Kolloidales Silica: Analyse der Partikelgröße und Stabilität mit dem Litesizer 500

Kolloidales Silica, oder Kieselsol, ist eine wässrige Suspension von typischerweise kugelförmigen Siliciumdioxid-Teilchen, die über sehr viele industrielle Einsatzmöglichkeiten verfügt. Bei jeder Anwendung spielt dabei die Bestimmung der Teilchengröße sowie des Zetapotenzials eine entscheidende Rolle. Mithilfe des Litesizer™ 500 untersuchten wir die Partikelgröße und das Zetapotenzial von Kieselsol bei unterschiedlichen pH-Werten bzw. bei Zugabe von Polyethylenglykol (PEG). Es zeigte sich, dass bei niedrigen pH Werten das Zetapotenzial abnimmt, was mit einer Zunahme der Partikelgröße einhergeht.

Silica (Siliciumdioxid) ist ein weit verbreitetes Material, das in der Natur (meist als Quarz) sowie in lebenden Organismen reichlich vorhanden ist. Als kolloidale Lösung wird Silica vielfältig verwendet, unter anderem als thixotropes oder verdickendes Mittel sowie als Antiabsetzmittel in Farben und Beschichtungen. Zusätzlich wird es in der Mikroelektronikindustrie beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP) eingesetzt, wird verwendet um Bier zu klären und spielt eine wesentliche Rolle bei der Herstellung von Keramik.

Bei jeder Anwendung von kolloidalem Silica (auch genannt Kieselsol) spielt die Größe der SiliciumdioxidNanopartikel eine entscheidende Rolle. Beispielsweise müssen die für CMP verwendeten Siliciumdioxid-Partikel klein genug sein, um ein Zerkratzen des empfindlichen Silicium-Wafers zu vermeiden, aber groß genug, um unerwünschte Materialien schnell und kostengünstig zu entfernen. Für die Herstellung von keramischen Produkten ist die Partikelgröße der wichtigste Parameter und muss für jedes Produkt optimiert werden, um die gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Die meisten keramischen Produkte werden durch Schlickerguss in einer Gipsform hergestellt. Die Dispersionsstabilität ist dabei wichtig, da die Partikel in Suspension bleiben müssen um eine gleichmäßige Abscheidung auf den Formwänden zu ermöglichen.

Die Stabilität einer Suspension wird mithilfe des Zetapotenzials analysiert, welches die abstoßende Wechselwirkung zwischen den suspendierten Partikeln charakterisiert. Ein geringes Zetapotenzial (z.B. wenn der pH Wert der Probe nahe dem isoelektrischen Punkt des Materials liegt) bedeutet eine geringe Abstoßungskraft zwischen den Partikeln, was zu einer Aggregation führen könnte.

Daher besteht die Notwendigkeit, sowohl die Teilchengröße als auch das Zetapotenzial von Kieselsol zu messen, um die Siliciumdioxid-Qualität korrekt zu analysieren.

Darüber hinaus werden häufig für viele Anwendungen Polymeradditive wie Polyethylenglykol (PEG) verwendet, um Partikel zu stabilisieren und dadurch Aggregation zu reduzieren. PEG ist bekannt, sich an Siliciumdioxid-Nanopartikel zu binden und wird außerdem als Weichmacher genutzt.

In dieser Studie bestimmen wir die Partikelgröße und das Zetapotenzial von Kieselsol mit dem Litesizer™ 500 unter Verwendung der dynamischen Lichtstreuung (DLS) sowie der elektrophoretischen Lichtstreuung (ELS). Wir untersuchen auch, wie die Partikelgröße und das Zetapotenzial durch den pHWert oder durch Zugabe von Polyethylenglykol (PEG) beeinflusst werden.

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