Ultraljudsdispersion av kiseldioxid (SiO2)

Kiseldioxid, även känd som SiO2, nano-kiseldioxid eller mikrokiseldioxid används i tandkräm, cement, syntetiskt gummi, högpresterande polymer eller i livsmedelsprodukter som förtjockningsmedel, adsorbent, klumpförebyggande medel eller bärare för dofter och smaker. Nedan kommer du att lära dig mer om användningen av nanokiseldioxid och mikrokiseldioxid och hur de sonomekaniska effekterna av ultraljud kan förbättra processeffektiviteten och slutproduktens prestanda genom att göra bättre kiseldioxidsuspensioner och underlätta syntesen av kiseldioxidnanopartiklar.

Fördelar med ultraljudsdispersion av nanokiseldioxid (SiO2)

Kiseldioxid finns i ett brett spektrum av hydrofila och hydrofoba former och har en extremt fin partikelstorlek på några mikrometer ner till några nanometer. Vanligtvis sprids kiseldioxid inte väl efter vätning. Det tillför också en hel del mikrobubblor till produktformuleringen. Ultraljud är en effektiv processteknik för att dispergera mikro-kiseldioxid och nano-kiseldioxid och avlägsna upplöst gas och mikrobubblor från formuleringen.

Ultraljudsdispersion är en teknik som använder högintensiva, lågfrekventa ultraljudsvågor för att dispergera och deagglomerera partiklar i ett flytande medium. När det gäller dispersion av kiseldioxid och nano-kiseldioxid erbjuder ultraljudsdispersion flera fördelar:
 

Betydelsen av partikelstorleken av kiseldioxid

För många tillämpningar av kiseldioxid i nano- eller mikrostorlek är en bra och jämn dispersion mycket viktig. Ofta krävs en monodispersiv kiseldioxidsuspension, t.ex. för mätning av partikelstorlek. I synnerhet för användning i bläck eller beläggningar och polymerer för att förbättra reptåligheten, måste kiseldioxidpartiklarna vara tillräckligt små för att inte störa det synliga ljuset för att undvika dis och bibehålla transparens. För de flesta beläggningar måste kiseldioxidpartiklar vara mindre än 40 nm för att uppfylla detta krav. För andra tillämpningar hindrar agglomeration av kiseldioxidpartiklar varje enskild kiseldioxidpartikel från att interagera med de omgivande medierna.
Ultraljudshomogenisatorer är mer effektiva i den dispergerande kiseldioxiden än andra blandningsmetoder med hög skjuvning, såsom roterande blandare eller tankomrörare. Bilden nedan visar ett typiskt resultat av ultraljudsdispersion av rökt kiseldioxid i vatten.

Ultraljudsdispersion av rökt kiseldioxid i vatten

Bearbetningseffektivitet vid minskning av kiseldioxidstorlek

Ultraljudsdispersion av nano-kiseldioxid är överlägsen andra blandningsmetoder med hög skjuvning, till exempel en IKA Ultra-Turrax. Ultraljud producerar suspensioner av en mindre kiseldioxidpartikelstorlek och ultraljud är den mer energieffektiva tekniken. Pohl och Schubert jämförde partikelstorleksreduktionen av Aerosil 90 (2% wt) i vatten med hjälp av en Ultra-Turrax (rotor-stator-system) med den för en Hielscher UIP1000hd (1kW ultraljudsenhet). Bilden nedan visar de överlägsna resultaten av ultraljudsprocessen. Som ett resultat av sin studie drog Pohl slutsatsen att "Vid konstant specifik energi är EV-ultraljud mer effektivt än rotor-stator-systemet." Energieffektivitet och likformighet i kiseldioxidpartikelstorleken är av yttersta vikt i produktionsprocesser, där tillverkningskostnad, processkapacitet och produktkvalitet spelar roll.

Ultraljud vs. Ultra-turrax för kiseldioxiddispersion

Bilderna nedan visar de resultat som Pohl erhöll genom att sonikera spray, frystorkade kiseldioxidgranulat.

Vänster: REM-bilder på sprayfrysning av kiseldioxidgranulat före ultraljudsdeagglomeration
Till höger: TEM-bilder av ultraljudsdispergerade kiseldioxidfragment
Studie och bilder: Pohl och Schubert, 2004)

Högpresterande ultraljudsdispergeringsmedel för högkvalitativa kiseldioxidformuleringar

Hielscher Ultrasonics är ett tyskt familjeägt företag som specialiserat sig på utveckling, tillverkning och leverans av högpresterande ultraljudshomogenisatorer för behandling av vätskor, fasta suspensioner och pastor. Hielscher ultraljudshomogenisatorer bearbetar på ett tillförlitligt sätt kiseldioxidslam och andra nano-supensions för att uppnå alla önskade specifikationer. Även produktformuleringar som är mycket känsliga, slipande eller mycket viskösa kan effektivt dispergeras och deagglomerering med hjälp av ultraljud. Våra avancerade ultraljudsapparater är extremt mångsidiga och erbjuder sofistikerade batch- och inline-behandlingsmöjligheter. Tillförlitligt höga kvalitetsstandarder och reproducerbara resultat är viktiga egenskaper hos ultraljud kiseldioxiddispersion.
Hielscher state-of-the-art industriella ultraljudsapparater har en smart och användarvänlig meny, programmerbara inställningar, automatisk dataprotokollering på ett integrerat SD-kort, webbläsarens fjärrkontroll och hög robusthet.
Amplituden är den mest inflytelserika parametern när det gäller ultraljudsbearbetning. Amplitud hänvisar till den maximala förskjutningen eller topp-till-topp-rörelsen för en ultraljudsvåg. För ultraljudsdispersion, deagglomeration och våtmalning krävs ofta höga amplituder för att applicera tillräckligt med energi för att minska partikelstorleken. Hielscher industriella ultraljudsprocessorer kan leverera exceptionellt höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
Från små och medelstora R&D och pilot ultraljudsapparater till industriella system för kommersiell kiseldioxidtillverkning i kontinuerligt läge, Hielscher Ultrasonics har rätt ultraljudsprocessor för att täcka dina krav på överlägsen kiseldioxidbearbetning.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Vad är kiseldioxid (SiO2, kiseldioxid)?

Kiseldioxid är en kemisk förening som består av kisel och syre med den kemiska formeln SiO2, eller kiseldioxid. Det finns många olika former av kiseldioxid, såsom smält kvarts, rökt kiseldioxid, kiselgel och aerogeler. Kiseldioxid finns som en sammansättning av flera mineraler och som syntetisk produkt. Kiseldioxid finns oftast i naturen som kvarts och i olika levande organismer. Kiseldioxid erhålls genom brytning och rening av kvarts. De tre huvudformerna av amorf kiseldioxid är pyrogen kiseldioxid, utfälld kiseldioxid och kiselgel.

Rökt kiseldioxid / pyrogen kiseldioxid

Förbränning av kiseltetraklorid (SiCl4) i en syrerik vätelåga producerar en rök av SiO2 – rökt kiseldioxid. Alternativt kan man förånga kvartssand i en 3000 °C elektrisk ljusbåge för att producera rökt kiseldioxid. I båda processerna smälter de resulterande mikroskopiska dropparna av amorf kiseldioxid samman till grenade, kedjeliknande, tredimensionella sekundära partiklar. Dessa sekundära partiklar agglomererar sedan till ett vitt pulver med extremt låg bulkdensitet och mycket stor yta. Den primära partikelstorleken för den icke-porösa rökta kiseldioxiden är mellan 5 och 50 nm. Rökt kiseldioxid har en mycket stark förtjockande effekt. Därför används rökt kiseldioxid som fyllmedel i silikonelastomer och viskositetsjustering i färger, beläggningar, lim, tryckfärger eller omättade polyesterhartser. Fumed kiseldioxid kan behandlas för att göra den hydrofob eller hydrofil för antingen organiska, flytande eller vattenhaltiga applikationer. Hydrofob kiseldioxid är en effektiv skumdämparkomponent (skumdämpningsmedel).
Klicka här för att läsa om ultraljudsavgasning och skumdämpning.
Fumed Silica CAS-nummer 112945-52-5

Kiseldioxid rök / Mikrokiseldioxid

Kiseldioxidrök är ett ultrafint pulver i nanostorlek, även känt som mikrokiseldioxid. Kiseldioxidrök ska inte förväxlas med rökt kiseldioxid. Produktionsprocessen, partikelmorfologin och användningsområdena för kiseldioxidrök skiljer sig alla från dem för rökt kiseldioxid. Kiseldioxidrök är en amorf, icke-kristallin, polymorf form av SiO2. Kiseldioxidrök består av sfäriska partiklar med en genomsnittlig partikeldiameter på 150 nm. Den mest framträdande användningen av kiseldioxidrök är som puzzolanmaterial för högpresterande betong. Det tillsätts till Portlandcementbetong för att förbättra betongens egenskaper, såsom tryckhållfasthet, bindningsstyrka och nötningsbeständighet. Utöver det minskar kiseldioxidrök betongens permeabilitet för kloridjoner. Detta skyddar armeringsstålet i betong från korrosion.
För att lära dig mer om ultraljudsblandning av cement och kiseldioxidrök, klicka här!
CAS-nummer för kiseldioxidrök: 69012-64-2, EINECS-nummer för kiseldioxidrök: 273-761-1

Utfälld kiseldioxid

Utfälld kiseldioxid är en vit pulverformig syntetisk amorf form av SiO2. Utfälld kiseldioxid används som fyllmedel, mjukgörare eller prestandaförbättring i plast eller gummi, t.ex. däck. Andra användningsområden är rengöring, förtjockning eller polermedel i tandkräm.
För att lära dig mer om ultraljudsblandningen vid tandkrämstillverkning, klicka här!
Primära partiklar av rökt kiseldioxid har en diameter på mellan 5 och 100 nm, medan agglomeratstorleken är upp till 40 μm med en genomsnittlig porstorlek som är större än 30 nm. Liksom pyrogen kiseldioxid är utfälld kiseldioxid i huvudsak inte mikroporös.
Fumed kiseldioxid produceras genom utfällning från en lösning som innehåller silikatsalter. Efter en reaktion mellan en neutral silikatlösning och en mineralsyra tillsätts svavelsyra- och natriumsilikatlösningar samtidigt med omrörning, såsom ultraljudsomrörning, till vatten. Kiseldioxid fälls ut under sura förhållanden. Förutom faktorer, såsom nederbördens varaktighet, tillsatshastigheten av reaktanter, temperatur och koncentration samt pH, kan metoden och intensiteten av omrörning variera kiseldioxidens egenskaper. Sonomekanisk omrörning i en ultraljudsreaktorkammare är en effektiv metod för att producera en konsekvent och enhetlig partikelstorlek. Ultraljudsomrörning vid förhöjda temperaturer undviker bildandet av ett gelsteg.
För mer information om ultraljudsassisterad utfällning av nanomaterial, såsom utfälld kiseldioxid, klicka här!
CAS-nummer för utfälld kiseldioxid: 7631-86-9

Kolloidal kiseldioxid / Kiseldioxid kolloid

Kolloidal kiseldioxid är en suspension av fina icke-porösa, amorfa, mestadels sfäriska kiseldioxidpartiklar i en flytande fas.
De vanligaste användningsområdena för kiseldioxidkolloider är som dräneringshjälp vid papperstillverkning, slipmedel för polering av kiselskivor, katalysator i kemiska processer, fuktabsorberande, tillsats till nötningsbeständiga beläggningar eller ytaktivt medel för flockning, koagulering, dispergering eller stabilisering.
För att lära dig mer om kolloidal kiseldioxid i nötningsbeständiga polymerbeläggningar, klicka här!

Produktionen av kolloidal kiseldioxid är en process i flera steg. Partiell neutralisering av en alkali-silikatlösning leder till bildning av kiseldioxidkärnor. Underenheterna av kolloidala kiseldioxidpartiklar ligger vanligtvis i intervallet mellan 1 och 5 nm. Beroende på polymerisationsförhållandena kan dessa underenheter sammanfogas. Genom att sänka pH-värdet under 7 eller genom tillsats av salt tenderar enheterna att smälta samman i kedjor, som ofta kallas kiselgeler. Annars förblir underenheterna separerade och växer gradvis. De resulterande produkterna kallas ofta kiseldioxidsolar eller utfälld kiseldioxid. En kolloidal kvartssuspension stabiliseras genom pH-justering och koncentreras sedan, t.ex. genom avdunstning.
För att lära dig mer om sonomekaniska effekter i sol-gel-processer, klicka här!

Hälsorisk för kiseldioxid

Torr eller luftburen kristallin silikondioxid är cancerframkallande för människor lungor som kan orsaka allvarliga lungsjukdomar, lungcancer eller systemiska autoimmuna sjukdomar. När kvartsdamm andas in och kommer in i lungorna bildas ärrvävnad och lungans förmåga att ta upp syre (silikos). Vätning och dispergering av SiO2 till en flytande fas, t.ex. genom ultraljudshomogenisering, eliminerar risken för inandning. Därför är risken för att en flytande produkt som innehåller SiO2 ska orsaka silikos mycket låg. Använd lämplig personlig skyddsutrustning när du hanterar kiseldioxid i torr pulverform!

Litteratur