اروزیل

اروزیل

1-مقدمه

ایروسول, ایروسیل, ایروزیل یا کف سیلیس (کف سیلیکا = fumed silica) که به دلیل تولید در شعله به عنوان سیلیس تب زا نیز شناخته می شود، از قطرات میکروسکوپی سیلیس یا دی اکسید سیلیکون آمورف تشکیل شده است که به ذرات ثانویه شاخه دار، زنجیره ای و سه بعدی ذوب شده و سپس به ذرات بزرگتر تجمع می یابند. پودر حاصل دارای چگالی بسیار کم و سطح تماس بالایی است. (این محصول یک ماده سنتزی کلوئیدی با خواص و اندازه ذرات مشخص است) این ترکیب دارای اثر غلیظ کنندگی بسیار قوی است. اندازه ذرات اولیه 5-50 نانومتر است. ذرات این محصول غیر متخلخل هستند و سطحی بین 50 تا 600 متر مربع در گرم دارند. چگالی آن 160-190 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد. 

انواع مختلف دی اکسید سیلیکون (که همگی SiO 2  هستند) را می توان به دی اکسید سیلیکون کریستالی طبیعی مانند پودر کوارتز تبدیل کرد. دی اکسید سیلیکون طبیعی و بی شکل مانند خاک دیاتومه و دی اکسید سیلیکون سنتزی و آمورف مانند رسوب می باشد.
پرکننده های حاوی کوارتز با سختی و مقاومت شیمیایی خاص خود مشخص می شوند (محتوای کوارتز حداقل 95٪ طبق DIN 55926. ) دی اکسید سیلیکون طبیعی و آمورف به عنوان یک روش ارزان قیمت برای بهبود مات بودن ، خشک شدن و سنباده پذیری در رنگ ها استفاده می شود. سیلیکاهای پیروژنیک بیشتر به عنوان یک عامل تیکسوتروپیک و نه به عنوان پرکننده استفاده می شوند.

تفاوت‌  مهم بین دی ‌اکسید سیلیکون رسوب‌شده و کف دی‌اکسید سیلیکون در اندازه ذرات و خلوص وجود دارد: سیلیس رسوب‌شده در محدوده میکرومتر است، در حالی که کف سیلیس در محدوده نانومتر است. علاوه بر این، سیلیس رسوب‌شده از 93 درصد SiO 2 تشکیل شده است و بنابراین حاوی ناخالصی‌های بیشتری نسبت به کف سیلیس  (99 درصد SiO 2 ) می باشد.

2-تاریخچه

تولید کف دی اکسید سیلیکون یا کف سیلیس در دگوسا در سال 1944 با استفاده از فرآیندی پیشرفته توسط هری کلوپفر انجام شد. 

3-کاربردها

کف سیلیس به عنوان یک عامل غلیظ کننده جهانی و یک عامل ضد جوش و تورم (عامل جریان آزاد) در پودرها عمل می کند. این ترکیب نیز مانند سیلیکا ژل، به عنوان یک خشک کننده عمل می کند. به دلیل خاصیت انتشار نور در لوازم آرایشی استفاده می شود. به عنوان یک ساینده سبک در محصولاتی مانند خمیر دندان استفاده می شود. از دیگر کاربردهای این محصول می توان به پرکننده الاستومر سیلیکونی و تنظیم ویسکوزیته در رنگ ها، پوشش ها، جوهرهای چاپ، چسب ها و رزین های پلی استر غیر اشباع اشاره کرد.

4-واکنش ها

1-4-واکنش احیا

سیلیس در واکنش احیا با کربن به سیلیسیم تبدیل می شود.

2-4-فلوئور

فلوئور با دی اکسید سیلیکون واکنش می دهد تا SiF4 و O2 را تشکیل دهد در حالی که سایر هالوژن ها (Cl2، Br2، I2 ) اساساً  در این نوع واکنش غیر فعال هستند.

3-4- واکنش با اسید

اکثر اشکال دی اکسید سیلیکون (به جز استیشوویت که به میزان قابل توجهی واکنش نشان نمی دهد ) توسط اسید هیدروفلوئوریک (HF) برای تولید اسید هگزافلوئوروسیلیک مورد حمله قرار می گیرند.

HF برای حذف دی اکسید سیلیکون در صنعت نیمه هادی استفاده می شود. ( در مرحله ی ساخت الگو) در شرایط عادی، سیلیکون با اکثر اسیدها واکنش نمی دهد، اما توسط اسید هیدروفلوئوریک حل می شود.

سیلیکون توسط بازهایی مانند هیدروکسید سدیم آبی برای تولید سیلیکات مورد حمله قرار می گیرد.

4-4-واکنش با باز

سیلیکون توسط بازهایی مانند هیدروکسید سدیم آبی برای تولید سیلیکات مورد حمله قرار می گیرد.

دی اکسید سیلیکون به عنوان یک اسید عمل می کند و می تواند تحت شرایط خاصی با بازها واکنش دهد. از آنجایی که هیچ هیدروژنی ندارد، سیلیس غیرهیدراته نمی تواند مستقیماً به عنوان اسید برونستد-لوری عمل کند. بنابراین، برای جلوگیری از گیر کردن درب بطری، برای حفظ یکپارچگی گیرنده، و جلوگیری از آلودگی نامطلوب توسط آنیون های سیلیکات، باز های قوی باید در بطری های پلاستیکی ذخیره شوند.

5-روش تولید

این محصول از پیرولیز شعله ای تتراکلرید سیلیسیم یا از کوارتز ماسه ای تبخیر شده در قوس الکتریکی 3000 درجه سانتیگراد ساخته می شود.

به طور دقیق تر و جزئی تر, برای تولید کف سیلیکا، ابتدا ماسه را با کربن احیا می کنند و سیلیکون تولید شده را با کلر واکنش داده و تتراکلرید سیلیکون را تشکیل می دهند. آخرین مرحله تجزیه در اثر حرارت بالا تتراکلرید سیلیکون با اکسیژن هیدروژن( H 2 + O 2 )  است. مخلوط همگنی از تتراکلرید سیلیکون بخار، هیدروژن، اکسیژن و گاز بی اثر با مشعل در یک محفظه احتراق سرد می سوزانند. اسید کلریدریک به عنوان یک محصول جانبی تشکیل می شود. ابتدا ذرات دی اکسید سیلیکون قطره مانند در شعله ایجاد می شوند که به صورت زنجیره ای به یکدیگر متصل می شوند و بنابراین از طریق شاخه ها ذرات ثانویه سه بعدی را تشکیل می دهند. اینها به نوبه خود انباشته می شوند و ذرات سوم را تشکیل می دهند. 

محصول نهایی یک پودر سفید با چگالی بسیار کم ( حجیم ) و مساحت سطح بالا است . هنگامی که از آن به عنوان پرکننده استفاده می شود، ساختار سه بعدی آن باعث ضخیم شدن ، تیکسوتروپیک و محافظت در برابر رسوب می شود. اعتقاد بر این است که تحرک زنجیره های پلیمری به دلیل جذب قوی به ذرات سیلیس کاهش می یابد. ذرات حاصل دارای قطر 5 تا 50 نانومتر و مساحت سطح 50 تا 600 متر مربع در گرم، چگالی 160 تا 190 کیلوگرم بر متر مکعب هستند و متخلخل نیستند.

6-تحقیقات جدید

یکی از زمینه هایی که مطالعات زیادی بر روی آن صورت گرفته است, مطالعه بر روی تاثیرات آئروسل ها بر سلامتی انسان می باشد. در این زمینه پژوهشی با عنوان " آئروسل های معدنی و اثرات آن بر سلامت انسان" در پنجمین کنفرانس بین المللی مهندسی محیط زیست و منابع طبیعی ارائه شده است. ( در آن به بررسی آئروسل سیلیس نیز پرداخته شده است.)

7-شرایط نگهداری

با توجه به آنکه چگالی این ماده بسیار پایین است, وجود هرگونه درز و منفذ در ظرف آن, سبب می شود که در هنگام جا به جایی مقداری از آن در محیط اطراف به صورت معلق در آید. در کل جا به جایی چنین محصولات سبکی بسیار مهم تر از نحوه ی نگهداری آنهاست, زیرا که در نگهداری, با دور نگه داشتن این محصول از اسیدها و بازها تا حد زیادی می توان به خوبی از این ماده نگهداری نمود.

8-ایمنی

به دلیل ظرافت و نازکی، ایروزیل به راحتی می تواند در هوا منتقل شود و آن را به یک خطر استنشاق پذیر تبدیل می کند که می تواند باعث تحریک ریه و مجاری تنفسی شود اما برخلاف گرد و غبار مواد معدنی مانند کوارتز و کریستوبالیت، هیچ شکی مبنی بر ایجاد بیماری های ریوی (سیلیکوزیس) برای محصولات آمورف وجود ندارد. بنابراین برای دی اکسید سیلیکون تب زا و رسوب مرطوب، مقدار حدی برای کسر گرد و غبار قابل استنشاق (مقدار حد محیط کار) 4 میلی گرم بر متر مکعب تعیین شد. از طرف دیگر دی اکسید سیلیکون (سیلیس یا سیلیکا) جزء تشکیل دهنده بدن انسان است (حدود 1 گرم). از آنجایی که دی اکسید سیلیکون (در مقادیر بسیار کم) باعث رشد می شود، به نظر می رسد که عملکرد بیولوژیکی دارد. سیلیس فقط در غلظت های بالا (≥ 100 میلی گرم بر کیلوگرم) برای انسان سمی است. دی اکسید سیلیکون جامد که جذب می شود می تواند حل شده و به صورت سیلیس دفع شود.