Ultraljudsdispergering av kiseldioxid (SiO2)

Kiseldioxid, även känd som SiO2, nanokiseldioxid eller mikrokiseldioxid, används i tandkräm, cement, syntetiskt gummi, högpresterande polymerer eller i livsmedel som förtjockningsmedel, adsorbent, klumpförebyggande medel eller bärare för doft- och smakämnen. Nedan får du veta mer om användningen av nanokiseldioxid och mikrokiseldioxid och hur ultraljudets sonomekaniska effekter kan förbättra processeffektiviteten och slutproduktens prestanda genom att skapa bättre kiseldioxidsuspensioner och underlätta syntesen av kiseldioxidnanopartiklar.

Fördelar med ultraljudsdispergering av nanokiseldioxid (SiO2)

Kiseldioxid finns i många olika hydrofila och hydrofoba former och har en extremt liten partikelstorlek från några mikrometer ned till några nanometer. Vanligtvis är kiseldioxid inte väl dispergerad efter vätning. Den tillför också många mikrobubblor till produktformuleringen. Ultraljudsbehandling är en effektiv processteknik för att dispergera mikrokiseldioxid och nanokiseldioxid och avlägsna löst gas och mikrobubblor från formuleringen.

Ultraljudsdispergering är en teknik som använder högintensiva, lågfrekventa ultraljudsvågor för att dispergera och deagglomerera partiklar i ett flytande medium. Vid dispergering av kiseldioxid och nanokiseldioxid erbjuder ultraljudsdispergering flera fördelar:
 

Betydelsen av kiseldioxidens partikelstorlek

För många tillämpningar med kiseldioxid i nano- eller mikrostorlek är en god och jämn dispersion mycket viktig. Ofta krävs en monodispers kiseldioxidsuspension, t.ex. för partikelstorleksmätning. Särskilt vid användning i tryckfärger eller beläggningar och polymerer för att förbättra reptåligheten måste kiseldioxidpartiklarna vara tillräckligt små för att inte påverka det synliga ljuset, så att grumlighet undviks och transparensen bibehålls. För de flesta beläggningar måste kiseldioxidpartiklarna vara mindre än 40nm för att uppfylla detta krav. I andra tillämpningar hindrar agglomerering av kiseldioxidpartiklar varje enskild kiseldioxidpartikel från att växelverka med det omgivande mediet.
Ultraljudshomogenisatorer är effektivare för att dispergera kiseldioxid än andra blandningsmetoder med hög skjuvning, såsom roterande blandare eller tankomrörare. Bilden nedan visar ett typiskt resultat av ultraljudsdispergering av pyrogen kiseldioxid i vatten.

Ultraljudsdispergering av pyrogen kiseldioxid i vatten

Processeffektivitet vid partikelstorleksreduktion av kiseldioxid

Ultraljudsdispergering av nanokiseldioxid är överlägsen andra blandningsmetoder med hög skjuvning, såsom en IKA Ultra-Turrax. Ultraljud ger suspensioner med mindre kiseldioxidpartiklar, och ultraljudsbehandling är den mer energieffektiva tekniken. Pohl och Schubert jämförde partikelstorleksreduktionen av Aerosil 90 (2%wt) i vatten med en Ultra-Turrax (rotor-statorsystem) med den som uppnåddes med en Hielscher UIP1000hd (1kW ultraljudsapparat). Diagrammet nedan visar ultraljudsprocessens överlägsna resultat. Utifrån sin studie drog Pohl slutsatsen att ”Vid konstant specifik energi EV är ultraljud effektivare än rotor-statorsystemet.” Energieffektivitet och enhetlig partikelstorlek hos kiseldioxid är av yttersta vikt i produktionsprocesser där tillverkningskostnad, processkapacitet och produktkvalitet är avgörande.

Ultraljud jämfört med Ultra-turrax för dispergering av kiseldioxid

Bilderna nedan visar de resultat som Pohl erhöll genom ultraljudsbehandling av sprayfrystorkade kiseldioxidgranulat.

Vänster: REM-bilder av sprayfrysta kiseldioxidgranulat före deagglomerering med ultraljud
Höger: TEM-bilder av kiseldioxidfragment dispergerade med ultraljud
Studie och bilder: Pohl och Schubert, 2004)

Högpresterande ultraljudsdispergerare för högkvalitativa kiseldioxidformuleringar

Hielscher Ultrasonics är ett tyskt familjeägt företag som är specialiserat på utveckling, tillverkning och leverans av högpresterande ultraljudshomogenisatorer för behandling av vätskor, suspensioner med fasta partiklar och pastor. Hielschers ultraljudshomogenisatorer bearbetar tillförlitligt kiseldioxidslam och andra nanosuspensioner för att uppnå alla önskade specifikationer. Även produktformuleringar som är mycket känsliga, abrasiva eller mycket viskösa kan effektivt dispergeras och deagglomereras med ultraljudsbehandling. Våra avancerade ultraljudsapparater är extremt mångsidiga och erbjuder sofistikerade möjligheter till satsvis behandling och inlinebehandling. Tillförlitligt höga kvalitetsstandarder och reproducerbara resultat är centrala egenskaper hos ultraljudsdispergering av kiseldioxid.
Hielschers toppmoderna ultraljudsapparater för industriellt bruk har en smart och användarvänlig meny, programmerbara inställningar, automatisk dataloggning på ett integrerat SD-kort, fjärrstyrning via webbläsare och hög robusthet.
Amplituden är den parameter som har störst inverkan vid ultraljudsbehandling. Amplitud avser den maximala förskjutningen eller rörelsen från topp till topp hos en ultraljudsvåg. Vid ultraljudsdispergering, deagglomerering och våtmalning krävs ofta höga amplituder för att tillföra tillräckligt med energi för partikelstorleksreduktion. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera exceptionellt höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.
Från små och medelstora ultraljudsapparater för forskning och utveckling samt pilotförsök till industriella system för kommersiell tillverkning av kiseldioxid i kontinuerlig drift har Hielscher Ultrasonics rätt ultraljudsprocessor för att uppfylla era krav på överlägsen bearbetning av kiseldioxid.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integration av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med toppmodern teknik och användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater uppfyller naturligtvis CE-kraven samt kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Vad är kiseldioxid (SiO2, kiseldioxid)?

Kiseldioxid är en kemisk förening som består av kisel och syre med den kemiska formeln SiO2. Det finns många olika former av kiseldioxid, såsom smält kvarts, pyrogen kiseldioxid, kiselgel och aerogeler. Kiseldioxid förekommer som en förening i flera mineral och som en syntetisk produkt. I naturen förekommer kiseldioxid oftast som kvarts och i olika levande organismer. Kiseldioxid utvinns genom brytning och rening av kvarts. De tre huvudsakliga formerna av amorf kiseldioxid är pyrogen kiseldioxid, utfälld kiseldioxid och kiselgel.

Pyrogen kiseldioxid / flamsyntetiserad kiseldioxid

Förbränning av kiseltetraklorid (SiCl4) i en syrerik vätgaslåga ger en rök av SiO2 – pyrogen kiseldioxid. Alternativt framställs pyrogen kiseldioxid också genom förångning av kvartssand i en elektrisk ljusbåge vid 3000 °C. I båda processerna smälter de resulterande mikroskopiska dropparna av amorf kiseldioxid samman till förgrenade, kedjeliknande, tredimensionella sekundärpartiklar. Dessa sekundärpartiklar agglomererar sedan till ett vitt pulver med extremt låg skrymdensitet och mycket stor specifik yta. Primärpartikelstorleken hos den icke-porösa pyrogena kiseldioxiden ligger mellan 5 och 50 nm. Pyrogen kiseldioxid har en mycket stark förtjockande effekt. Därför används pyrogen kiseldioxid som fyllmedel i silikonelastomerer och för viskositetsjustering i färger, beläggningar, lim, tryckfärger eller omättade polyesterhartser. Pyrogen kiseldioxid kan behandlas för att göra den hydrofob eller hydrofil för tillämpningar i antingen organiska vätskor eller vattenbaserade system. Hydrofob kiseldioxid är en effektiv komponent i skumdämpare (skumdämpningsmedel).
Klicka här för att läsa om avgasning och skumdämpning med ultraljud.
Pyrogen kiseldioxid CAS-nummer 112945-52-5

Silikastoft / Mikrosilika

Silikastoft är ett ultrafint pulver med partiklar i nanostorlek som även kallas mikrosilika. Silikastoft ska inte förväxlas med pyrogen kiseldioxid. Produktionsprocessen, partikelmorfologin och användningsområdena för silikastoft skiljer sig alla från dem för pyrogen kiseldioxid. Silikastoft är en amorf, icke-kristallin, polymorf form av SiO2. Silikastoft består av sfäriska partiklar med en genomsnittlig partikeldiameter på 150 nm. Det mest framträdande användningsområdet för silikastoft är som puzzolanmaterial för högpresterande betong. Det tillsätts i betong med portlandcement för att förbättra betongens egenskaper, såsom tryckhållfasthet, vidhäftningshållfasthet och nötningsbeständighet. Dessutom minskar silikastoft betongens genomsläpplighet för kloridjoner. Detta skyddar betongens armeringsstål mot korrosion.
Klicka här för att läsa mer om blandning av cement och silikastoft med ultraljud!
Silikastoft CAS-nummer: 69012-64-2, Silikastoft EINECS-nummer: 273-761-1

Utfälld kiseldioxid

Utfälld kiseldioxid är en vit, pulverformig, syntetisk, amorf form av SiO2. Utfälld kiseldioxid används som fyllmedel, mjukgörare eller för att förbättra egenskaperna hos plast eller gummi, t.ex. däck. Andra användningsområden är som rengöringsmedel, förtjockningsmedel eller polermedel i tandkräm.
Klicka här för att läsa mer om blandning med ultraljud vid tandkrämstillverkning!
Primärpartiklar av pyrogen kiseldioxid har en diameter på mellan 5 och 100 nm, medan agglomeratstorleken är upp till 40 µm och den genomsnittliga porstorleken är större än 30 nm. Liksom pyrogen kiseldioxid är utfälld kiseldioxid i huvudsak inte mikroporös.
Pyrogen kiseldioxid framställs genom utfällning ur en lösning som innehåller silikatsalter. Efter en reaktion mellan en neutral silikatlösning och en mineralsyra tillsätts lösningar av svavelsyra och natriumsilikat samtidigt till vatten under omrörning, exempelvis med ultraljud. Kiseldioxid fälls ut under sura förhållanden. Förutom faktorer såsom utfällningens varaktighet, reaktanternas tillsatshastighet, temperatur och koncentration samt pH kan omrörningens metod och intensitet påverka kiseldioxidens egenskaper. Sonomekanisk omrörning i en ultraljudsreaktorkammare är en effektiv metod för att åstadkomma en konsekvent och enhetlig partikelstorlek. Omrörning med ultraljud vid förhöjda temperaturer förhindrar att en gelfas bildas.
Klicka här för mer information om ultraljudsassisterad utfällning av nanomaterial, såsom utfälld kiseldioxid!
Utfälld kiseldioxid CAS-nummer: 7631-86-9

Kolloidal kiseldioxid / Kiseldioxidkolloid

Kolloidal kiseldioxid är en suspension av fina, icke-porösa, amorfa, mestadels sfäriska kiseldioxidpartiklar i en vätskefas.
De vanligaste användningsområdena för kiseldioxidkolloider är som avvattningshjälpmedel vid papperstillverkning, slipmedel för polering av kiselskivor, katalysator i kemiska processer, fuktabsorbent, tillsats i nötningsbeständiga beläggningar eller ytaktivt ämne för flockning, koagulering, dispergering eller stabilisering.
Klicka här för att läsa mer om kolloidal kiseldioxid i nötningsbeständiga polymerbeläggningar!

Framställningen av kolloidal kiseldioxid är en process i flera steg. Partiell neutralisering av en alkalisilikatlösning leder till att kiseldioxidkärnor bildas. De kolloidala kiseldioxidpartiklarnas underenheter ligger vanligtvis i storleksintervallet mellan 1 och 5 nm. Beroende på polymerisationsbetingelserna kan dessa underenheter sammanfogas. När pH sänks till under 7 eller salt tillsätts tenderar enheterna att smälta samman till kedjor, som ofta kallas kiseldioxidgeler. I annat fall förblir underenheterna separerade och växer gradvis. De resulterande produkterna kallas ofta kiseldioxidsoler eller utfälld kiseldioxid. En kolloidal kiseldioxidsuspension stabiliseras genom pH-justering och koncentreras sedan, t.ex. genom avdunstning.
Klicka här för att läsa mer om sonomekaniska effekter i sol–gel-processer!

Hälsorisker med kiseldioxid

Torr eller luftburen kristallin kiseldioxid är cancerframkallande för människans lungor och kan orsaka allvarlig lungsjukdom, lungcancer eller systemiska autoimmuna sjukdomar. När kiseldioxiddamm inandas och kommer in i lungorna orsakar det ärrvävnadsbildning och minskar lungornas förmåga att ta upp syre (silikos). Vätning och dispergering av SiO2 i en vätskefas, t.ex. genom ultraljudshomogenisering, eliminerar risken för inandning. Därför är risken att en flytande produkt som innehåller SiO2 orsakar silikos mycket låg. Använd lämplig personlig skyddsutrustning vid hantering av kiseldioxid i torr pulverform!

Litteratur

• 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.