Ултразвучно дисперговање силицијум-диоксида (SiO2)

Силицијум-диоксид, познат и као SiO2, наносилицијум-диоксид или микросилицијум-диоксид, користи се у пастама за зубе, цементу, синтетичкој гуми, полимерима високих перформанси или прехрамбеним производима као згушњивач, адсорбенс, средство против згрудњавања или носач мириса и арома. У наставку ћете сазнати више о примени наносилицијум-диоксида и микросилицијум-диоксида и о томе како сономеханички ефекти ултразвука могу побољшати ефикасност процеса и својства крајњег производа стварањем бољих суспензија силицијум-диоксида и олакшавањем синтезе наночестица силицијум-диоксида.

Предности ултразвучног дисперговања наносилицијум-диоксида (SiO2)

Силицијум-диоксид је доступан у широком распону хидрофилних и хидрофобних облика и има изузетно ситне честице, величине од неколико микрометара до свега неколико нанометара. Силицијум-диоксид обично није добро диспергован након квашења. Такође уноси много микромехурића у формулацију производа. Ултразвучна обрада је ефикасна процесна технологија за дисперговање микросилицијум-диоксида и наносилицијум-диоксида и уклањање раствореног гаса и микромехурића из формулације.

Ултразвучно дисперговање је техника која користи ултразвучне таласе високог интензитета и ниске фреквенције за дисперговање и деагломерацију честица у течној средини. Када је реч о дисперговању силицијум-диоксида и наносилицијум-диоксида, ултразвучно дисперговање нуди неколико предности:
 

Значај величине честица силицијум-диоксида

За многе примене силицијум-диоксида нанометарских или микрометарских величина веома је важно добро и равномерно дисперговање. Често је потребна монодисперзна суспензија силицијум-диоксида, нпр. за мерење величине честица. Посебно при употреби у мастилима или премазима и полимерима ради побољшања отпорности на гребање, честице силицијум-диоксида морају бити довољно мале да не ометају видљиву светлост, како би се избегло замућење и очувала провидност. Код већине премаза честице силицијум-диоксида морају бити мање од 40nm да би се испунио овај захтев. У другим применама, агломерација честица силицијум-диоксида отежава интеракцију сваке појединачне честице са околним медијумом.
Ултразвучни хомогенизатори су ефикаснији у дисперговању силицијум-диоксида од других метода мешања са високим смицањем, као што су ротационе мешалице или мешалице у резервоарима. Слика испод приказује типичан резултат ултразвучног дисперговања пирогеног силицијум-диоксида у води.

Ултразвучно дисперговање пирогеног силицијум-диоксида у води

Ефикасност процеса смањења величине честица силицијум-диоксида

Ултразвучно дисперговање наносилицијум-диоксида надмашује друге методе мешања са високим смицањем, као што је употреба уређаја IKA Ultra-Turrax. Ултразвуком се добијају суспензије са мањим честицама силицијум-диоксида, а ултразвучна обрада је енергетски ефикаснија технологија. Pohl и Schubert су упоредили смањење величине честица Aerosil 90 (2%wt) у води помоћу уређаја Ultra-Turrax (систем ротор–статор) са смањењем постигнутим помоћу уређаја Hielscher UIP1000hd (ултразвучни уређај од 1kW). Графикон испод приказује боље резултате ултразвучног процеса. На основу своје студије, Pohl је закључио да је „при константној специфичној енергији EV ултразвук ефикаснији од система ротор–статор.“ Енергетска ефикасност и уједначеност величине честица силицијум-диоксида од највећег су значаја у производним процесима у којима су важни трошкови производње, капацитет процеса и квалитет производа.

Ултразвук у поређењу са уређајем Ultra-turrax за дисперговање силицијум-диоксида

Слике испод приказују резултате које је Pohl добио ултразвучном обрадом гранула силицијум-диоксида добијених распршивањем и лиофилизацијом.

Лево: REM снимци гранула силицијум-диоксида добијених распршивањем и замрзавањем пре ултразвучне деагломерације
Десно: TEM снимци ултразвучно диспергованих фрагмената силицијум-диоксида
Студија и слике: Pohl и Schubert, 2004)

Ултразвучни диспергатори високих перформанси за висококвалитетне формулације са силицијум-диоксидом

Hielscher Ultrasonics је немачка породична компанија специјализована за развој, производњу и испоруку ултразвучних хомогенизатора високих перформанси за обраду течности, суспензија са чврстим честицама и паста. Hielscher ултразвучни хомогенизатори поуздано обрађују суспензије силицијум-диоксида и друге наносуспензије како би се постигла било која жељена спецификација. Чак и формулације производа које су веома осетљиве, абразивне или веома вискозне могу се ефикасно дисперговати и деагломерисати ултразвучном обрадом. Наши напредни ултразвучни уређаји изузетно су свестрани и нуде софистициране могућности шаржне и проточне обраде. Поуздано високи стандарди квалитета и поновљиви резултати кључне су одлике ултразвучног дисперговања силицијум-диоксида.
Hielscher ултразвучни уређаји за индустријску примену, засновани на најсавременијој технологији, имају интелигентан мени једноставан за коришћење, програмабилна подешавања, аутоматско бележење података на уграђену SD картицу, даљинско управљање преко прегледача и високу робусност.
Амплитуда је најутицајнији параметар у ултразвучној обради. Амплитуда означава максимални померај или кретање ултразвучног таласа од врха до врха. За ултразвучно дисперговање, деагломерацију и мокро млевење често су потребне високе амплитуде како би се применила довољна енергија за смањење величине честица. Hielscher индустријски ултразвучни процесори могу да остваре изузетно високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене према посебним захтевима.
Од малих и средњих ултразвучних уређаја за истраживање и развој и пилот-примену до индустријских система за комерцијалну производњу силицијум-диоксида у непрекидном режиму, Hielscher Ultrasonics има одговарајући ултразвучни процесор који испуњава ваше захтеве за врхунску обраду силицијум-диоксида.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји познати су по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако подносе тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Шта је силика (SiO2, силицијум-диоксид)?

Силика је хемијско једињење састављено од силицијума и кисеоника, са хемијском формулом SiO2, односно силицијум-диоксид. Постоји много различитих облика силицијум-диоксида, као што су топљени кварц, пирогени силицијум-диоксид, силика-гел и аерогелови. Силицијум-диоксид постоји као једињење у саставу више минерала и као синтетички производ. У природи се најчешће налази у облику кварца и у различитим живим организмима. Силицијум-диоксид се добија ископавањем и пречишћавањем кварца. Три главна облика аморфног силицијум-диоксида су пирогени силицијум-диоксид, преципитовани силицијум-диоксид и силика-гел.

Пирогени силицијум-диоксид / Пирогени силицијум-диоксид

Сагоревањем силицијум-тетрахлорида (SiCl4) у водоничном пламену богатом кисеоником настаје дим SiO2 – пирогени силицијум-диоксид. Алтернативно, испаравањем кварцног песка у електричном луку на 3000 °C такође се добија пирогени силицијум-диоксид. У оба поступка, настале микроскопске капљице аморфног силицијум-диоксида стапају се у разгранате, ланчасте, тродимензионалне секундарне честице. Ове секундарне честице се затим агломеришу у бели прах изузетно мале насипне густине и веома велике површине. Величина примарних честица непорозног пирогеног силицијум-диоксида износи између 5 и 50 nm. Пирогени силицијум-диоксид има веома снажно дејство згушњавања. Зато се користи као пунило у силиконским еластомерима и за подешавање вискозности боја, премаза, лепкова, штампарских боја или незасићених полиестарских смола. Пирогени силицијум-диоксид може се обрадити тако да постане хидрофобан или хидрофилан, за примену у органским течностима или воденим срединама. Хидрофобни силицијум-диоксид је ефикасна компонента средстава за уклањање пене (средство против пенушања).
Кликните овде да прочитате више о ултразвучном отплињавању и уклањању пене.
CAS број пирогеног силицијум-диоксида 112945-52-5

Силикатна прашина / Микросилика

Силикатна прашина је ултрафини прах нанометарске величине, познат и као микросилика. Силикатну прашину не треба мешати са пирогеним силицијум-диоксидом. Поступак производње, морфологија честица и области примене силикатне прашине разликују се од оних код пирогеног силицијум-диоксида. Силикатна прашина је аморфни, некристални, полиморфни облик SiO2. Силикатна прашина се састоји од сферних честица просечног пречника 150 nm. Њена најзначајнија примена је као пуцолански материјал за бетон високих перформанси. Додаје се бетону на бази портланд цемента ради побољшања својстава бетона, као што су чврстоћа при притиску, чврстоћа приањања и отпорност на абразију. Осим тога, силикатна прашина смањује пропустљивост бетона за хлоридне јоне. Тиме се челична арматура у бетону штити од корозије.
Да бисте сазнали више о ултразвучном мешању цемента и силикатне прашине, кликните овде!
CAS број силикатне прашине: 69012-64-2, EINECS број силикатне прашине: 273-761-1

Таложени силицијум-диоксид

Таложени силицијум-диоксид је бели прашкасти синтетички аморфни облик SiO2. Таложени силицијум-диоксид користи се као пунило, омекшивач или додатак за побољшање перформанси пластике или гуме, нпр. пнеуматика. Друге примене обухватају употребу као средства за чишћење, згушњавање или полирање у пастама за зубе.
Да бисте сазнали више о ултразвучном мешању у производњи пасте за зубе, кликните овде!
Примарне честице пирогеног силицијум-диоксида имају пречник између 5 и 100 nm, док величина агломерата износи до 40 µm, а просечна величина пора је већа од 30 nm. Као и пирогени силицијум-диоксид, таложени силицијум-диоксид у суштини није микропорозан.
Пирогени силицијум-диоксид производи се таложењем из раствора који садржи силикатне соли. Након реакције неутралног раствора силиката са минералном киселином, раствори сумпорне киселине и натријум-силиката истовремено се додају у воду уз мешање, на пример ултразвучно мешање. Силицијум-диоксид се таложи у киселим условима. Поред фактора као што су трајање таложења, брзина додавања реактаната, температура и концентрација, као и pH, начин и интензитет мешања могу мењати својства силицијум-диоксида. Сономеханичко мешање у комори ултразвучног реактора ефикасан је метод за постизање доследне и уједначене величине честица. Ултразвучним мешањем на повишеним температурама избегава се формирање гел-фазе.
За више информација о ултразвучно потпомогнутом таложењу наноматеријала, као што је таложени силицијум-диоксид, кликните овде!
CAS број таложеног силицијум-диоксида: 7631-86-9

Колоидни силицијум-диоксид / Колоид силицијум-диоксида

Колоидни силицијум-диоксид је суспензија финих непорозних, аморфних, углавном сферних честица силицијум-диоксида у течној фази.
Колоиди силицијум-диоксида најчешће се користе као помоћно средство за одводњавање у производњи папира, абразив за полирање силицијумских плочица, катализатор у хемијским процесима, апсорбент влаге, додатак премазима отпорним на абразију или површински активно средство за флокулацију, коагулацију, дисперговање или стабилизацију.
Да бисте сазнали више о колоидном силицијум-диоксиду у полимерним премазима отпорним на абразију, кликните овде!

Производња колоидног силицијум-диоксида је вишестепени процес. Делимична неутрализација раствора алкалног силиката доводи до формирања језгара силицијум-диоксида. Подјединице колоидних честица силицијум-диоксида обично су величине између 1 и 5 nm. У зависности од услова полимеризације, ове подјединице могу да се међусобно повежу. Снижавањем pH испод 7 или додавањем соли, подјединице показују тенденцију спајања у ланце, који се често називају силика-геловима. У супротном, подјединице остају раздвојене и постепено расту. Добијени производи често се називају соловима силицијум-диоксида или таложеним силицијум-диоксидом. Суспензија колоидног силицијум-диоксида стабилизује се подешавањем pH, а затим концентрује, нпр. испаравањем.
Да бисте сазнали више о сономеханичким ефектима у сол-гел процесима, кликните овде!

Здравствени ризик од силицијум-диоксида

Кристални силицијум-диоксид у сувом облику или у ваздуху је канцероген за људска плућа који може изазвати озбиљна обољења плућа, рак плућа или системске аутоимуне болести. Када се прашина силицијум-диоксида удахне и доспе у плућа, она изазива стварање ожиљног ткива и смањује способност плућа да усвајају кисеоник (силикоза). Квашење и дисперговање SiO2 у течну фазу, нпр. ултразвучном хомогенизацијом, елиминише ризик од удисања. Зато је ризик да течни производ који садржи SiO2 изазове силикозу веома низак. Користите одговарајућу личну заштитну опрему при руковању силицијум-диоксидом у облику сувог праха!

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.