Ultrazvuková disperzia oxidu kremičitého (SiO2)

Oxid kremičitý, tiež známy ako SiO2, nano-oxid kremičitý alebo mikrooxid kremičitý, sa používa v zubných pastách, cemente, syntetickom kaučuku, vysokovýkonnom polymére alebo v potravinárskych výrobkoch ako zahusťovadlo, adsorbent, protihrudkujúca látka alebo nosič vôní a príchutí. Nižšie sa dozviete viac o použití nanooxidu kremičitého a mikrokremíka a o tom, ako môžu sonomechanické účinky ultrazvuku zlepšiť efektivitu procesu a výkon konečného produktu výrobou lepších suspenzií oxidu kremičitého a uľahčením syntézy nanočastíc oxidu kremičitého.

Výhody ultrazvukovej disperzie nanooxidu kremičitého (SiO2)

Oxid kremičitý je dostupný v širokej škále hydrofilných a hydrofóbnych foriem a má extrémne jemnú veľkosť častíc od niekoľkých mikrometrov až po niekoľko nanometrov. Oxid kremičitý zvyčajne nie je po navlhčení dobre rozptýlený. Do zloženia produktu pridáva tiež veľa mikrobublín. Ultrazvuk je účinná procesná technológia na rozptýlenie mikrooxidu kremičitého a nanooxidu kremičitého a odstránenie rozpusteného plynu a mikrobublín z formulácie.

Ultrazvuková disperzia je technika, ktorá využíva vysokointenzívne nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny na rozptýlenie a deaglomeráciu častíc v kvapalnom médiu. Pokiaľ ide o disperziu oxidu kremičitého a nanooxidu kremičitého, ultrazvuková disperzia ponúka niekoľko výhod:
 

Dôležitosť veľkosti častíc oxidu kremičitého

Pre mnohé aplikácie nano-veľkosti alebo mikro veľkosti oxidu kremičitého je veľmi dôležitá dobrá a rovnomerná disperzia. Často je potrebná monodisperzná suspenzia oxidu kremičitého, napr. na meranie veľkosti častíc. Najmä pri použití v atramentoch alebo náteroch a polyméroch na zlepšenie odolnosti proti poškriabaniu musia byť častice oxidu kremičitého dostatočne malé, aby nezasahovali do viditeľného svetla, aby sa zabránilo zákalu a zachovala sa priehľadnosť. Pre väčšinu povlakov musia byť častice oxidu kremičitého menšie ako 40 nm, aby splnili túto požiadavku. V iných aplikáciách aglomerácia častíc oxidu kremičitého bráni každej jednotlivej častici oxidu kremičitého v interakcii s okolitými médiami.
Ultrazvukové homogenizátory sú účinnejšie v dispergácii oxidu kremičitého ako iné metódy miešania s vysokým šmykom, ako sú rotačné miešadlá alebo miešadlá v nádržiach. Obrázok nižšie ukazuje typický výsledok ultrazvukového rozptýlenia dymového oxidu kremičitého vo vode.

Ultrazvuková disperzia zapareného oxidu kremičitého vo vode

Účinnosť spracovania pri zmenšovaní veľkosti oxidu kremičitého

Ultrazvuková disperzia nanooxidu kremičitého je lepšia ako iné metódy miešania s vysokým šmykom, ako je napríklad IKA Ultra-Turrax. Ultrazvuk vyrába suspenzie s menšou veľkosťou častíc oxidu kremičitého a ultrazvuk je energeticky účinnejšia technológia. Pohl a Schubert porovnali zmenšenie veľkosti častíc Aerosilu 90 (2 % hm.) vo vode pomocou Ultra-Turrax (rotor-stator-systém) s Hielscher UIP1000hd (1kW ultrazvukové zariadenie). Obrázok nižšie zobrazuje vynikajúce výsledky ultrazvukového procesu. Na základe svojej štúdie Pohl dospel k záveru, že "pri konštantnej špecifickej energii je ultrazvuk EV účinnejší ako systém rotor-stator". Energetická účinnosť a rovnomernosť veľkosti častíc oxidu kremičitého sú mimoriadne dôležité vo výrobných procesoch, kde záleží na výrobných nákladoch, kapacite procesu a kvalite produktu.

Ultrazvuk vs. ultra-turrax pre disperziu oxidu kremičitého

Obrázky nižšie ukazujú výsledky, ktoré Pohl získal sonikovaním sprejom lyofilizovaným kremičitým granulátom.

Vľavo: REM obrázky striekaných pyremičitých granúl pred ultrazvukovou deaglomeráciou
Vpravo: TEM-obrázky ultrazvukovo rozptýlených fragmentov oxidu kremičitého
Štúdia a obrázky: Pohl a Schubert, 2004)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre vysokokvalitné formulácie oxidu kremičitého

Hielscher Ultrasonics je nemecký rodinný podnik špecializujúci sa na vývoj, výrobu a dodávky vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátorov na úpravu kvapalín, suspenzií a pást s pevným plnením. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher spoľahlivo spracujú kremičité kaše a iné nano-suresty, aby získali akúkoľvek požadovanú špecifikáciu. Dokonca aj formulácie produktov, ktoré sú vysoko citlivé, abrazívne alebo vysoko viskózne, môžu byť účinne dispergované a deaglomerované pomocou ultrazvuku. Naše pokročilé ultrazvukové prístroje sú mimoriadne všestranné a ponúkajú sofistikované možnosti dávkového a inline ošetrenia. Spoľahlivo vysoké štandardy kvality a reprodukovateľné výsledky sú kľúčovými vlastnosťami ultrazvukovej disperzie oxidu kremičitého.
Najmodernejšie priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher sa vyznačujú inteligentným a užívateľsky prívetivým menu, programovateľnými nastaveniami, automatickým protokolovaním údajov na integrovanej SD karte, diaľkovým ovládaním prehliadača a vysokou robustnosťou.
Amplitúda je najvplyvnejším parametrom, pokiaľ ide o ultrazvukové spracovanie. Amplitúda sa vzťahuje na maximálny posun alebo pohyb ultrazvukovej vlny od špičky k vrcholu. Pre ultrazvukovú disperziu, deaglomeráciu a mokré frézovanie sú často potrebné vysoké amplitúdy, aby sa použila dostatočná energia na zmenšenie veľkosti častíc. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher môžu poskytovať výnimočne vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Od malého a stredného R&D a pilotné ultrazvukové prístroje pre priemyselné systémy na komerčnú výrobu oxidu kremičitého v nepretržitom režime, Hielscher Ultrasonics má správny ultrazvukový procesor, ktorý pokryje vaše požiadavky na vynikajúce spracovanie oxidu kremičitého.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Čo je oxid kremičitý (SiO2, oxid kremičitý)?

Oxid kremičitý je chemická zlúčenina zložená z kremíka a kyslíka s chemickým vzorcom SiO2 alebo oxid kremičitý. Existuje mnoho rôznych foriem oxidu kremičitého, ako je tavený kremeň, dymový kremík, silikagél a aerogély. Oxid kremičitý existuje ako zlúčenina viacerých minerálov a ako syntetický produkt. Oxid kremičitý sa najčastejšie vyskytuje v prírode ako kremeň a v rôznych živých organizmoch. Oxid kremičitý sa získava ťažbou a čistením kremeňa. Tri hlavné formy amorfného oxidu kremičitého sú pyrogénny oxid kremičitý, vyzrážaný oxid kremičitý a silikagél.

Zaparený oxid kremičitý / pyrogénny oxid kremičitý

Spaľovanie chloridu kremičitého (SiCl4) vo vodíkovom plameni bohatom na kyslík vytvára dym SiO2 – dymový oxid kremičitý. Alternatívne odparovanie kremenného piesku v elektrickom oblúku 3000 °C vytvára aj dymový oxid kremičitý. V oboch procesoch sa výsledné mikroskopické kvapôčky amorfného oxidu kremičitého spájajú do rozvetvených, reťazcovitých, trojrozmerných sekundárnych častíc. Tieto sekundárne častice sa potom aglomerujú do bieleho prášku s extrémne nízkou objemovou hmotnosťou a veľmi veľkým povrchom. Veľkosť primárnych častíc neporézneho dymového oxidu kremičitého je medzi 5 a 50 nm. Zaparený oxid kremičitý má veľmi silný zahusťovací účinok. Preto sa dymový oxid kremičitý používa ako plnivo v silikónovom elastoméri a úprava viskozity vo farbách, náteroch, lepidlách, tlačiarenských farbách alebo nenasýtených polyesterových živiciach. Zaparený oxid kremičitý môže byť ošetrený tak, aby bol hydrofóbny alebo hydrofilný pre organické kvapalné alebo vodné aplikácie. Hydrofóbny oxid kremičitý je účinná odpeňovacia zložka (protipenivé činidlo).
Kliknite sem a prečítajte si o ultrazvukovom odplyňovaní a odpeňovaní.
Číslo CAS fumovaného oxidu kremičitého 112945-52-5

Výpary oxidu kremičitého / Mikrosilika

Výpary oxidu kremičitého sú ultrajemný prášok nanoveľkosti známy aj ako mikrooxid kremičitý. Výpary oxidu kremičitého sa nemajú zamieňať s dymovým oxidom kremičitým. Výrobný proces, morfológia častíc a oblasti použitia výparov oxidu kremičitého sa líšia od dymového oxidu kremičitého. Kremičitý výpary sú amorfná, nekryštalická polymorfná forma SiO2. Výpary oxidu kremičitého pozostávajú z guľovitých častíc s priemerným priemerom častíc 150 nm. Najvýznamnejšou aplikáciou kremičitých výparov je pucolánový materiál pre vysokovýkonný betón. Pridáva sa do portlandského cementového betónu na zlepšenie vlastností betónu, ako je pevnosť v tlaku, pevnosť spoja a odolnosť proti oderu. Okrem toho výpary oxidu kremičitého znižujú priepustnosť betónu pre chloridové ióny. To chráni výstužnú oceľ betónu pred koróziou.
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovom miešaní cementu a kremičitých výparov, kliknite sem!
Číslo CAS výparov oxidu kremičitého: 69012-64-2, číslo EINECS výparov oxidu kremičitého: 273-761-1

Vyzrážaný oxid kremičitý

Vyzrážaný oxid kremičitý je biela prášková syntetická amorfná forma SiO2. Vyzrážaný oxid kremičitý sa používa ako plnivo, zmäkčovadlo alebo zlepšenie výkonu v plastoch alebo gume, napr. v pneumatikách. Medzi ďalšie použitia patrí čistiaci, zahusťovací alebo leštiaci prostriedok v zubných pastách.
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovom miešaní pri výrobe zubných pást, kliknite sem!
Primárne častice dymového oxidu kremičitého majú priemer medzi 5 a 100 nm, zatiaľ čo veľkosť aglomerátu je až 40 μm s priemernou veľkosťou pórov väčšou ako 30 nm. Rovnako ako pyrogénny oxid kremičitý, vyzrážaný oxid kremičitý v podstate nie je mikroporézny.
Fumed oxid kremičitý sa vyrába zrážaním z roztoku obsahujúceho silikátové soli. Po reakcii neutrálneho kremičitanového roztoku s minerálnou kyselinou sa roztoky kyseliny sírovej a kremičitanu sodného pridávajú súčasne s miešaním, ako je ultrazvukové miešanie, do vody. Oxid kremičitý sa zráža v kyslých podmienkach. Okrem faktorov, ako je trvanie zrážania, rýchlosť pridávania reaktantov, teplota a koncentrácia a pH, môže spôsob a intenzita miešania meniť vlastnosti oxidu kremičitého. Sonomechanické miešanie v komore ultrazvukového reaktora je účinnou metódou na vytvorenie konzistentnej a rovnomernej veľkosti častíc. Ultrazvukové miešanie pri zvýšených teplotách zabraňuje tvorbe gélového štádia.
Viac informácií o ultrazvukom podporovanom zrážaní nanomateriálov, ako je vyzrážaný oxid kremičitý, nájdete tu!
Vyzrážaný oxid kremičitý Číslo CAS: 7631-86-9

Koloidný oxid kremičitý / koloid oxidu kremičitého

Koloidný oxid kremičitý je suspenzia jemných neporéznych, amorfných, väčšinou guľovitých častíc oxidu kremičitého v kvapalnej fáze.
Najbežnejšie použitie kremičitých koloidov je ako drenážna pomôcka pri výrobe papiera, abrazívum na leštenie kremíkových doštičiek, katalyzátor v chemických procesoch, absorbent vlhkosti, prísada do povlakov odolných voči oderu alebo povrchovo aktívna látka na flokuláciu, koagulačnú, dispergáciu alebo stabilizáciu.
Ak sa chcete dozvedieť viac o koloidnom oxide kremičitom v polymérnych povlakoch odolných voči oderu, kliknite sem!

Výroba koloidného oxidu kremičitého je viacstupňový proces. Čiastočná neutralizácia alkalicko-silikátového roztoku vedie k tvorbe jadier oxidu kremičitého. Podjednotky častíc koloidného oxidu kremičitého sú zvyčajne v rozmedzí od 1 do 5 nm. V závislosti od podmienok polymerizácie môžu byť tieto podjednotky spojené. Znížením pH pod 7 alebo pridaním soli majú jednotky tendenciu spájať sa v reťazcoch, ktoré sa často nazývajú silikagély. V opačnom prípade zostávajú podjednotky oddelené a postupne rastú. Výsledné produkty sa často nazývajú oxid kremičitý alebo vyzrážaný oxid kremičitý. Suspenzia koloidného oxidu kremičitého sa stabilizuje úpravou pH a následne sa koncentruje, napr. odparovaním.
Ak sa chcete dozvedieť viac o sonomechanických účinkoch v procesoch sol-gel, kliknite sem!

Zdravotné riziko oxidu kremičitého

Suchý alebo vzduchom prenášaný kryštalický oxid kremičitý je ľudský pľúcny karcinogén, ktorý môže spôsobiť závažné pľúcne ochorenia, rakovinu pľúc alebo systémové autoimunitné ochorenia. Keď sa kremičitý prach vdýchne a dostane sa do pľúc, spôsobuje to tvorbu jazvového tkaniva a znižuje schopnosť pľúc prijímať kyslík (silikóza). Zvlhčenie a disperzia SiO2 do kvapalnej fázy, napr. ultrazvukovou homogenizáciou, eliminuje riziko vdýchnutia. Preto je riziko, že tekutý produkt, ktorý obsahuje SiO2, spôsobí silikózu, veľmi nízke. Pri manipulácii s oxidom kremičitým v suchej práškovej forme používajte vhodné osobné ochranné prostriedky!

Literatúra