Dispersia cu ultrasunete de siliciu (SiO2)

Siliciul, cunoscut și sub numele de SiO2, nano-silice sau micro-siliciu este utilizat în pastă de dinți, ciment, cauciuc sintetic, polimer 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 nanosiliciului și microsiliciului și cum efectele sonomechanical ale ultrasunetelor pot îmbunătăți eficiența procesului și performanța produsului final prin realizarea unor suspensii de siliciu mai bune și facilitarea sintezei nanoparticulelor de silice.

Avantajele dispersiei cu ultrasunete de nanosilice (SiO2)

Siliciul este disponibil într-o gamă largă de forme hidrofile și hidrofobe și are o dimensiune extrem de fină a particulelor de câțiva micrometri până la câțiva nanometri. De obicei, siliciul nu este bine dispersat după umezire. De asemenea, adaugă o mulțime de microbule la formularea produsului. Ultrasonication este o tehnologie eficientă de proces pentru a dispersa micro-silice și nano-silice și pentru a elimina gazul dizolvat și micro-bulele din formulare.

Dispersia cu ultrasunete este o tehnică care utilizează unde cu ultrasunete de înaltă intensitate, de joasă frecvență, pentru a dispersa și deaglomera particulele într-un mediu lichid. Când vine vorba de dispersia de silice și nano-silice, dispersia cu ultrasunete oferă mai multe avantaje:
 

Importanța dimensiunii particulelor de siliciu

Pentru multe aplicații de siliciu de dimensiuni nano sau microdimensionale, o dispersie bună și uniformă este foarte importantă. Adesea, este necesară o suspensie de siliciu monodispersă, de exemplu pentru măsurarea dimensiunii particulelor. În special pentru utilizarea în cerneluri sau acoperiri și polimeri pentru a îmbunătăți rezistența la zgârieturi, particulele de siliciu trebuie să fie suficient de mici pentru a nu interfera cu lumina vizibilă pentru a evita ceața și pentru a menține transparența. Pentru majoritatea acoperirilor, particulele de siliciu trebuie să fie mai mici de 40nm pentru a îndeplini această cerință. Pentru alte aplicații, aglomerarea particulelor de siliciu împiedică fiecare particulă individuală de siliciu să interacționeze cu mediul înconjurător.
Omogenizatoare cu ultrasunete sunt mai eficiente în dispersarea silice decât alte metode de amestecare de forfecare mare, ar fi mixere rotative sau agitatoare rezervor. Imaginea de mai jos prezintă un rezultat tipic al dispersării cu ultrasunete a siliciului fumed în apă.

Dispersie cu ultrasunete de siliciu fumed în apă

Eficiența procesării în reducerea dimensiunii siliciului

Dispersia cu ultrasunete a nano-siliciului este superioară altor metode de amestecare cu forfecare ridicată, ar fi un IKA Ultra-Turrax. Ultrasonics produce suspensii de o dimensiune mai mică a particulelor de siliciu și ultrasonication 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 (rotor-stator-sistem) cu cel al unui Hielscher UIP1000hd (dispozitiv cu ultrasunete 1kW). Graficul de mai jos arată rezultatele superioare ale procesului cu ultrasunete. Ca rezultat al studiului său, Pohl a concluzionat că "La energie specifică constantă, ultrasunetele EV sunt mai eficiente decât sistemul rotor-stator". Eficiența energetică și uniformitatea dimensiunii particulelor de siliciu sunt extrem de importante în procesele de producție, unde costurile de fabricație, capacitatea procesului și calitatea produselor contează.

Ultrasonics vs. Ultra-turrax pentru dispersie de siliciu

Imaginile de mai jos arată rezultatele pe care Pohl le-a obținut prin sonicare spray granule de siliciu liofilizate.

Stânga: REM-imagini de granule de siliciu înghețate prin pulverizare înainte de dezaglomerare cu ultrasunete
Dreapta: TEM-imagini de fragmente de siliciu dispersate ultrasonically
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 de familie germană specializată în dezvoltarea, fabricarea și furnizarea de omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru tratamentul lichidelor, suspensii încărcate solid și paste. Hielscher omogenizatoare cu ultrasunete procesează în mod fiabil suspensii de siliciu și alte nano-supensii pentru a obține orice specificație dorită. Chiar și formulările de produse care sunt extrem de sensibile, abrazive sau foarte vâscoase pot fi dispersate eficient și dezaglomerare folosind ultrasonication. Ultrasonicators noastre avansate sunt extrem de versatile și oferă posibilități sofisticate de lot și inline de tratament. Standardele fiabile de înaltă calitate și rezultatele reproductibile sunt caracteristici cheie ale dispersiei siliciului cu ultrasunete.
Hielscher ultrasonicators de ultimă generație de grad industrial dispun de un meniu inteligent și ușor de utilizat, setări programabile, protocolare automată a datelor pe un card SD integrat, telecomandă browser și robustețe ridicată.
Amplitudinea este parametrul cel mai influent atunci când vine vorba de prelucrarea cu ultrasunete. Amplitudinea se referă la deplasarea maximă sau mișcarea de la vârf la vârf a unui val ultrasonic. Pentru dispersia cu ultrasunete, dezaglomerarea și frezarea umedă sunt necesare amplitudini mari adesea pentru a aplica suficientă energie pentru reducerea dimensiunii particulelor. Hielscher procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini excepțional de mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
De la R mic și mijlociu&D și pilot ultrasonicators la sisteme industriale pentru fabricarea siliciului comercial în mod continuu, Hielscher Ultrasonics are procesorul cu ultrasunete potrivit pentru a acoperi cerințele dumneavoastră pentru prelucrarea superioară a siliciului.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Ce este siliciul (SiO2, dioxid de siliciu)?

Siliciul este un compus chimic compus din siliciu și oxigen cu formula chimică SiO2 sau dioxid de siliciu. Există multe forme diferite de silice, cum ar fi cuarțul topit, siliciul fumat, silicagelul de siliciu și aerogelurile. Siliciul există ca un compus al mai multor minerale și ca produs sintetic. Siliciul se găsește cel mai frecvent în natură ca cuarț și în diferite organisme vii. Dioxidul de siliciu este obținut prin mineritul și purificarea cuarțului. Cele trei forme principale de silice amorfă sunt siliciul pirogenic, siliciul precipitat și silicagelul.

Siliciu fumat / Silice pirogenică

Arderea tetraclorurii de siliciu (SiCl4) într-o flacără de hidrogen bogată în oxigen produce un fum de SiO2 – siliciu fumuriu. Alternativ, vaporizarea nisipului de cuarț într-un arc electric de 3000 °C produce și silice fumegândă. În ambele procese, picăturile microscopice rezultate de silice amorfă fuzionează în particule secundare tridimensionale ramificate, asemănătoare lanțurilor. 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 siliciului fumat neporos este cuprinsă între 5 și 50 nm. Siliciul fumed are un efect de îngroșare foarte puternic. Prin urmare, siliciul fumed este utilizat ca umplutură în elastomerii siliconici și reglarea vâscozității în vopsele, acoperiri, adezivi, cerneluri tipografice sau rășini poliesterice nesaturate. Siliciul fumed poate fi tratat pentru a-l face hidrofob sau hidrofil pentru aplicații lichide organice sau apoase. Siliciul hidrofob este o componentă eficientă de spumare (agent anti-spumant).
Click aici, pentru a citi despre degazare cu ultrasunete și despumantare.
Siliciu fumed număr CAS 112945-52-5

Fum de siliciu / microsilice

Fumul de siliciu este o pulbere ultra-fină, de dimensiuni nano, cunoscută și sub numele de micro-silice. Fumul de siliciu nu trebuie confundat cu siliciul fumuriu. Procesul de producție, morfologia particulelor și domeniile de aplicare ale fumului de siliciu sunt toate diferite de cele ale siliciului fumegat. Fumul de siliciu este o formă amorfă, non-cristalină, polimorfă a SiO2. Fumul de siliciu constă din particule sferice cu un diametru mediu al particulelor de 150 nm. Cea mai proeminentă aplicație a fumului de siliciu este ca material pozzolanic pentru beton de înaltă performanță. Se adaugă la betonul de ciment Portland pentru a îmbunătăți proprietățile betonului, cum ar fi rezistența la compresiune, rezistența la legătură și rezistența la abraziune. Dincolo de aceasta, fumul de siliciu reduce permeabilitatea betonului la ionii de clorură. Acest lucru protejează oțelul de armare al betonului împotriva coroziunii.
Pentru a afla mai multe despre amestecarea cu ultrasunete de ciment și fum de silice, vă rugăm să faceți clic aici!
Numărul CAS al fumului de siliciu: 69012-64-2, numărul EINECS al fumului de siliciu: 273-761-1

Silice precipitată

Siliciul precipitat este o formă amorfă sintetică pulbere albă de SiO2. Siliciul precipitat este utilizat ca umplutură, dedurizator sau îmbunătățire a performanței materialelor plastice sau a cauciucului, de exemplu în anvelope. Alte utilizări includ agentul 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 fumegată au un diametru cuprins între 5 și 100 nm, în timp ce dimensiunea aglomeratului este de până la 40 μm, cu dimensiunea medie a porilor este mai mare de 30 nm. Ca și siliciul pirogenic, siliciul precipitat nu este în esență microporos.
Siliciul fumed este produs prin precipitare dintr-o soluție care conține săruri de silicat. După o reacție a unei soluții neutre de silicat cu un acid mineral, soluțiile de acid sulfuric și silicat de sodiu se adaugă simultan cu agitarea, cum ar fi agitarea cu ultrasunete, în apă. Siliciul precipită în condiții acide. Pe lângă factori, cum ar fi durata precipitațiilor, rata de adăugare a reactanților, temperatura și concentrația și pH-ul, metoda și intensitatea agitării pot varia proprietățile silicei. Sonomechanical agitație într-o cameră reactor cu ultrasunete este o metodă eficientă pentru a produce o dimensiune consistentă și uniformă a particulelor. Agitarea cu ultrasunete la temperaturi ridicate evită formarea unei etape de gel.
Pentru mai multe informații despre precipitarea asistată ultrasonically a nanomaterialelor, ar fi siliciul precipitat, vă rugăm să faceți clic aici!
Număr CAS de siliciu precipitat: 7631-86-9

Dioxid de siliciu coloidal / coloidă de siliciu

Siliciul coloidal este o suspensie de particule fine de siliciu neporoase, amorfe, în cea mai mare parte sferice într-o fază lichidă.
Cele mai frecvente utilizări ale coloizilor de siliciu sunt ca ajutor de drenaj în fabricarea hârtiei, abraziv pentru lustruirea plăcuțelor de siliciu, catalizator în procesele chimice, absorbant de umiditate, aditiv la acoperiri rezistente la abraziune sau agent tensioactiv pentru floculare, coagulare, dispersare sau stabilizare.
Pentru a afla mai multe despre siliciul coloidal în acoperirile polimerice rezistente la abraziune, vă rugăm să faceți clic aici!

Producția de silice coloidală este un proces în mai multe etape. Neutralizarea parțială a unei soluții alcaline-silicate duce la formarea nucleelor de silice. Subunitățile particulelor coloidale de siliciu sunt de obicei cuprinse între 1 și 5 nm. În funcție de condițiile de polimerizare, aceste subunități pot fi unite. Prin reducerea pH-ului sub 7 sau prin adăugarea de sare, unitățile tind să fuzioneze împreună în lanțuri, care sunt adesea numite geluri de silice. Altfel, subunitățile rămân separate și cresc treptat. Produsele rezultate sunt adesea numite soluri de siliciu sau silice precipitată. O suspensie coloidală de silice este stabilizată prin ajustarea pH-ului și apoi concentrată, de exemplu prin evaporare.
Pentru a afla mai multe despre efectele sonomechanical în procesele sol-gel, vă rugăm să faceți clic aici!

Risc pentru sănătatea siliciului

Dioxidul de silicon cristalin uscat sau în aer este cancerigen pulmonar uman care poate provoca boli pulmonare grave, cancer pulmonar sau boli autoimune sistemice. Când praful de siliciu este inhalat și intră în plămâni, provoacă formarea de țesut cicatricial și reduce capacitatea plămânilor de a lua oxigen (silicoză). Umezirea și dispersia SiO2 într-o fază lichidă, de exemplu 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 silice sub formă de pulbere uscată!

Literatură