Ultrazvuková dispergácia oxidu kremičitého (SiO2)

Oxid kremičitý, známy aj ako SiO2, nanooxid kremičitý alebo mikrooxid kremičitý, sa používa v zubných pastách, cemente, syntetickom kaučuku, vysokovýkonných polyméroch alebo potravinárskych výrobkoch ako zahusťovadlo, adsorbent, protihrudkujúca látka alebo nosič vonných a chuťových látok. Nižšie sa dozviete viac o využití nanooxidu a mikrooxidu kremičitého a o tom, ako môžu sonomechanické účinky ultrazvuku zlepšiť účinnosť procesu a úžitkové vlastnosti konečného výrobku vytváraním kvalitnejších suspenzií oxidu kremičitého a uľahčením syntézy jeho nanočastíc.

Výhody ultrazvukovej dispergácie nanooxidu kremičitého (SiO2)

Oxid kremičitý je dostupný v širokej škále hydrofilných a hydrofóbnych foriem a má mimoriadne jemné častice s veľkosťou od niekoľkých mikrometrov až po niekoľko nanometrov. Po zmáčaní zvyčajne nie je dobre dispergovaný. Do zmesi výrobku tiež vnáša veľké množstvo mikrobublín. Spracovanie ultrazvukom je účinná procesná technológia na dispergáciu mikrooxidu a nanooxidu kremičitého a na odstránenie rozpusteného plynu a mikrobublín zo zmesi.

Ultrazvuková dispergácia je technika, ktorá využíva ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou na dispergáciu a deaglomeráciu častíc v kvapalnom médiu. Pri dispergácii oxidu kremičitého a nanooxidu kremičitého ponúka ultrazvuková dispergácia niekoľko výhod:
 

Význam veľkosti častíc oxidu kremičitého

Pri mnohých aplikáciách oxidu kremičitého s nanočasticami alebo mikročasticami je veľmi dôležitá dobrá a rovnomerná disperzia. Často sa vyžaduje monodisperzná suspenzia oxidu kremičitého, napr. na meranie veľkosti častíc. Najmä pri použití v atramentoch alebo v náteroch a polyméroch na zlepšenie odolnosti proti poškriabaniu musia byť častice oxidu kremičitého dostatočne malé, aby neovplyvňovali viditeľné svetlo, čím sa zabráni zákalu a zachová priehľadnosť. Vo väčšine náterov musia byť častice oxidu kremičitého menšie ako 40nm, aby sa splnila táto požiadavka. Pri iných aplikáciách bráni aglomerácia častíc oxidu kremičitého interakcii každej jednotlivej častice s okolitým médiom.
Ultrazvukové homogenizátory sú pri dispergovaní oxidu kremičitého účinnejšie ako iné metódy miešania s vysokým šmykom, napríklad rotačné miešače alebo miešadlá v nádržiach. Obrázok nižšie znázorňuje typický výsledok ultrazvukového dispergovania pyrogénneho oxidu kremičitého vo vode.

Ultrazvukové dispergovanie pyrogénneho oxidu kremičitého vo vode

Účinnosť spracovania pri zmenšovaní veľkosti častíc oxidu kremičitého

Ultrazvukové dispergovanie nanočastíc oxidu kremičitého je účinnejšie ako iné metódy miešania s vysokým šmykom, napríklad pomocou zariadenia IKA Ultra-Turrax. Ultrazvuk vytvára suspenzie s menšou veľkosťou častíc oxidu kremičitého a ultrazvukové spracovanie je energeticky účinnejšou technológiou. Pohl a Schubert porovnali zmenšovanie veľkosti častíc Aerosil 90 (2%wt) vo vode pomocou zariadenia Ultra-Turrax (systém rotor–stator) so zmenšovaním pomocou zariadenia Hielscher UIP1000hd (1kW ultrazvukové zariadenie). Graf nižšie znázorňuje lepšie výsledky ultrazvukového procesu. Na základe svojej štúdie Pohl dospel k záveru, že „Pri konštantnej mernej energii EV je ultrazvuk účinnejší ako systém rotor–stator.“ Energetická účinnosť a rovnomernosť veľkosti častíc oxidu kremičitého sú mimoriadne dôležité vo výrobných procesoch, v ktorých záleží na výrobných nákladoch, kapacite spracovania a kvalite výrobku.

Ultrazvuk verzus Ultra-turrax pri dispergovaní oxidu kremičitého

Obrázky nižšie znázorňujú výsledky, ktoré Pohl získal ultrazvukovým spracovaním granúl oxidu kremičitého zmrazených rozprašovaním a vysušených lyofilizáciou.

Vľavo: snímky REM granúl oxidu kremičitého zmrazených rozprašovaním pred ultrazvukovou deaglomeráciou
Vpravo: snímky TEM ultrazvukovo dispergovaných fragmentov oxidu kremičitého
Štúdia a obrázky: Pohl a Schubert, 2004)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory na vysokokvalitné formulácie s oxidom kremičitým

Hielscher Ultrasonics je nemecká rodinná spoločnosť špecializujúca sa na vývoj, výrobu a dodávku vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátorov na spracovanie kvapalín, suspenzií s obsahom pevných látok a pást. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher spoľahlivo spracúvajú suspenzie oxidu kremičitého a ďalšie nanosuspenzie tak, aby sa dosiahli akékoľvek požadované špecifikácie. Pomocou ultrazvuku možno účinne dispergovať a deaglomerovať aj zmesi výrobkov, ktoré sú veľmi citlivé, abrazívne alebo vysoko viskózne. Naše pokročilé ultrazvukové zariadenia sú mimoriadne všestranné a ponúkajú sofistikované možnosti dávkového a prietokového spracovania. Spoľahlivo vysoké štandardy kvality a reprodukovateľné výsledky sú kľúčovými vlastnosťami ultrazvukovej dispergácie oxidu kremičitého.
Najmodernejšie priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher sa vyznačujú inteligentnou a používateľsky prívetivou ponukou, programovateľnými nastaveniami, automatickým zaznamenávaním údajov na integrovanú kartu SD, diaľkovým ovládaním cez prehliadač a vysokou odolnosťou.
Amplitúda je parameter s najväčším vplyvom na ultrazvukové spracovanie. Amplitúda označuje maximálnu výchylku alebo pohyb ultrazvukovej vlny od jedného vrcholu k druhému. Pri ultrazvukovej dispergácii, deaglomerácii a mokrom mletí sú často potrebné vysoké amplitúdy, aby sa dodalo dostatočné množstvo energie na zmenšenie veľkosti častíc. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu poskytovať mimoriadne vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Od malých a stredne veľkých ultrazvukových zariadení na výskum a vývoj a na poloprevádzku až po priemyselné systémy na komerčnú výrobu oxidu kremičitého v nepretržitom režime – Hielscher Ultrasonics má vhodný ultrazvukový procesor, ktorý splní vaše požiadavky na špičkové spracovanie oxidu kremičitého.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného vyhotovenia. Odolnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia, ktoré sa vyznačujú najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú samozrejme v súlade s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení:

Čo je oxid kremičitý (SiO2)?

Oxid kremičitý je chemická zlúčenina zložená z kremíka a kyslíka s chemickým vzorcom SiO2. Existuje mnoho rôznych foriem oxidu kremičitého, napríklad tavený kremeň, pyrogénny oxid kremičitý, silikagél a aerogély. Oxid kremičitý sa vyskytuje ako zlúčenina vo viacerých mineráloch aj ako syntetický produkt. V prírode sa oxid kremičitý najčastejšie nachádza vo forme kremeňa a v rôznych živých organizmoch. Oxid kremičitý sa získava ťažbou a čistením kremeňa. Tri hlavné formy amorfného oxidu kremičitého sú pyrogénny oxid kremičitý, zrážaný oxid kremičitý a silikagél.

Pyrogénny oxid kremičitý / oxid kremičitý vyrobený pyrolýzou

Spaľovaním chloridu kremičitého (SiCl4) vo vodíkovom plameni bohatom na kyslík vzniká dym SiO2 – pyrogénny oxid kremičitý. Pyrogénny oxid kremičitý sa dá vyrobiť aj odparovaním kremenného piesku v elektrickom oblúku pri teplote 3000 °C. V oboch procesoch sa vznikajúce mikroskopické kvapôčky amorfného oxidu kremičitého spájajú do rozvetvených, reťazcovitých, trojrozmerných sekundárnych častíc. Tieto sekundárne častice následne aglomerujú na biely prášok s mimoriadne nízkou sypnou hustotou a veľmi veľkým povrchom. Veľkosť primárnych častíc neporézneho pyrogénneho oxidu kremičitého je medzi 5 a 50 nm. Pyrogénny oxid kremičitý má veľmi silný zahusťovací účinok. Preto sa používa ako plnivo v silikónových elastoméroch a na úpravu viskozity vo farbách, náterových látkach, lepidlách, tlačiarenských farbách alebo nenasýtených polyesterových živiciach. Pyrogénny oxid kremičitý možno upraviť tak, aby bol hydrofóbny alebo hydrofilný, na použitie v organických kvapalinách alebo vo vodnom prostredí. Hydrofóbny oxid kremičitý je účinnou zložkou odpeňovačov (prostriedkov proti peneniu).
Kliknite sem a prečítajte si o ultrazvukovom odplyňovaní a odpeňovaní.
Pyrogénny oxid kremičitý, číslo CAS 112945-52-5

Kremičitý úlet / Mikrosilika

Kremičitý úlet je ultrajemný prášok s časticami nanometrovej veľkosti, známy aj ako mikrosilika. Kremičitý úlet sa nesmie zamieňať s pyrogénnym oxidom kremičitým. Výrobný proces, morfológia častíc aj oblasti použitia kremičitého úletu sa líšia od pyrogénneho oxidu kremičitého. Kremičitý úlet je amorfná, nekryštalická, polymorfná forma SiO2. Pozostáva z guľovitých častíc s priemerným priemerom 150 nm. Najvýznamnejším využitím kremičitého úletu je jeho použitie ako puzolánového materiálu pre vysokohodnotný betón. Pridáva sa do betónu z portlandského cementu na zlepšenie vlastností betónu, ako sú pevnosť v tlaku, súdržnosť a odolnosť proti oderu. Okrem toho kremičitý úlet znižuje priepustnosť betónu pre chloridové ióny. Tým chráni oceľovú výstuž betónu pred koróziou.
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovom miešaní cementu a kremičitého úletu, kliknite sem!
Kremičitý úlet, číslo CAS: 69012-64-2, kremičitý úlet, číslo EINECS: 273-761-1

Zrážaný oxid kremičitý

Zrážaný oxid kremičitý je biela prášková syntetická amorfná forma SiO2. Používa sa ako plnivo, zmäkčovadlo alebo na zlepšenie úžitkových vlastností plastov či gumy, napr. pneumatík. Ďalej sa používa ako čistiaci, zahusťovací alebo leštiaci prostriedok v zubných pastách.
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovom miešaní pri výrobe zubných pást, kliknite sem!
Primárne častice pyrogénneho oxidu kremičitého majú priemer medzi 5 a 100 nm, zatiaľ čo veľkosť aglomerátov dosahuje až 40 µm a priemerná veľkosť pórov je väčšia ako 30 nm. Podobne ako pyrogénny oxid kremičitý, ani zrážaný oxid kremičitý v podstate nie je mikroporézny.
Pyrogénny oxid kremičitý sa vyrába zrážaním z roztoku obsahujúceho kremičitanové soli. Po reakcii neutrálneho roztoku kremičitanu s minerálnou kyselinou sa do vody za miešania, napríklad ultrazvukového, súčasne pridávajú roztoky kyseliny sírovej a kremičitanu sodného. Oxid kremičitý sa zráža v kyslom prostredí. Okrem faktorov, ako sú trvanie zrážania, rýchlosť pridávania reaktantov, teplota, koncentrácia a pH, môžu vlastnosti oxidu kremičitého meniť aj spôsob a intenzita miešania. Sonomechanické miešanie v komore ultrazvukového reaktora je účinnou metódou na dosiahnutie konzistentnej a rovnomernej veľkosti častíc. Ultrazvukové miešanie pri zvýšených teplotách zabraňuje vzniku gélovej fázy.
Ak chcete získať ďalšie informácie o ultrazvukom podporovanom zrážaní nanomateriálov, ako je zrážaný oxid kremičitý, kliknite sem!
Zrážaný oxid kremičitý, číslo CAS: 7631-86-9

Koloidný oxid kremičitý / Koloid oxidu kremičitého

Koloidný oxid kremičitý je suspenzia jemných neporéznych, amorfných, prevažne guľovitých častíc oxidu kremičitého v kvapalnej fáze.
Koloidy oxidu kremičitého sa najčastejšie používajú ako pomocné prostriedky na odvodňovanie pri výrobe papiera, abrazíva na leštenie kremíkových doštičiek, katalyzátory v chemických procesoch, absorbenty vlhkosti, prísady do náterov odolných proti oderu alebo povrchovo aktívne látky na flokuláciu, koaguláciu, dispergovanie či stabilizáciu.
Ak sa chcete dozvedieť viac o koloidnom oxide kremičitom v polymérnych povlakoch odolných proti oderu, kliknite sem!

Výroba koloidného oxidu kremičitého je viacstupňový proces. Čiastočná neutralizácia roztoku kremičitanu alkalického kovu vedie k tvorbe zárodkov oxidu kremičitého. Podjednotky častíc koloidného oxidu kremičitého majú zvyčajne veľkosť v rozsahu od 1 do 5 nm. V závislosti od podmienok polymerizácie sa tieto podjednotky môžu spájať. Pri znížení pH pod 7 alebo pri pridaní soli majú podjednotky tendenciu spájať sa do reťazcov, ktoré sa často nazývajú silikagély. V opačnom prípade zostávajú podjednotky oddelené a postupne rastú. Výsledné produkty sa často nazývajú sóly oxidu kremičitého alebo zrážaný oxid kremičitý. Suspenzia koloidného oxidu kremičitého sa stabilizuje úpravou pH a následne sa zahusťuje, napr. odparovaním.
Ak sa chcete dozvedieť viac o sonomechanických účinkoch v procesoch sól–gél, kliknite sem!

Zdravotné riziká oxidu kremičitého

Suchý kryštalický oxid kremičitý alebo kryštalický oxid kremičitý rozptýlený vo vzduchu je ľudský pľúcny karcinogén, ktorý môže spôsobiť závažné pľúcne ochorenia, rakovinu pľúc alebo systémové autoimunitné ochorenia. Keď sa prach oxidu kremičitého vdýchne a dostane sa do pľúc, spôsobuje tvorbu jazvového tkaniva a znižuje schopnosť pľúc prijímať kyslík (silikóza). Zmáčanie a dispergovanie SiO2 do kvapalnej fázy, napr. ultrazvukovou homogenizáciou, eliminuje riziko vdýchnutia. Riziko, že kvapalný produkt obsahujúci SiO2 spôsobí silikózu, je preto veľmi nízke. Pri manipulácii s oxidom kremičitým vo forme suchého prášku používajte vhodné osobné ochranné pracovné prostriedky!

Literatúra

• 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.