Ultrazvočno dispergiranje silicijevega dioksida (SiO2)

Silicijev dioksid, znan tudi kot SiO2, nanosilika ali mikrosilika, se uporablja v zobnih pastah, cementu, sintetičnem kavčuku, visokozmogljivih polimerih ali živilskih izdelkih kot zgoščevalo, adsorbent, sredstvo proti sprijemanju ali nosilec dišav in arom. V nadaljevanju boste izvedeli več o uporabi nanosilike in mikrosilike ter o tem, kako lahko sonomehanski učinki ultrazvoka izboljšajo učinkovitost procesa in lastnosti končnega izdelka z izboljšanjem suspenzij silicijevega dioksida in olajšanjem sinteze njegovih nanodelcev.

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja nanosilike (SiO2)

Silicijev dioksid je na voljo v številnih hidrofilnih in hidrofobnih oblikah ter ima izjemno majhne delce, velike od nekaj mikrometrov do nekaj nanometrov. Po omočenju običajno ni dobro dispergiran. V formulacijo izdelka vnese tudi veliko mikromehurčkov. Sonikacija je učinkovita procesna tehnologija za dispergiranje mikrosilike in nanosilike ter odstranjevanje raztopljenega plina in mikromehurčkov iz formulacije.

Ultrazvočno dispergiranje je tehnika, ki uporablja visokointenzivne, nizkofrekvenčne ultrazvočne valove za dispergiranje in deaglomeracijo delcev v tekočem mediju. Pri dispergiranju silicijevega dioksida in nanosilike ponuja ultrazvočno dispergiranje več prednosti:
 

Pomen velikosti delcev silicijevega dioksida

Pri številnih uporabah silicijevega dioksida z nanometrsko ali mikrometrsko velikostjo delcev je zelo pomembno dobro in enakomerno dispergiranje. Pogosto je potrebna monodisperzna suspenzija silicijevega dioksida, npr. za merjenje velikosti delcev. Zlasti pri uporabi v črnilih ali premazih in polimerih za izboljšanje odpornosti proti praskam morajo biti delci silicijevega dioksida dovolj majhni, da ne motijo vidne svetlobe, s čimer se prepreči motnost in ohrani prosojnost. Pri večini premazov morajo biti delci silicijevega dioksida manjši od 40nm, da izpolnijo to zahtevo. Pri drugih uporabah aglomeracija delcev silicijevega dioksida posameznemu delcu otežuje interakcijo z okoliškim medijem.
Ultrazvočni homogenizatorji so pri dispergiranju silicijevega dioksida učinkovitejši od drugih metod mešanja z visokim strigom, kot so rotacijski mešalniki ali mešala v rezervoarjih. Spodnja slika prikazuje značilen rezultat ultrazvočnega dispergiranja pirogenega silicijevega dioksida v vodi.

Ultrazvočno dispergiranje pirogenega silicijevega dioksida v vodi

Učinkovitost obdelave pri zmanjševanju velikosti delcev silicijevega dioksida

Ultrazvočno dispergiranje nanosilike je boljše od drugih metod mešanja z visokim strigom, kot je uporaba naprave IKA Ultra-Turrax. Z ultrazvokom nastajajo suspenzije z manjšo velikostjo delcev silicijevega dioksida, sonikacija pa je energetsko učinkovitejša tehnologija. Pohl in Schubert sta primerjala zmanjšanje velikosti delcev Aerosil 90 (2%wt) v vodi z uporabo naprave Ultra-Turrax (sistem rotor–stator) z zmanjšanjem z napravo Hielscher UIP1000hd (ultrazvočna naprava z močjo 1kW). Spodnji graf prikazuje boljše rezultate ultrazvočnega procesa. Na podlagi svoje raziskave je Pohl sklenil, da je »pri konstantni specifični energiji EV ultrazvok učinkovitejši od sistema rotor–stator.« Energetska učinkovitost in enakomerna velikost delcev silicijevega dioksida sta izjemno pomembni v proizvodnih procesih, pri katerih so pomembni proizvodni stroški, procesna zmogljivost in kakovost izdelka.

Ultrazvok v primerjavi z napravo Ultra-turrax pri dispergiranju silicijevega dioksida

Spodnje slike prikazujejo rezultate, ki jih je Pohl pridobil s sonikacijo granul silicijevega dioksida, liofiliziranih po zamrzovanju z razprševanjem.

Levo: posnetki REM granul silicijevega dioksida, zamrznjenih z razprševanjem, pred ultrazvočno deaglomeracijo
Desno: posnetki TEM ultrazvočno dispergiranih fragmentov silicijevega dioksida
Raziskava in slike: Pohl in Schubert, 2004)

Visokozmogljivi ultrazvočni dispergatorji za visokokakovostne formulacije silicijevega dioksida

Hielscher Ultrasonics je nemško družinsko podjetje, specializirano za razvoj, proizvodnjo in dobavo visokozmogljivih ultrazvočnih homogenizatorjev za obdelavo tekočin, suspenzij s trdnimi delci in past. Ultrazvočni homogenizatorji Hielscher zanesljivo obdelujejo suspenzije silicijevega dioksida in druge nanosuspenzije, da dosežejo katero koli želeno specifikacijo. Tudi formulacije izdelkov, ki so zelo občutljive, abrazivne ali zelo viskozne, je mogoče učinkovito dispergirati in deaglomerirati s sonikacijo. Naše napredne ultrazvočne naprave so izjemno vsestranske in ponujajo dovršene možnosti šaržne in pretočne obdelave. Zanesljivo visoki standardi kakovosti in ponovljivi rezultati so ključne značilnosti ultrazvočnega dispergiranja silicijevega dioksida.
Najsodobnejše industrijske ultrazvočne naprave Hielscher imajo pameten in uporabniku prijazen meni, programirljive nastavitve, samodejno beleženje podatkov na vgrajeno kartico SD, daljinsko upravljanje prek brskalnika in visoko robustnost.
Amplituda je parameter, ki ima največji vpliv na ultrazvočno obdelavo. Amplituda pomeni največji odmik ali gibanje ultrazvočnega vala od vrha do vrha. Za ultrazvočno dispergiranje, deaglomeracijo in mokro mletje so pogosto potrebne visoke amplitude, da se dovede dovolj energije za zmanjšanje velikosti delcev. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo izjemno visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče zlahka neprekinjeno uporabljati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri.
Od majhnih in srednje velikih ultrazvočnih naprav za raziskave in razvoj ter pilotno uporabo do industrijskih sistemov za komercialno proizvodnjo silicijevega dioksida v neprekinjenem načinu ima Hielscher Ultrasonics ustrezen ultrazvočni procesor za izpolnitev vaših zahtev po vrhunski obdelavi silicijevega dioksida.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po svojih najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Kaj je silika (SiO2, silicijev dioksid)?

Silika je kemična spojina silicija in kisika s kemijsko formulo SiO2 oziroma silicijev dioksid. Obstaja veliko različnih oblik silicijevega dioksida, kot so taljeni kremen, pirogeni silicijev dioksid, silikagel in aerogeli. Silicijev dioksid je prisoten v več mineralih in kot sintetični izdelek. V naravi ga najpogosteje najdemo kot kremen in v različnih živih organizmih. Silicijev dioksid pridobivamo z rudarjenjem in čiščenjem kremena. Tri glavne oblike amorfnega silicijevega dioksida so pirogeni silicijev dioksid, oborjeni silicijev dioksid in silikagel.

Dimljeni silicijev dioksid / pirogeni silicijev dioksid

Pri zgorevanju silicijevega tetraklorida (SiCl4) v vodikovem plamenu, bogatem s kisikom, nastane dim SiO2 – pirogeni silicijev dioksid. Pirogeni silicijev dioksid nastane tudi z uparjanjem kremenovega peska v električnem obloku pri 3000 °C. Pri obeh procesih se nastale mikroskopske kapljice amorfnega silicijevega dioksida zlivajo v razvejane, verigaste, tridimenzionalne sekundarne delce. Ti sekundarni delci nato aglomerirajo v bel prah z izjemno nizko nasipno gostoto in zelo veliko površino. Velikost primarnih delcev neporoznega pirogenega silicijevega dioksida je med 5 in 50 nm. Pirogeni silicijev dioksid ima zelo močan zgoščevalni učinek. Zato se uporablja kot polnilo v silikonskih elastomerih in za prilagajanje viskoznosti barv, premazov, lepil, tiskarskih črnil ali nenasičenih poliestrskih smol. Pirogeni silicijev dioksid je mogoče obdelati tako, da postane hidrofoben ali hidrofilen za uporabo v organskih tekočinah ali vodnih sistemih. Hidrofobni silicijev dioksid je učinkovita sestavina sredstev za odstranjevanje pene (sredstev proti penjenju).
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočnem razplinjevanju in odstranjevanju pene.
Pirogeni silicijev dioksid, številka CAS 112945-52-5

Silicijev prah / mikrosilika

Silicijev prah je izjemno fin prah z nanometrsko velikostjo delcev, znan tudi kot mikrosilika. Silicijevega prahu ne smemo zamenjevati s pirogenim silicijevim dioksidom. Proizvodni proces, morfologija delcev in področja uporabe silicijevega prahu se razlikujejo od tistih pri pirogenem silicijevem dioksidu. Silicijev prah je amorfna, nekristalinična, polimorfna oblika SiO2. Sestavljen je iz sferičnih delcev s povprečnim premerom 150 nm. Najpomembnejša uporaba silicijevega prahu je kot pucolanski material za visokozmogljivi beton. Dodaja se betonu iz portlandskega cementa za izboljšanje lastnosti betona, kot so tlačna trdnost, sprijemna trdnost in odpornost proti obrabi. Poleg tega silicijev prah zmanjšuje prepustnost betona za kloridne ione. To ščiti armaturno jeklo v betonu pred korozijo.
Za več informacij o ultrazvočnem mešanju cementa in silicijevega prahu kliknite tukaj!
Silicijev prah, številka CAS: 69012-64-2, silicijev prah, številka EINECS: 273-761-1

Oborjeni silicijev dioksid

Oborjeni silicijev dioksid je bela praškasta sintetična amorfna oblika SiO2. Uporablja se kot polnilo, mehčalo ali dodatek za izboljšanje lastnosti plastike ali gume, npr. pnevmatik. Druge uporabe vključujejo čistilno, zgoščevalno ali polirno sredstvo v zobnih pastah.
Za več informacij o ultrazvočnem mešanju pri proizvodnji zobnih past kliknite tukaj!
Primarni delci pirogenega silicijevega dioksida imajo premer med 5 in 100 nm, aglomerati pa so veliki do 40 µm, pri čemer je povprečna velikost por večja od 30 nm. Tako kot pirogeni silicijev dioksid tudi oborjeni silicijev dioksid v osnovi ni mikroporozen.
Pirogeni silicijev dioksid se proizvaja z obarjanjem iz raztopine, ki vsebuje silikatne soli. Po reakciji nevtralne raztopine silikata z mineralno kislino se raztopini žveplove kisline in natrijevega silikata ob mešanju, na primer ultrazvočnem mešanju, hkrati dodajata vodi. Silicijev dioksid se obarja v kislih pogojih. Poleg dejavnikov, kot so trajanje obarjanja, hitrost dodajanja reaktantov, temperatura in koncentracija ter pH, lahko na lastnosti silicijevega dioksida vplivata tudi način in intenzivnost mešanja. Sonomehansko mešanje v ultrazvočni reaktorski komori je učinkovita metoda za doseganje dosledne in enakomerne velikosti delcev. Ultrazvočno mešanje pri povišanih temperaturah preprečuje nastanek gelne faze.
Za več informacij o ultrazvočno podprtem obarjanju nanomaterialov, kot je oborjeni silicijev dioksid, kliknite tukaj!
Oborjeni silicijev dioksid, številka CAS: 7631-86-9

Koloidni silicijev dioksid / koloid silicijevega dioksida

Koloidni silicijev dioksid je suspenzija drobnih neporoznih, amorfnih, večinoma sferičnih delcev silicijevega dioksida v tekoči fazi.
Koloidi silicijevega dioksida se najpogosteje uporabljajo kot pomožno sredstvo za odvodnjavanje pri izdelavi papirja, abraziv za poliranje silicijevih rezin, katalizator v kemičnih procesih, absorbent vlage, dodatek premazom, odpornim proti obrabi, ali površinsko aktivno sredstvo za flokulacijo, koagulacijo, dispergiranje ali stabilizacijo.
Za več informacij o koloidnem silicijevem dioksidu v polimernih premazih, odpornih proti obrabi, kliknite tukaj!

Proizvodnja koloidnega silicijevega dioksida je večstopenjski proces. Delna nevtralizacija raztopine alkalijskega silikata povzroči nastanek jeder silicijevega dioksida. Podenote delcev koloidnega silicijevega dioksida so običajno velike med 1 in 5 nm. Glede na pogoje polimerizacije se lahko te podenote med seboj povežejo. Ob znižanju pH pod 7 ali dodajanju soli se enote navadno zlivajo v verige, ki jih pogosto imenujemo silikageli. Sicer podenote ostanejo ločene in postopoma rastejo. Nastale izdelke pogosto imenujemo soli silicijevega dioksida ali oborjeni silicijev dioksid. Suspenzija koloidnega silicijevega dioksida se stabilizira s prilagoditvijo pH in nato koncentrira, npr. z izparevanjem.
Za več informacij o sonomehanskih učinkih pri sol–gel procesih kliknite tukaj!

Zdravstvena tveganja silicijevega dioksida

Suh kristalinični silikonski dioksid ali kristalinični silikonski dioksid v zraku je pljučni karcinogen za človeka, ki lahko povzroči resne pljučne bolezni, pljučnega raka ali sistemske avtoimunske bolezni. Ko vdihani prah silicijevega dioksida vstopi v pljuča, povzroča nastanek brazgotinskega tkiva in zmanjšuje sposobnost pljuč za sprejemanje kisika (silikoza). Omočenje in dispergiranje SiO2 v tekočo fazo, npr. z ultrazvočno homogenizacijo, odpravita tveganje vdihavanja. Zato je tveganje, da tekoči izdelek, ki vsebuje SiO2, povzroči silikozo, zelo majhno. Pri ravnanju s silicijevim dioksidom v obliki suhega prahu uporabljajte ustrezno osebno varovalno opremo!

Literatura

• 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.