățirea performanței în materiale plastice sau cauciuc, de ex. anvelope. Alte utilizări includ rolul de agent de curățare, îngroșare sau lustruire în pastele de dinți.
Pentru a afla mai multe despre amestecarea cu ultrasunete în fabricarea pastei de dinți, vă rugăm să faceți clic aici!
Particulele primare de silice fumată au un diametru cuprins între 5 și 100 nm, în timp ce dimensiunea aglomeratelor este de până la 40 µm, iar dimensiunea medie a porilor este mai mare de 30 nm. La fel ca silicea pirogenă, silicea precipitată nu este, în esență, microporoasă.
Silicea fumată se produce prin precipitare dintr-o soluție care conține săruri de silicat. După reacția unei soluții neutre de silicat cu un acid mineral, soluțiile de acid sulfuric și de silicat de sodiu se adaugă simultan în apă, sub agitare, de exemplu agitare cu ultrasunete. Silicea precipită în condiții acide. Pe lângă factori precum durata precipitării, viteza de adăugare a reactanților, temperatura și concentrația, precum și pH-ul, metoda și intensitatea agitării pot modifica proprietățile silicei. Agitarea sonomecanică într-o cameră de reactor cu ultrasunete este o metodă eficientă pentru a obține o dimensiune a particulelor constantă și uniformă. Agitarea cu ultrasunete la temperaturi ridicate previne formarea unei etape de gel.
Pentru mai multe informații despre precipitarea asistată de ultrasunete a nanomaterialelor, precum silicea precipitată, vă rugăm să faceți clic aici!
Silice precipitată, număr CAS: 7631-86-9

Silice coloidală / coloid de silice

Silicea coloidală este o suspensie de particule fine de silice, neporoase, amorfe, în mare parte sferice, într-o fază lichidă.
Cele mai frecvente utilizări ale coloizilor de silice sunt ca adjuvant de drenare în fabricarea hârtiei, abraziv pentru lustruirea plachetelor de siliciu, catalizator în procese chimice, absorbant de umiditate, aditiv pentru acoperiri rezistente la abraziune sau surfactant pentru floculare, coagulare, dispersare sau stabilizare.
Pentru a afla mai multe despre silicea coloidală în acoperirile polimerice rezistente la abraziune, vă rugăm să faceți clic aici!

Producția silicei coloidale este un proces în mai multe etape. Neutralizarea parțială a unei soluții de silicat alcalin conduce la formarea de nuclee de silice. Subunitățile particulelor de silice coloidală se situează de obicei în intervalul dintre 1 și 5 nm. În funcție de condițiile de polimerizare, aceste subunități se pot uni. Prin reducerea pH-ului sub 7 sau prin adăugarea de sare, unitățile tind să fuzioneze în lanțuri, numite adesea geluri de silice. În caz contrar, subunitățile rămân separate și cresc treptat. Produsele rezultate sunt adesea numite soluri de silice sau silice precipitată. O suspensie de silice coloidală este stabilizată prin ajustarea pH-ului și apoi concentrată, de ex. prin evaporare.
Pentru a afla mai multe despre efectele sonomecanice în procesele sol-gel, vă rugăm să faceți clic aici!

Riscurile silicei pentru sănătate

Dioxidul de siliciu cristalin uscat sau aflat în suspensie în aer este un agent cancerigen pulmonar pentru om, care poate cauza boli pulmonare grave, cancer pulmonar sau boli autoimune sistemice. Atunci când praful de silice este inhalat și pătrunde în plămâni, acesta provoacă formarea de țesut cicatricial și reduce capacitatea plămânilor de a absorbi oxigen (silicoză). Umectarea și dispersarea SiO2 într-o fază lichidă, de ex. prin omogenizare cu ultrasunete, elimină riscul de inhalare. Prin urmare, riscul ca un produs lichid care conține SiO2 să provoace silicoză este foarte scăzut. Vă rugăm să utilizați echipament individual de protecție adecvat atunci când manipulați silicea sub formă de pulbere uscată!

Bibliografie

• 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.