Phân tán silica (SiO2) bằng siêu âm

Silica, còn được gọi là SiO2, silica nano hoặc silica micro, được sử dụng trong kem đánh răng, xi măng, cao su tổng hợp, polyme hiệu năng cao hoặc trong các sản phẩm thực phẩm với vai trò là chất làm đặc, chất hấp phụ, chất chống vón cục hoặc chất mang hương liệu và chất tạo vị. Dưới đây, bạn sẽ tìm hiểu thêm về các ứng dụng của silica nano và silica micro cũng như cách các tác động cơ học của siêu âm có thể cải thiện hiệu quả quy trình và tính năng của sản phẩm cuối cùng thông qua việc tạo ra huyền phù silica tốt hơn và hỗ trợ tổng hợp các hạt nano silica.

Ưu điểm của việc phân tán silica nano (SiO2) bằng siêu âm

Silica có nhiều dạng ưa nước và kỵ nước, với kích thước hạt cực nhỏ, từ vài micromet xuống đến vài nanomet. Thông thường, silica không phân tán tốt sau khi được làm ướt. Silica cũng đưa nhiều vi bọt khí vào công thức sản phẩm. Xử lý bằng siêu âm là một công nghệ hiệu quả để phân tán silica micro và silica nano, đồng thời loại bỏ khí hòa tan và vi bọt khí khỏi công thức sản phẩm.

Phân tán bằng siêu âm là kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm cường độ cao, tần số thấp để phân tán và phá kết tụ các hạt trong môi trường lỏng. Đối với việc phân tán silica và silica nano, phân tán bằng siêu âm mang lại một số ưu điểm:
 

Tầm quan trọng của kích thước hạt silica

Đối với nhiều ứng dụng của silica có kích thước nano hoặc micro, khả năng phân tán tốt và đồng đều là rất quan trọng. Thông thường, cần có huyền phù silica đơn phân tán, ví dụ để đo kích thước hạt. Đặc biệt khi sử dụng trong mực in hoặc lớp phủ và polyme để cải thiện khả năng chống trầy xước, các hạt silica cần đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến ánh sáng khả kiến nhằm tránh hiện tượng mờ đục và duy trì độ trong suốt. Đối với hầu hết các lớp phủ, các hạt silica cần nhỏ hơn 40nm để đáp ứng yêu cầu này. Trong các ứng dụng khác, sự kết tụ của các hạt silica cản trở từng hạt silica tương tác với môi trường xung quanh.
Máy đồng hóa siêu âm phân tán silica hiệu quả hơn các phương pháp trộn có lực cắt cao khác, chẳng hạn như máy trộn quay hoặc máy khuấy bồn. Hình dưới đây cho thấy kết quả điển hình của quá trình phân tán silica khói trong nước bằng siêu âm.

Phân tán silica khói trong nước bằng siêu âm

Hiệu quả xử lý trong quá trình giảm kích thước hạt silica

Phân tán silica nano bằng siêu âm vượt trội hơn các phương pháp trộn có lực cắt cao khác, chẳng hạn như sử dụng IKA Ultra-Turrax. Siêu âm tạo ra các huyền phù có kích thước hạt silica nhỏ hơn và xử lý bằng siêu âm là công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn. Pohl và Schubert đã so sánh khả năng giảm kích thước hạt Aerosil 90 (2%wt) trong nước khi sử dụng Ultra-Turrax (hệ rôto–stato) với khi sử dụng Hielscher UIP1000hd (thiết bị siêu âm 1kW). Biểu đồ dưới đây cho thấy kết quả vượt trội của quá trình siêu âm. Từ kết quả nghiên cứu của mình, Pohl kết luận rằng “Ở mức năng lượng riêng EV không đổi, siêu âm hiệu quả hơn hệ rôto–stato.” Hiệu quả năng lượng và độ đồng đều về kích thước hạt silica có tầm quan trọng hàng đầu trong các quy trình sản xuất, nơi chi phí sản xuất, năng lực xử lý và chất lượng sản phẩm đóng vai trò quan trọng.

Siêu âm so với Ultra-turrax trong phân tán silica

Các hình dưới đây cho thấy những kết quả mà Pohl thu được khi xử lý bằng siêu âm các hạt silica được đông khô bằng phương pháp phun.

Bên trái: Ảnh REM của các hạt silica được đông lạnh bằng phương pháp phun trước khi phá kết tụ bằng siêu âm
Bên phải: Ảnh TEM của các mảnh silica được phân tán bằng siêu âm
Nghiên cứu và hình ảnh: Pohl và Schubert, 2004)

Máy phân tán siêu âm hiệu suất cao cho các công thức silica chất lượng cao

Hielscher Ultrasonics là doanh nghiệp gia đình của Đức chuyên phát triển, sản xuất và cung cấp máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao để xử lý chất lỏng, huyền phù chứa chất rắn và chất dạng nhão. Máy đồng nhất siêu âm Hielscher xử lý huyền phù silica và các huyền phù nano khác một cách tin cậy để đạt được mọi thông số kỹ thuật mong muốn. Ngay cả các công thức sản phẩm rất nhạy cảm, có tính mài mòn hoặc có độ nhớt cao cũng có thể được phân tán và phá kết tụ hiệu quả bằng siêu âm. Các thiết bị siêu âm tiên tiến của chúng tôi cực kỳ đa năng và cung cấp các khả năng xử lý tinh vi theo mẻ và trên dòng chảy. Tiêu chuẩn chất lượng cao được duy trì ổn định và kết quả có thể tái lập là những đặc điểm then chốt của quá trình phân tán silica bằng siêu âm.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp hiện đại của Hielscher có menu thông minh, thân thiện với người dùng, các chế độ cài đặt có thể lập trình, chức năng tự động ghi dữ liệu vào thẻ SD tích hợp, điều khiển từ xa qua trình duyệt và độ bền cao.
Biên độ là thông số có ảnh hưởng lớn nhất trong quá trình xử lý bằng siêu âm. Biên độ chỉ độ dịch chuyển tối đa hoặc chuyển động từ đỉnh đến đỉnh của sóng siêu âm. Quá trình phân tán, phá kết tụ và nghiền ướt bằng siêu âm thường cần biên độ cao để cung cấp đủ năng lượng nhằm giảm kích thước hạt. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ đặc biệt cao. Có thể dễ dàng duy trì biên độ lên đến 200µm liên tục trong chế độ vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu dò siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.
Từ các thiết bị siêu âm quy mô nhỏ và vừa dành cho nghiên cứu và phát triển (R&D) và quy mô thí điểm đến các hệ thống công nghiệp để sản xuất silica thương mại ở chế độ liên tục, Hielscher Ultrasonics đều có thiết bị xử lý siêu âm phù hợp để đáp ứng các yêu cầu của bạn về khả năng xử lý silica vượt trội.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao có công nghệ hiện đại nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Silica (SiO2, silic dioxit) là gì?

Silica là hợp chất hóa học gồm silic và oxy, có công thức hóa học SiO2, còn gọi là silic dioxit. Có nhiều dạng silica khác nhau, như thạch anh nóng chảy, silica khói, silica gel và aerogel. Silica tồn tại dưới dạng hợp chất trong một số khoáng vật và dưới dạng sản phẩm tổng hợp. Trong tự nhiên, silica thường gặp nhất ở dạng thạch anh và trong nhiều sinh vật khác nhau. Silic dioxit được thu nhận thông qua khai thác và tinh chế thạch anh. Ba dạng chính của silica vô định hình là silica nhiệt phân, silica kết tủa và silica gel.

Silica khói / Silica nhiệt phân

Đốt silic tetraclorua (SiCl4) trong ngọn lửa hydro giàu oxy tạo ra khói SiO2 – silica nhiệt phân. Ngoài ra, làm bay hơi cát thạch anh trong hồ quang điện ở 3000 °C cũng tạo ra silica nhiệt phân. Trong cả hai quy trình, các giọt silica vô định hình cực nhỏ được tạo thành sẽ hợp nhất thành các hạt thứ cấp ba chiều, phân nhánh, dạng chuỗi. Sau đó, các hạt thứ cấp này kết tụ thành bột màu trắng có khối lượng riêng đổ đống cực thấp và diện tích bề mặt rất lớn. Kích thước hạt sơ cấp của silica nhiệt phân không xốp nằm trong khoảng từ 5 đến 50 nm. Silica nhiệt phân có tác dụng làm đặc rất mạnh. Vì vậy, silica nhiệt phân được sử dụng làm chất độn trong chất đàn hồi silicone và để điều chỉnh độ nhớt trong sơn, lớp phủ, chất kết dính, mực in hoặc nhựa polyester không bão hòa. Silica nhiệt phân có thể được xử lý để trở nên kỵ nước hoặc ưa nước nhằm sử dụng trong các ứng dụng với chất lỏng hữu cơ hoặc môi trường nước. Silica kỵ nước là một thành phần phá bọt hiệu quả (chất chống tạo bọt).
Nhấp vào đây để đọc về khử khí và phá bọt bằng siêu âm.
Số CAS của silica nhiệt phân 112945-52-5

Muội silic / Silica siêu mịn

Muội silic là một loại bột siêu mịn có kích thước nano, còn được gọi là silica siêu mịn. Không được nhầm lẫn muội silic với silica nhiệt phân. Quy trình sản xuất, hình thái hạt và các lĩnh vực ứng dụng của muội silic đều khác với silica nhiệt phân. Muội silic là một dạng đa hình vô định hình, không kết tinh của SiO2. Muội silic gồm các hạt hình cầu có đường kính hạt trung bình là 150 nm. Ứng dụng nổi bật nhất của muội silic là làm vật liệu pozzolan cho bê tông tính năng cao. Muội silic được thêm vào bê tông xi măng Portland để cải thiện các tính chất của bê tông, như cường độ chịu nén, cường độ liên kết và khả năng chống mài mòn. Ngoài ra, muội silic làm giảm khả năng thấm ion clorua của bê tông. Điều này bảo vệ cốt thép trong bê tông khỏi bị ăn mòn.
Để tìm hiểu thêm về trộn xi măng và muội silic bằng siêu âm, vui lòng nhấp vào đây!
Số CAS của muội silic: 69012-64-2, số EINECS của muội silic: 273-761-1

Silica kết tủa

Silica kết tủa là dạng SiO2 vô định hình tổng hợp, ở dạng bột màu trắng. Silica kết tủa được sử dụng làm chất độn, chất làm mềm hoặc chất cải thiện tính năng trong nhựa hoặc cao su, ví dụ như lốp xe. Các ứng dụng khác bao gồm làm chất làm sạch, chất làm đặc hoặc chất đánh bóng trong kem đánh răng.
Để tìm hiểu thêm về trộn bằng siêu âm trong sản xuất kem đánh răng, vui lòng nhấp vào đây!
Các hạt sơ cấp của silica nhiệt phân có đường kính từ 5 đến 100 nm, trong khi kích thước các cụm kết tụ lên đến 40 µm với kích thước lỗ xốp trung bình lớn hơn 30 nm. Giống như silica nhiệt phân, silica kết tủa về cơ bản không có vi lỗ xốp.
Silica nhiệt phân được sản xuất bằng cách kết tủa từ dung dịch chứa muối silicat. Sau phản ứng của dung dịch silicat trung tính với một axit vô cơ, các dung dịch axit sulfuric và natri silicat được thêm đồng thời vào nước trong khi khuấy, chẳng hạn như khuấy bằng siêu âm. Silica kết tủa trong điều kiện axit. Bên cạnh các yếu tố như thời gian kết tủa, tốc độ thêm chất phản ứng, nhiệt độ và nồng độ, cũng như pH, phương pháp và cường độ khuấy có thể làm thay đổi các tính chất của silica. Khuấy bằng tác động cơ học của siêu âm trong buồng phản ứng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để tạo ra kích thước hạt ổn định và đồng đều. Khuấy bằng siêu âm ở nhiệt độ cao giúp tránh hình thành giai đoạn gel.
Để biết thêm thông tin về kết tủa vật liệu nano có hỗ trợ siêu âm, chẳng hạn như silica kết tủa, vui lòng nhấp vào đây!
Số CAS của silica kết tủa: 7631-86-9

Silica dạng keo / Keo silica

Silica dạng keo là huyền phù của các hạt silica mịn, không xốp, vô định hình, chủ yếu có dạng hình cầu trong pha lỏng.
Các ứng dụng phổ biến nhất của keo silica là làm chất trợ thoát nước trong sản xuất giấy, chất mài để đánh bóng phiến silic, chất xúc tác trong các quá trình hóa học, chất hút ẩm, phụ gia cho lớp phủ chống mài mòn hoặc chất hoạt động bề mặt để tạo bông, keo tụ, phân tán hoặc ổn định.
Để tìm hiểu thêm về silica keo trong lớp phủ polyme chống mài mòn, vui lòng nhấp vào đây!

Sản xuất silica keo là một quy trình gồm nhiều bước. Việc trung hòa một phần dung dịch silicat kiềm dẫn đến sự hình thành các mầm silica. Các đơn vị cấu thành hạt silica keo thường có kích thước trong khoảng từ 1 đến 5 nm. Tùy thuộc vào điều kiện trùng hợp, các đơn vị này có thể liên kết với nhau. Khi giảm pH xuống dưới 7 hoặc thêm muối, các đơn vị có xu hướng hợp nhất thành chuỗi, thường được gọi là gel silica. Nếu không, các đơn vị này vẫn tách biệt và phát triển dần. Các sản phẩm thu được thường được gọi là sol silica hoặc silica kết tủa. Huyền phù silica keo được ổn định bằng cách điều chỉnh pH, sau đó được cô đặc, ví dụ bằng phương pháp bay hơi.
Để tìm hiểu thêm về các hiệu ứng cơ học do siêu âm trong quy trình sol-gel, vui lòng nhấp vào đây!

Nguy cơ của silica đối với sức khỏe

Silic dioxit dạng tinh thể ở trạng thái khô hoặc lơ lửng trong không khí là chất gây ung thư phổi ở người, có thể gây bệnh phổi nghiêm trọng, ung thư phổi hoặc các bệnh tự miễn toàn thân. Khi bụi silica được hít vào và đi vào phổi, bụi gây hình thành mô sẹo và làm giảm khả năng hấp thụ oxy của phổi (bệnh bụi phổi silic). Việc làm ướt và phân tán SiO2 vào pha lỏng, ví dụ bằng phương pháp đồng nhất hóa siêu âm, loại bỏ nguy cơ hít phải. Do đó, nguy cơ gây bệnh bụi phổi silic của sản phẩm lỏng chứa SiO2 là rất thấp. Vui lòng sử dụng phương tiện bảo vệ cá nhân phù hợp khi thao tác với silica ở dạng bột khô!

Tài liệu tham khảo

• 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.