Silikanın (SiO2) Ultrasonik Dispersiyonu

SiO2, nanosilika veya mikrosilika olarak da bilinen silika; diş macunu, çimento, sentetik kauçuk, yüksek performanslı polimer veya gıda ürünlerinde kıvam artırıcı, adsorban, topaklanmayı önleyici madde ya da koku ve aroma taşıyıcısı olarak kullanılır. Aşağıda nanosilika ve mikrosilikanın kullanım alanları ve ultrasonun sonomekanik etkilerinin daha iyi silika süspansiyonları oluşturarak ve silika nanoparçacıklarının sentezini kolaylaştırarak proses verimliliğini ve nihai ürün performansını nasıl artırabileceği hakkında daha fazla bilgi edineceksiniz.

Nanosilikanın (SiO2) Ultrasonik Dispersiyonunun Avantajları

Silika, çok çeşitli hidrofilik ve hidrofobik formlarda bulunur ve birkaç mikrometreden birkaç nanometreye kadar uzanan son derece küçük parçacık boyutlarına sahiptir. Silika, ıslatıldıktan sonra genellikle iyi disperse olmaz. Ayrıca ürün formülasyonuna çok sayıda mikro kabarcık katar. Ultrasonikasyon, mikrosilika ve nanosilikayı disperse etmek ve formülasyondan çözünmüş gazı ve mikro kabarcıkları uzaklaştırmak için etkili bir proses teknolojisidir.

Ultrasonik dispersiyon, sıvı bir ortamda parçacıkları disperse etmek ve deaglomerasyonlarını sağlamak için yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason dalgalarını kullanan bir tekniktir. Silika ve nanosilikanın dispersiyonunda ultrasonik dispersiyon çeşitli avantajlar sunar:
 

Silikanın Parçacık Boyutunun Önemi

Nano veya mikro boyutlu silikanın birçok uygulamasında iyi ve eşit bir dispersiyon çok önemlidir. Örneğin parçacık boyutu ölçümü için çoğu zaman monodispers bir silika süspansiyonu gerekir. Özellikle çizilme direncini artırmak amacıyla mürekkeplerde veya kaplamalarda ve polimerlerde kullanım için silika parçacıklarının, puslanmayı önlemek ve şeffaflığı korumak üzere görünür ışıkla etkileşmeyecek kadar küçük olması gerekir. Çoğu kaplamada bu gereksinimi karşılamak için silika parçacıkları 40nm’den küçük olmalıdır. Diğer uygulamalarda silika parçacıklarının aglomerasyonu, her bir silika parçacığının çevresindeki ortamla etkileşmesini engeller.
Ultrasonik homojenizatörler, silikanın dispersiyonunda döner karıştırıcılar veya tank karıştırıcıları gibi diğer yüksek kesmeli karıştırma yöntemlerinden daha etkilidir. Aşağıdaki resim, füme silikanın suda ultrasonik dispersiyonunun tipik bir sonucunu göstermektedir.

Füme Silikanın Suda Ultrasonik Dispersiyonu

Silikanın Boyutunun Küçültülmesinde Proses Verimliliği

Nanosilikanın ultrasonik dispersiyonu, IKA Ultra-Turrax gibi diğer yüksek kesmeli karıştırma yöntemlerinden üstündür. Ultrason, daha küçük silika parçacık boyutuna sahip süspansiyonlar üretir ve ultrasonikasyon enerji açısından daha verimli bir teknolojidir. Pohl ve Schubert, suda Aerosil 90 (2%wt) parçacıklarının boyutunun Ultra-Turrax (rotor-stator sistemi) ile küçültülmesini, Hielscher UIP1000hd (1kW ultrasonik cihaz) ile küçültülmesiyle karşılaştırmıştır. Aşağıdaki grafik, ultrasonik prosesin üstün sonuçlarını göstermektedir. Çalışmasının sonucunda Pohl şu sonuca varmıştır: “Sabit özgül enerji EV’de ultrason, rotor-stator sisteminden daha etkilidir.” Üretim maliyeti, proses kapasitesi ve ürün kalitesinin önem taşıdığı üretim proseslerinde enerji verimliliği ve silika parçacık boyutunun tekdüzeliği son derece önemlidir.

Silika Dispersiyonu için Ultrason ve Ultra-turrax Karşılaştırması

Aşağıdaki resimler, Pohl’un püskürtmeyle dondurularak kurutulmuş silika granüllerine sonikasyon uygulayarak elde ettiği sonuçları göstermektedir.

Sol: Ultrasonik deaglomerasyon öncesinde püskürtmeyle dondurulmuş silika granüllerinin REM görüntüleri
Sağ: Ultrasonik olarak disperse edilmiş silika parçalarının TEM görüntüleri
Çalışma ve görüntüler: Pohl ve Schubert, 2004)

Yüksek Kaliteli Silika Formülasyonları için Yüksek Performanslı Ultrasonik Disperserler

Hielscher Ultrasonics, sıvıların, katı madde içeren süspansiyonların ve pastaların işlenmesi için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörlerin geliştirilmesi, üretimi ve tedariki konusunda uzmanlaşmış bir Alman aile şirketidir. Hielscher ultrasonik homojenizatörleri, istenen her türlü spesifikasyonu elde etmek için silika bulamaçlarını ve diğer nanosüspansiyonları güvenilir şekilde işler. Son derece hassas, aşındırıcı veya yüksek viskoziteli ürün formülasyonları bile ultrasonikasyon kullanılarak verimli şekilde disperse edilebilir ve deaglomerasyona tabi tutulabilir. Gelişmiş sonikatörlerimiz son derece çok yönlüdür ve gelişkin kesikli ve hat içi işlem olanakları sunar. Güvenilir biçimde yüksek kalite standartları ve tekrarlanabilir sonuçlar, ultrasonik silika dispersiyonunun temel özellikleridir.
Hielscher’in en son teknolojiye sahip endüstriyel sınıf sonikatörleri; akıllı ve kullanıcı dostu bir menü, programlanabilir ayarlar, entegre SD karta otomatik veri kaydı, tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol ve yüksek dayanıklılık sunar.
Genlik, ultrasonik işlemede en etkili parametredir. Genlik, bir ultrason dalgasının maksimum yer değiştirmesini veya tepeden tepeye hareketini ifade eder. Ultrasonik dispersiyon, deaglomerasyon ve yaş öğütmede parçacık boyutunu küçültmek için yeterli enerji uygulamak amacıyla çoğu zaman yüksek genlikler gerekir. Hielscher endüstriyel ultrasonik işlemcileri olağanüstü yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 çalışmada kolayca kesintisiz işlem yapılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
Küçük ve orta boy Ar-Ge ve pilot sonikatörlerden, sürekli modda ticari silika üretimi için endüstriyel sistemlere kadar Hielscher Ultrasonics, üstün silika işleme gereksinimlerinizi karşılayacak uygun ultrasonik işlemciye sahiptir.

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Dayanıklılık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Hielscher sonikatörleri, ağır koşulların ve zorlu ortamların gerekliliklerini kolayca karşılar.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir:

Silika (SiO2, Silisyum Dioksit) Nedir?

Silika, silisyum ve oksijenden oluşan, kimyasal formülü SiO2 olan bir kimyasal bileşiktir; silisyum dioksit olarak da adlandırılır. Silikanın ergitilmiş kuvars, füme silika, silika jel ve aerojeller gibi birçok farklı formu vardır. Silika, çeşitli minerallerin bir bileşiği ve sentetik bir ürün olarak bulunur. Silika doğada en yaygın olarak kuvars halinde ve çeşitli canlı organizmalarda bulunur. Silisyum dioksit, kuvarsın çıkarılması ve saflaştırılmasıyla elde edilir. Amorf silikanın üç ana formu pirojenik silika, çöktürülmüş silika ve silika jeldir.

Füme Silika / Pirojenik Silika

Silisyum tetraklorürün (SiCl4) oksijence zengin bir hidrojen alevinde yakılması, SiO2 dumanı – füme silika – oluşturur. Alternatif olarak, kuvars kumunun 3000 °C sıcaklıktaki bir elektrik arkında buharlaştırılması da füme silika üretir. Her iki proseste de oluşan mikroskobik amorf silika damlacıkları birleşerek dallanmış, zincir benzeri, üç boyutlu ikincil parçacıklar oluşturur. Bu ikincil parçacıklar daha sonra aglomere olarak son derece düşük yığın yoğunluğuna ve çok yüksek yüzey alanına sahip beyaz bir toz oluşturur. Gözeneksiz füme silikanın birincil parçacık boyutu 5–50 nm arasındadır. Füme silikanın çok güçlü bir kıvam artırıcı etkisi vardır. Bu nedenle füme silika, silikon elastomerlerde dolgu maddesi olarak ve boyalarda, kaplamalarda, yapıştırıcılarda, baskı mürekkeplerinde veya doymamış polyester reçinelerde viskozite ayarlamak için kullanılır. Füme silika, organik sıvı veya sulu uygulamalarda kullanılmak üzere hidrofobik ya da hidrofilik hale getirmek için işlenebilir. Hidrofobik silika, etkili bir köpük giderici bileşenidir (köpük önleyici madde).
Ultrasonik gaz giderme ve köpük giderme hakkında bilgi almak için buraya tıklayın.
Füme Silika CAS numarası 112945-52-5

Silika Dumanı / Mikrosilika

Silika dumanı, mikrosilika olarak da bilinen, son derece ince, nano boyutlu bir tozdur. Silika dumanı, füme silika ile karıştırılmamalıdır. Silika dumanının üretim prosesi, parçacık morfolojisi ve uygulama alanlarının tümü füme silikanınkilerden farklıdır. Silika dumanı, SiO2’nin amorf, kristal olmayan, polimorf bir formudur. Silika dumanı, ortalama parçacık çapı 150 nm olan küresel parçacıklardan oluşur. Silika dumanının en öne çıkan uygulaması, yüksek performanslı beton için puzolanik malzeme olarak kullanılmasıdır. Basınç dayanımı, aderans dayanımı ve aşınma direnci gibi beton özelliklerini iyileştirmek için Portland çimentolu betona eklenir. Bunun yanı sıra silika dumanı, betonun klorür iyonlarına karşı geçirgenliğini azaltır. Bu, betonun donatı çeliğini korozyondan korur.
Çimento ve silika dumanının ultrasonik karıştırılması hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın!
Silika Dumanı CAS numarası: 69012-64-2, Silika Dumanı EINECS numarası: 273-761-1

Çöktürülmüş Silika

Çöktürülmüş silika, SiO2’nin beyaz, toz halinde, sentetik amorf formudur. Çöktürülmüş silika, plastiklerde veya kauçukta, örneğin lastiklerde dolgu maddesi, yumuşatıcı veya performans iyileştirici olarak kullanılır. Diğer kullanım alanları arasında diş macunlarında temizleyici, kıvam artırıcı veya parlatıcı madde olarak kullanılması bulunur.
Diş macunu üretiminde ultrasonik karıştırma hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın!
Füme silikanın birincil parçacıklarının çapı 5–100 nm arasındadır; aglomera boyutu ise 40 µm’ye kadar ulaşır ve ortalama gözenek boyutu 30 nm’den büyüktür. Pirojenik silika gibi çöktürülmüş silika da esasen mikrogözenekli değildir.
Füme silika, silikat tuzları içeren bir çözeltiden çöktürme yoluyla üretilir. Nötr bir silikat çözeltisinin bir mineral asitle reaksiyonundan sonra, sülfürik asit ve sodyum silikat çözeltileri, ultrasonik karıştırma gibi bir karıştırma işlemi eşliğinde suya aynı anda eklenir. Silika, asidik koşullarda çökelir. Çöktürme süresi, reaktanların eklenme hızı, sıcaklık ve konsantrasyon ile pH gibi faktörlerin yanı sıra karıştırma yöntemi ve yoğunluğu da silikanın özelliklerini değiştirebilir. Ultrasonik bir reaktör haznesinde sonomekanik karıştırma, tutarlı ve tekdüze parçacık boyutu elde etmek için etkili bir yöntemdir. Yüksek sıcaklıklarda ultrasonik karıştırma, jel aşamasının oluşmasını önler.
Çöktürülmüş silika gibi nanomalzemelerin ultrason destekli çöktürülmesi hakkında daha fazla bilgi için lütfen buraya tıklayın!
Çöktürülmüş Silika CAS numarası: 7631-86-9

Kolloidal Silika / Silika Kolloidi

Kolloidal silika, sıvı bir fazda ince, gözeneksiz, amorf, çoğunlukla küresel silika parçacıklarından oluşan bir süspansiyondur.
Silika kolloidlerinin en yaygın kullanım alanları; kâğıt üretiminde drenaj yardımcısı, silisyum yonga levhalarının parlatılmasında aşındırıcı, kimyasal proseslerde katalizör, nem tutucu, aşınmaya dirençli kaplamalarda katkı maddesi veya flokülasyon, koagülasyon, dispersiyon ya da stabilizasyon için yüzey aktif madde olarak kullanılmasıdır.
Aşınmaya dirençli polimer kaplamalarda kolloidal silika hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın!

Kolloidal silika üretimi çok aşamalı bir prosestir. Bir alkali silikat çözeltisinin kısmen nötralize edilmesi, silika çekirdeklerinin oluşmasına yol açar. Kolloidal silika parçacıklarının alt birimleri genellikle 1–5 nm aralığındadır. Polimerizasyon koşullarına bağlı olarak bu alt birimler birbirine bağlanabilir. pH’ın 7’nin altına düşürülmesi veya tuz eklenmesiyle birimler, çoğu zaman silika jelleri olarak adlandırılan zincirler halinde birleşme eğilimi gösterir. Aksi durumda alt birimler ayrı kalır ve yavaş yavaş büyür. Ortaya çıkan ürünler çoğu zaman silika solleri veya çöktürülmüş silika olarak adlandırılır. Kolloidal silika süspansiyonu, pH ayarıyla stabilize edilir ve ardından örneğin buharlaştırmayla konsantre edilir.
Sol-jel proseslerinde sonomekanik etkiler hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın!

Silikanın Sağlık Riski

Kuru veya havada bulunan kristal silikon dioksit, ciddi akciğer hastalıklarına, akciğer kanserine veya sistemik otoimmün hastalıklara neden olabilen, insanlarda akciğer kanserojeni olan bir maddedir. Silika tozu solunduğunda ve akciğerlere girdiğinde skar dokusu oluşumuna neden olur ve akciğerlerin oksijen alma kapasitesini azaltır (Silikozis). SiO2’nin ıslatılması ve örneğin ultrasonik homojenizasyonla sıvı bir fazda disperse edilmesi, soluma riskini ortadan kaldırır. Bu nedenle SiO2 içeren sıvı bir ürünün Silikozise neden olma riski çok düşüktür. Silikayı kuru toz halinde kullanırken lütfen uygun kişisel koruyucu ekipman kullanın!

Kaynakça

• 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.