Ультразвукова дисперсія кремнезему (SiO2)

Кремнезем, також відомий як SiO2, нанокремнезем або мікрокремнезем, використовується в зубній пасті, цементі, синтетичному каучуку, високопродуктивних полімерах або в харчових продуктах як загусник, адсорбент, антизлежувач або носій для ароматизаторів та смакових добавок. Нижче ви дізнаєтеся більше про застосування нанокремнезему та мікрокремнезему та про те, як сономеханічні ефекти ультразвуку можуть підвищити ефективність процесу та продуктивність кінцевого продукту, створюючи кращі суспензії кремнезему та сприяючи синтезу наночастинок кремнезему.

Переваги ультразвукової дисперсії нанокремнезему (SiO2)

Кремнезем доступний у широкому діапазоні гідрофільних та гідрофобних форм і має надзвичайно дрібний розмір частинок від кількох мікрометрів до деяких нанометрів. Зазвичай кремнезем погано диспергується після змочування. Він також додає багато мікробульбашок до рецептури продукту. Ультразвукова обробка є ефективною технологією процесу для диспергування мікрокремнезему та нанокремнезему та видалення розчиненого газу та мікробульбашок із рецептури.

Ультразвукова дисперсія – це техніка, яка використовує високоефективні ультразвукові хвилі низької частоти для диспергування та дезагломерації частинок у рідкому середовищі. Коли йдеться про дисперсію кремнезему та нанокремнезему, ультразвукова дисперсія пропонує кілька переваг:

Важливість розміру частинок кремнезему

Для багатьох застосувань нанорозмірної або мікророзмірної силіки дуже важлива якісна та однорідна дисперсія. Часто потрібна монодисперсна суспензія силіки, наприклад, для вимірювання розміру частинок. Зокрема, для використання в чорнилах або покриттях і полімерах з метою покращення стійкості до подряпин частинки силіки повинні бути достатньо малими, щоб не заважати видимому світлу, уникати туманності та підтримувати прозорість. Для більшості покриттів частинки силіки повинні бути меншими за 40nm, щоб задовольнити цю вимогу. Для інших застосувань агломерація частинок силіки заважає кожній окремій частинці силіки взаємодіяти з навколишнім середовищем.
Ультразвукові гомогенізатори є більш ефективними у диспергуванні силіки, ніж інші методи високоефективного змішування, такі як роторні змішувачі або бакові агітатори. На зображенні нижче показано типовий результат ультразвукового диспергування пірогенної силіки у воді.

Ультразвукова дисперсія пірогенної силіки у воді

Ефективність обробки при зменшенні розміру частинок силіки

Ультразвукова дисперсія нанорозмірної силіки є кращою за інші методи високоефективного змішування, такі як IKA Ultra-Turrax. Ультразвук створює суспензії з меншим розміром частинок силіки, а ультразвукова обробка є більш енергоефективною технологією. Pohl і Schubert порівняли зменшення розміру частинок Aerosil 90 (2%wt) у воді, використовуючи Ultra-Turrax (роторно-статорну систему), з результатами Hielscher UIP1000hd (ультразвуковий пристрій 1kW). Графік нижче показує кращі результати ультразвукового процесу. Як результат свого дослідження Pohl дійшов висновку, що “При постійній специфічній енергії EV ультразвук є більш ефективним, ніж роторно-статорна система.” Енергоефективність та однорідність розміру частинок силіки мають найвищу важливість у виробничих процесах, де важливі вартість виробництва, потужність процесу та якість продукту.

Ультразвук проти Ultra-turrax для дисперсії силіки

Зображення нижче показують результати, отримані Pohl при ультразвуковій обробці гранул силіки, отриманих розпилювальним ліофілізаційним сушінням.

Ліворуч: REM-зображення гранул силіки, отриманих розпилювальним заморожуванням, до ультразвукової деагломерації
Праворуч: TEM-зображення ультразвуково диспергованих фрагментів силіки
Дослідження та зображення: Pohl and Schubert, 2004)

Високоефективні ультразвукові диспергатори для силікових формуляцій високої якості

Hielscher Ultrasonics – це німецька сімейна компанія, що спеціалізується на розробці, виробництві та постачанні високопродуктивних ультразвукових гомогенізаторів для обробки рідин, суспензій із твердими частинками та паст. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher надійно обробляють суспензії кремнезему та інші наносуспензії, щоб отримати будь-яку бажану специфікацію. Навіть рецептури продуктів, які є дуже чутливими, абразивними або високос黏кими, можуть ефективно диспергуватися та деагломеруватися за допомогою ультразвукової обробки. Наші передові ультразвукові обробники є надзвичайно універсальними та пропонують складні можливості для партійної та потокової обробки. Надійно високі стандарти якості та відтворювані результати є ключовими характеристиками ультразвукової дисперсії кремнезему.
Промислові ультразвукові обробники Hielscher найвищого рівня мають розумне та зручне для користувача меню, програмовані налаштування, автоматичне протоколювання даних на інтегрованій SD-картці, дистанційне керування через браузер та високу надійність.
Амплітуда є найвпливовішим параметром, коли мова йде про ультразвукову обробку. Амплітуда відноситься до максимального зміщення або руху від піку до піку ультразвукової хвилі. Для ультразвукової дисперсії, деагломерації та мокрого подрібнення часто потрібні високі амплітуди, щоб застосувати достатню енергію для зменшення розміру частинок. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати винятково високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Від малих та середніх ультразвукових обробників для НДДКР та пілотних установок до промислових систем для комерційного виробництва кремнезему в безперервному режимі, Hielscher Ultrasonics має правильний ультразвуковий процесор, щоб задовольнити ваші вимоги до superior обробки кремнезему.

Розробка, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові обробники Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові обробники в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими обробниками Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим обробникам, що мають технології найвищого рівня та зручність використання. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA та RoHs.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових обробників:

Що таке кремнезем (SiO2, діоксид кремнію)?

Кремнезем – це хімічна сполука, що складається з кремнію та кисню, з хімічною формулою SiO2, або діоксид кремнію. Існує багато різних форм кремнезему, таких як кварцове скло, пірогенний кремнезем, силікагель та аерогели. Кремнезем існує як сполука кількох мінералів та як синтетичний продукт. Кремнезем найчастіше зустрічається в природі у вигляді кварцу та в різних живих організмах. Діоксид кремнію отримують шляхом видобутку та очищення кварцу. Три основні форми аморфного кремнезему – це пірогенний кремнезем, осадовий кремнезем та силікагель.

Пірогенний кремнезем / Димний кремнезем

Спалювання тетрахлориду кремнію (SiCl4) у водневому полум’ї, багатому на кисень, призводить до утворення диму SiO2 – пірогенної кремнезему. Альтернативно, випаровування кварцового піску в електричній дузі при 3000 °C також виробляє пірогенний кремнезем. В обох процесах утворені мікроскопічні краплі аморфного кремнезему зливаються в розгалужені, ланцюгоподібні, тривимірні вторинні частинки. Ці вторинні частинки потім агломеруються в білий порошок з надзвичайно низькою насипною густиною та дуже високою площею поверхні. Розмір первинних частинок непористого пірогенного кремнезему становить від 5 до 50 nm. Пірогенний кремнезем має дуже сильний загущувальний ефект. Тому пірогенний кремнезем використовується як наповнювач у силіконових еластомерах та для регулювання в’язкості в фарбах, покриттях, клеях, друкарських фарбах або ненасичених поліефірних смолах. Пірогенний кремнезем можна обробити, щоб зробити його гідрофобним або гідрофільним для органічних рідких або водних застосувань. Гідрофобний кремнезем є ефективним компонентом антипінного засобу (засобу проти піноутворення).
Натисніть тут, щоб дізнатися про ультразвукове дегазування та видалення піни.
Пірогенний кремнезем CAS номер 112945-52-5

Мікрокремнезем / мікросиліка

Мікрокремнезем – це наддрібний нанорозмірний порошок, також відомий як мікросиліка. Мікрокремнезем не слід плутати з пірогенним кремнеземом. Процес виробництва, морфологія частинок та сфери застосування мікрокремнезему відрізняються від таких у пірогенного кремнезему. Мікрокремнезем є аморфною, некристалічною, поліморфною формою SiO2. Мікрокремнезем складається зі сферичних частинок із середнім діаметром частинок 150 nm. Найбільш відомим застосуванням мікрокремнезему є використання як пуцоланового матеріалу для бетону високої міцності. Його додають до бетону на портландцементі для покращення властивостей бетону, таких як міцність на стиск, міцність зчеплення та стійкість до абразивного зносу. Крім того, мікрокремнезем знижує проникність бетону для іонів хлору. Це захищає арматурну сталь бетону від корозії.
Щоб дізнатися більше про ультразвукове змішування цементу та мікрокремнезему, будь ласка, натисніть тут!
Мікрокремнезем CAS номер: 69012-64-2, Мікрокремнезем EINECS номер: 273-761-1

Осаджений кремнезем

Осаджений кремнезем – це білий порошкоподібний синтетичний аморфний форма SiO2. Осаджений кремнезем використовується як наповнювач, пом’якшувач або засіб покращення характеристик у пластиках або гумі, наприклад, у шинах. Інші застосування включають очищення, загущення або полірувальний агент у зубних пастах.
Щоб дізнатися більше про ультразвукове змішування у виробництві зубної пасти, будь ласка, натисніть тут!
Первинні частинки пірогенного кремнезему мають діаметр від 5 до 100 nm, тоді як розмір агломератів становить до 40 µm, а середній розмір пори більший за 30 nm. Як і пірогенний кремнезем, осаджений кремнезем практично не є мікропористим.
Пірогенний кремнезем виробляється шляхом осадження з розчину, що містить солі силікатів. Після реакції нейтрального розчину силікату з мінеральною кислотою, розчини сірчаної кислоти та силікату натрію додаються одночасно з перемішуванням, наприклад, ультразвуковим перемішуванням, у воду. Кремнезем осаджується в кислих умовах. Крім таких факторів, як тривалість осадження, швидкість додавання реагентів, температура та концентрація, і pH, метод та інтенсивність перемішування можуть змінювати властивості кремнезему. Сономеханічне перемішування в ультразвуковій реакторній камері є ефективним методом для отримання послідовного та однорідного розміру частинок. Ультразвукове перемішування при підвищених температурах запобігає утворенню стадії гелю.
Для отримання додаткової інформації про ультразвукове осадження наноматеріалів, таких як осаджений кремнезем, будь ласка, натисніть тут!
Осаджений кремнезем CAS номер: 7631-86-9

Колоїдний кремнезем / кремнеземний колоїд

Колоїдний кремнезем – це суспензія дрібних непористих, аморфних, переважно сферичних частинок кремнезему в рідкій фазі.
Найпоширенішими застосуваннями колоїдних кремнеземів є дренажний допоміжний засіб у паперовому виробництві, абразив для полірування кремнієвих пластин, каталізатор у хімічних процесах, поглинач вологи, добавка до зносостійких покриттів або поверхнево-активна речовина для флокуляції, коагуляції, диспергування або стабілізації.
Щоб дізнатися більше про колоїдну кремнезем у зносостійких полімерних покриттях, натисніть тут!

Виробництво колоїдної кремнезему є багатостадійним процесом. Часткова нейтралізація розчину лужного силікату призводить до утворення ядер кремнезему. Субодиниці частинок колоїдного кремнезему зазвичай мають розмір у діапазоні від 1 до 5 nm. Залежно від умов полімеризації ці субодиниці можуть з’єднуватися. Зниження pH нижче 7 або додавання солі сприяє зростанню одиниць у ланцюжки, які часто називають гелями кремнезему. В іншому випадку субодиниці залишаються розділеними і поступово зростають. Отримані продукти часто називають золями кремнезему або осадовим кремнеземом. Суспензію колоїдного кремнезему стабілізують шляхом коригування pH, а потім концентрують, наприклад, випаровуванням.
Щоб дізнатися більше про сономеханічні ефекти в процесах золь-гель, натисніть тут!

Ризик для здоров’я від кремнезему

Сухий або повітряно-дисперсний кристалічний діоксид кремнію (silicone dioxide) є канцерогеном для легень людини, який може спричинити серйозні захворювання легень, рак легень або системні аутоімунні захворювання. Коли пил кремнезему вдихається і потрапляє в легені, він викликає утворення рубцевої тканини та знижує здатність легень поглинати кисень (силікоз). Змочування та диспергування SiO2 у рідку фазу, наприклад, за допомогою ультразвукової гомогенізації, усуває ризик вдихання. Тому ризик того, що рідкий продукт, що містить SiO2, спричинить силікоз, є дуже низьким. Будь ласка, використовуйте відповідні засоби індивідуального захисту при роботі з кремнеземом у сухому порошкоподібному стані!

Література

• 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.