Ультразвуковое диспергирование диоксида кремния (SiO2)

Диоксид кремния, также известный как SiO2, нанокремнезём или микрокремнезём, используется в зубной пасте, цементе, синтетическом каучуке, высокоэффективных полимерах или пищевых продуктах в качестве загустителя, адсорбента, агента против слёживания или носителя ароматических веществ и вкусовых добавок. Ниже вы узнаете больше о применении нанокремнезёма и микрокремнезёма и о том, как сономеханические эффекты ультразвука могут повысить эффективность процесса и улучшить эксплуатационные характеристики конечного продукта за счёт получения более качественных суспензий диоксида кремния и облегчения синтеза его наночастиц.

Преимущества ультразвукового диспергирования нанокремнезёма (SiO2)

Диоксид кремния доступен в широком ассортименте гидрофильных и гидрофобных форм и имеет чрезвычайно малый размер частиц – от нескольких микрометров до нескольких нанометров. Как правило, после смачивания диоксид кремния плохо диспергирован. Он также вносит в состав продукта множество микропузырьков. Обработка ультразвуком – эффективная технологическая операция для диспергирования микрокремнезёма и нанокремнезёма и удаления растворённого газа и микропузырьков из состава продукта.

Ультразвуковое диспергирование – это метод, использующий высокоинтенсивные низкочастотные ультразвуковые волны для диспергирования и деагломерации частиц в жидкой среде. При диспергировании диоксида кремния и нанокремнезёма ультразвуковое диспергирование обеспечивает ряд преимуществ:
 

Значение размера частиц диоксида кремния

Для многих применений наноразмерного или микроразмерного диоксида кремния очень важно качественное и равномерное диспергирование. Часто требуется монодисперсная суспензия диоксида кремния, например для измерения размера частиц. В частности, при использовании в чернилах, покрытиях и полимерах для повышения стойкости к царапинам частицы диоксида кремния должны быть достаточно мелкими, чтобы не влиять на видимый свет, предотвращая помутнение и сохраняя прозрачность. Для большинства покрытий размер частиц диоксида кремния должен быть меньше 40nm, чтобы выполнить это требование. В других применениях агломерация частиц диоксида кремния препятствует взаимодействию каждой отдельной частицы с окружающей средой.
Ультразвуковые гомогенизаторы более эффективны при диспергировании диоксида кремния, чем другие методы смешивания с высоким сдвигом, такие как роторные смесители или мешалки в резервуарах. На изображении ниже показан типичный результат ультразвукового диспергирования пирогенного диоксида кремния в воде.

Ультразвуковое диспергирование пирогенного диоксида кремния в воде

Эффективность обработки при уменьшении размера частиц диоксида кремния

Ультразвуковое диспергирование нанокремнезёма превосходит другие методы смешивания с высоким сдвигом, например с использованием IKA Ultra-Turrax. Ультразвук позволяет получать суспензии с меньшим размером частиц диоксида кремния, а обработка ультразвуком является более энергоэффективной технологией. Pohl и Schubert сравнили уменьшение размера частиц Aerosil 90 (2%wt) в воде при использовании Ultra-Turrax (роторно-статорная система) и Hielscher UIP1000hd (ультразвуковой аппарат мощностью 1kW). График ниже показывает превосходные результаты ультразвукового процесса. По результатам своего исследования Pohl пришёл к выводу, что «при постоянной удельной энергии EV ультразвук более эффективен, чем роторно-статорная система». Энергоэффективность и однородность размера частиц диоксида кремния имеют первостепенное значение в производственных процессах, где важны производственные затраты, производительность процесса и качество продукта.

Ультразвук и Ultra-turrax для диспергирования диоксида кремния

На изображениях ниже показаны результаты, полученные Pohl при обработке ультразвуком гранул диоксида кремния, высушенных методом распылительной сублимационной сушки.

Слева: REM-изображения гранул диоксида кремния, полученных распылительным замораживанием, до ультразвуковой деагломерации
Справа: TEM-изображения фрагментов диоксида кремния, диспергированных ультразвуком
Исследование и изображения: Pohl и Schubert, 2004)

Высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для высококачественных составов с диоксидом кремния

Hielscher Ultrasonics – немецкое семейное предприятие, специализирующееся на разработке, производстве и поставке высокопроизводительных ультразвуковых гомогенизаторов для обработки жидкостей, суспензий с твёрдыми частицами и паст. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher надёжно обрабатывают суспензии диоксида кремния и другие наносуспензии для достижения любых требуемых характеристик. Даже составы продуктов с высокой чувствительностью, абразивностью или вязкостью можно эффективно диспергировать и подвергать деагломерации с помощью обработки ультразвуком. Наши передовые ультразвуковые аппараты чрезвычайно универсальны и предлагают усовершенствованные возможности периодической обработки и обработки в потоке. Стабильно высокие стандарты качества и воспроизводимые результаты – ключевые особенности ультразвукового диспергирования диоксида кремния.
Современные ультразвуковые аппараты Hielscher промышленного класса оснащены интеллектуальным и удобным меню, программируемыми настройками, автоматическим протоколированием данных на встроенную SD-карту, дистанционным управлением через браузер и отличаются высокой прочностью.
Амплитуда – наиболее значимый параметр при обработке ультразвуком. Амплитуда означает максимальное смещение или движение ультразвуковой волны от пика до пика. Для ультразвукового диспергирования, деагломерации и мокрого измельчения часто требуются высокие амплитуды, чтобы передать достаточно энергии для уменьшения размера частиц. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать исключительно высокие амплитуды. При амплитудах до 200µm можно без труда работать непрерывно в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготавливаемые по индивидуальному заказу.
От малых и средних ультразвуковых аппаратов для исследований и разработок и пилотных установок до промышленных систем для коммерческого производства диоксида кремния в непрерывном режиме – Hielscher Ultrasonics предлагает подходящий ультразвуковой процессор для удовлетворения ваших требований к обработке диоксида кремния высшего качества.

Проектирование, производство и консультации – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и конструкции. Прочность и простота эксплуатации позволяют без труда интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями эксплуатации и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам с передовыми технологиями и удобством эксплуатации. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют нормам CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Что такое кремнезём (SiO2, диоксид кремния)?

Кремнезём – это химическое соединение кремния и кислорода с химической формулой SiO2, или диоксид кремния. Существует множество различных форм диоксида кремния, таких как плавленый кварц, пирогенный диоксид кремния, силикагель и аэрогели. Диоксид кремния существует как соединение в составе нескольких минералов и как синтетический продукт. В природе диоксид кремния чаще всего встречается в виде кварца и в различных живых организмах. Диоксид кремния получают путём добычи и очистки кварца. Три основные формы аморфного диоксида кремния – пирогенный диоксид кремния, осаждённый диоксид кремния и силикагель.

Пирогенный диоксид кремния / Пирогенный кремнезём

Сжигание тетрахлорида кремния (SiCl4) в обогащённом кислородом водородном пламени образует дым SiO2 – пирогенный диоксид кремния. Альтернативный способ – испарение кварцевого песка в электрической дуге при 3000 °C – также позволяет получить пирогенный диоксид кремния. В обоих процессах образующиеся микроскопические капли аморфного диоксида кремния сливаются в разветвлённые цепочечные трёхмерные вторичные частицы. Затем эти вторичные частицы агломерируют в белый порошок с чрезвычайно низкой насыпной плотностью и очень большой площадью поверхности. Размер первичных частиц непористого пирогенного диоксида кремния составляет от 5 до 50 nm. Пирогенный диоксид кремния обладает очень сильным загущающим действием. Поэтому он используется в качестве наполнителя в силиконовых эластомерах и для регулирования вязкости красок, покрытий, клеёв, печатных красок или ненасыщенных полиэфирных смол. Пирогенный диоксид кремния можно обработать, чтобы сделать его гидрофобным или гидрофильным для применения в органических жидкостях или водных средах. Гидрофобный диоксид кремния – эффективный компонент пеногасителей (агент против пенообразования).
Нажмите здесь, чтобы прочитать об ультразвуковой дегазации и пеногашении.
Пирогенный диоксид кремния, номер CAS 112945-52-5

Кремнезёмная пыль / Микрокремнезём

Кремнезёмная пыль – ультратонкий наноразмерный порошок, также известный как микрокремнезём. Кремнезёмную пыль не следует путать с пирогенным диоксидом кремния. Процесс производства, морфология частиц и области применения кремнезёмной пыли отличаются от таковых у пирогенного диоксида кремния. Кремнезёмная пыль – аморфная, некристаллическая, полиморфная форма SiO2. Кремнезёмная пыль состоит из сферических частиц со средним диаметром 150 nm. Наиболее значимое применение кремнезёмной пыли – в качестве пуццоланового материала для высокоэффективного бетона. Её добавляют в бетон на основе портландцемента для улучшения таких свойств бетона, как прочность на сжатие, прочность сцепления и стойкость к истиранию. Кроме того, кремнезёмная пыль снижает проницаемость бетона для хлорид-ионов. Это защищает стальную арматуру бетона от коррозии.
Чтобы узнать больше об ультразвуковом смешивании цемента и кремнезёмной пыли, нажмите здесь!
Кремнезёмная пыль, номер CAS: 69012-64-2, кремнезёмная пыль, номер EINECS: 273-761-1

Осаждённый диоксид кремния

Осаждённый диоксид кремния – белая порошкообразная синтетическая аморфная форма SiO2. Осаждённый диоксид кремния используется в качестве наполнителя, смягчителя или добавки для улучшения эксплуатационных характеристик пластмасс или резины, например шин. Другие применения включают использование в зубных пастах в качестве очищающего, загущающего или полирующего агента.
Чтобы узнать больше об ультразвуковом смешивании при производстве зубной пасты, нажмите здесь!
Первичные частицы пирогенного диоксида кремния имеют диаметр от 5 до 100 nm, тогда как размер агломератов достигает 40 µm, а средний размер пор превышает 30 nm. Как и пирогенный диоксид кремния, осаждённый диоксид кремния по существу не является микропористым.
Пирогенный диоксид кремния получают осаждением из раствора, содержащего соли силикатов. После реакции нейтрального раствора силиката с минеральной кислотой растворы серной кислоты и силиката натрия одновременно добавляют в воду при перемешивании, например ультразвуковом. Диоксид кремния осаждается в кислой среде. Помимо таких факторов, как продолжительность осаждения, скорость добавления реагентов, температура, концентрация и pH, способ и интенсивность перемешивания могут изменять свойства диоксида кремния. Сономеханическое перемешивание в камере ультразвукового реактора – эффективный метод получения стабильного и однородного размера частиц. Ультразвуковое перемешивание при повышенных температурах позволяет избежать образования гелевой стадии.
Для получения дополнительной информации об осаждении наноматериалов при содействии ультразвука, например осаждённого диоксида кремния, нажмите здесь!
Осаждённый диоксид кремния, номер CAS: 7631-86-9

Коллоидный диоксид кремния / Коллоид кремнезёма

Коллоидный диоксид кремния – суспензия мелких непористых, аморфных, преимущественно сферических частиц диоксида кремния в жидкой фазе.
Наиболее распространённые применения коллоидов диоксида кремния – в качестве вспомогательного средства для обезвоживания при производстве бумаги, абразива для полировки кремниевых пластин, катализатора в химических процессах, поглотителя влаги, добавки к стойким к истиранию покрытиям или поверхностно-активного вещества для флокуляции, коагуляции, диспергирования или стабилизации.
Чтобы узнать больше о коллоидном диоксиде кремния в стойких к истиранию полимерных покрытиях, нажмите здесь!

Производство коллоидного диоксида кремния – многостадийный процесс. Частичная нейтрализация раствора силиката щелочного металла приводит к образованию зародышей диоксида кремния. Субчастицы коллоидных частиц диоксида кремния обычно имеют размер от 1 до 5 nm. В зависимости от условий полимеризации эти субчастицы могут соединяться друг с другом. При снижении pH ниже 7 или добавлении соли субчастицы склонны сливаться в цепочки, которые часто называют силикагелями. В противном случае субчастицы остаются раздельными и постепенно растут. Получаемые продукты часто называют золями диоксида кремния или осаждённым диоксидом кремния. Суспензию коллоидного диоксида кремния стабилизируют регулированием pH, а затем концентрируют, например выпариванием.
Чтобы узнать больше о сономеханических эффектах в золь-гель процессах, нажмите здесь!

Риск диоксида кремния для здоровья

Сухой или находящийся в воздухе кристаллический диоксид силикона является канцерогеном для лёгких человека, который может вызывать серьёзные заболевания лёгких, рак лёгких или системные аутоиммунные заболевания. При вдыхании пыли диоксида кремния и её попадании в лёгкие она вызывает образование рубцовой ткани и снижает способность лёгких поглощать кислород (силикоз). Смачивание и диспергирование SiO2 в жидкой фазе, например с помощью ультразвуковой гомогенизации, устраняет риск вдыхания. Поэтому риск того, что жидкий продукт, содержащий SiO2, вызовет силикоз, очень низок. При работе с диоксидом кремния в виде сухого порошка используйте подходящие средства индивидуальной защиты!

Литература

• 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.