Dispersión ultrasónica de sílice (SiO2)

La sílice, también conocida como SiO2, nanosílice o microsílice, se utiliza en dentífricos, cemento, caucho sintético, polímeros de alto rendimiento o productos alimentarios como espesante, adsorbente, agente antiapelmazante o soporte para fragancias y aromas. A continuación, conocerá mejor los usos de la nanosílice y la microsílice y cómo los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos pueden mejorar la eficiencia del proceso y las prestaciones del producto final mediante la obtención de mejores suspensiones de sílice y la facilitación de la síntesis de nanopartículas de sílice.

Ventajas de la dispersión ultrasónica de nanosílice (SiO2)

La sílice está disponible en una amplia variedad de formas hidrófilas e hidrófobas y presenta un tamaño de partícula extremadamente fino, desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos nanómetros. Por lo general, la sílice no queda bien dispersada tras su humectación. Además, introduce numerosas microburbujas en la formulación del producto. La sonicación es una tecnología de procesamiento eficaz para dispersar microsílice y nanosílice y eliminar el gas disuelto y las microburbujas de la formulación.

La dispersión ultrasónica es una técnica que utiliza ondas de ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia para dispersar y desaglomerar partículas en un medio líquido. En la dispersión de sílice y nanosílice, la dispersión ultrasónica ofrece varias ventajas:
 

La importancia del tamaño de partícula de la sílice

En muchas aplicaciones de sílice de tamaño nanométrico o micrométrico, una dispersión adecuada y uniforme es muy importante. A menudo se necesita una suspensión de sílice monodispersa, por ejemplo, para medir el tamaño de partícula. En particular, cuando se utiliza en tintas, recubrimientos y polímeros para mejorar la resistencia al rayado, las partículas de sílice deben ser lo suficientemente pequeñas como para no interferir con la luz visible, a fin de evitar la turbidez y mantener la transparencia. En la mayoría de los recubrimientos, las partículas de sílice deben ser menores de 40 nm para cumplir este requisito. En otras aplicaciones, la aglomeración de las partículas de sílice dificulta que cada partícula individual interactúe con el medio circundante.
Los homogeneizadores ultrasónicos son más eficaces para dispersar sílice que otros métodos de mezcla de alto cizallamiento, como los mezcladores rotativos o los agitadores de tanque. La imagen siguiente muestra un resultado típico de la dispersión ultrasónica de sílice pirogénica en agua.

Dispersión ultrasónica de sílice pirogénica en agua

Eficiencia del procesamiento en la reducción del tamaño de la sílice

La dispersión ultrasónica de nanosílice es superior a otros métodos de mezcla de alto cizallamiento, como los que emplean un IKA Ultra-Turrax. Los ultrasonidos producen suspensiones con un tamaño de partícula de sílice menor, y la sonicación es la tecnología más eficiente desde el punto de vista energético. Pohl y Schubert compararon la reducción del tamaño de partícula de Aerosil 90 (2%wt) en agua mediante un Ultra-Turrax (sistema rotor-estator) con la obtenida mediante un Hielscher UIP1000hd (equipo ultrasónico de 1 kW). El gráfico siguiente muestra los resultados superiores del proceso ultrasónico. Como resultado de su estudio, Pohl concluyó que «A una energía específica EV constante, los ultrasonidos son más eficaces que el sistema rotor-estator». La eficiencia energética y la uniformidad del tamaño de partícula de la sílice son de suma importancia en los procesos de producción en los que cuentan el coste de fabricación, la capacidad del proceso y la calidad del producto.

Ultrasonidos frente a Ultra-turrax para la dispersión de sílice

Las imágenes siguientes muestran los resultados que Pohl obtuvo al sonicar gránulos de sílice liofilizados por pulverización.

Izquierda: imágenes REM de gránulos de sílice congelados por pulverización antes de la desaglomeración ultrasónica
Derecha: imágenes TEM de fragmentos de sílice dispersados mediante ultrasonidos
Estudio e imágenes: Pohl y Schubert, 2004)

Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para formulaciones de sílice de alta calidad

Hielscher Ultrasonics es una empresa familiar alemana especializada en el desarrollo, la fabricación y el suministro de homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para el tratamiento de líquidos, suspensiones con carga de sólidos y pastas. Los homogeneizadores ultrasónicos Hielscher procesan de forma fiable suspensiones de sílice y otras nanosuspensiones para obtener las especificaciones deseadas. Incluso las formulaciones de productos muy sensibles, abrasivas o muy viscosas pueden dispersarse y desaglomerarse eficazmente mediante sonicación. Nuestros avanzados sonicadores son extremadamente versátiles y ofrecen sofisticadas posibilidades de tratamiento por lotes y en línea. Unos estándares de calidad elevados y fiables y unos resultados reproducibles son características fundamentales de la dispersión ultrasónica de sílice.
Los sonicadores industriales Hielscher de última generación incorporan un menú inteligente y fácil de usar, ajustes programables, registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, control remoto mediante navegador y una gran robustez.
La amplitud es el parámetro que más influye en el procesamiento ultrasónico. La amplitud se refiere al desplazamiento máximo o al movimiento de pico a pico de una onda ultrasónica. La dispersión ultrasónica, la desaglomeración y la molienda en húmedo suelen requerir amplitudes elevadas para aplicar suficiente energía para reducir el tamaño de partícula. Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes excepcionalmente altas. Es posible trabajar fácilmente con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Desde sonicadores pequeños y medianos para I+D y plantas piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de sílice en modo continuo, Hielscher Ultrasonics dispone del procesador ultrasónico adecuado para satisfacer sus requisitos de procesamiento de sílice con resultados superiores.

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los sonicadores Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros sonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los sonicadores Hielscher afrontan fácilmente condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO que presta especial atención a los sonicadores de alto rendimiento con tecnología de última generación y facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

¿Qué es la sílice (SiO2, dióxido de silicio)?

La sílice es un compuesto químico formado por silicio y oxígeno cuya fórmula química es SiO2, también denominado dióxido de silicio. Existen muchas formas diferentes de sílice, como el cuarzo fundido, la sílice pirogénica, el gel de sílice y los aerogeles. La sílice está presente como componente de diversos minerales y como producto sintético. En la naturaleza, la sílice se encuentra principalmente en forma de cuarzo y en diversos organismos vivos. El dióxido de silicio se obtiene mediante la extracción y purificación del cuarzo. Las tres formas principales de sílice amorfa son la sílice pirogénica, la sílice precipitada y el gel de sílice.

Sílice pirogénica / Sílice pirogénica

La combustión de tetracloruro de silicio (SiCl4) en una llama de hidrógeno rica en oxígeno produce un humo de SiO2 – sílice pirogénica. Alternativamente, la vaporización de arena de cuarzo en un arco eléctrico a 3000 °C también produce sílice pirogénica. En ambos procesos, las gotas microscópicas de sílice amorfa resultantes se fusionan formando partículas secundarias tridimensionales ramificadas, con estructura de cadena. Estas partículas secundarias se aglomeran después en un polvo blanco con una densidad aparente extremadamente baja y una superficie muy elevada. El tamaño de las partículas primarias de la sílice pirogénica no porosa se sitúa entre 5 y 50 nm. La sílice pirogénica tiene un efecto espesante muy intenso. Por ello, se utiliza como carga en elastómeros de silicona y para ajustar la viscosidad en pinturas, recubrimientos, adhesivos, tintas de impresión o resinas de poliéster insaturado. La sílice pirogénica puede tratarse para hacerla hidrófoba o hidrófila, según se destine a aplicaciones en líquidos orgánicos o en medios acuosos. La sílice hidrófoba es un componente eficaz de los agentes antiespumantes.
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Número CAS de la sílice pirogénica: 112945-52-5

Humo de sílice / Microsílice

El humo de sílice es un polvo ultrafino de tamaño nanométrico, también conocido como microsílice. El humo de sílice no debe confundirse con la sílice pirogénica. El proceso de producción, la morfología de las partículas y los campos de aplicación del humo de sílice difieren de los de la sílice pirogénica. El humo de sílice es una forma polimórfica amorfa y no cristalina de SiO2. Está compuesto por partículas esféricas con un diámetro medio de 150 nm. La aplicación más destacada del humo de sílice es como material puzolánico para hormigón de altas prestaciones. Se añade al hormigón de cemento Portland para mejorar propiedades como la resistencia a la compresión, la resistencia de adherencia y la resistencia a la abrasión. Además, el humo de sílice reduce la permeabilidad del hormigón a los iones cloruro. Esto protege de la corrosión al acero de las armaduras del hormigón.
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Número CAS del humo de sílice: 69012-64-2, número EINECS del humo de sílice: 273-761-1

Sílice precipitada

La sílice precipitada es una forma sintética amorfa de SiO2 que se presenta como un polvo blanco. Se utiliza como carga, agente suavizante o aditivo para mejorar las prestaciones de plásticos o cauchos, por ejemplo, en neumáticos. Otros usos incluyen su aplicación como agente limpiador, espesante o pulidor en dentífricos.
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Las partículas primarias de sílice pirogénica tienen un diámetro de entre 5 y 100 nm, mientras que los aglomerados alcanzan tamaños de hasta 40 µm y el tamaño medio de poro es superior a 30 nm. Al igual que la sílice pirogénica, la sílice precipitada es esencialmente no microporosa.
La sílice pirogénica se produce por precipitación a partir de una solución que contiene sales de silicato. Tras la reacción de una solución neutra de silicato con un ácido mineral, se añaden simultáneamente al agua soluciones de ácido sulfúrico y silicato de sodio, bajo agitación, por ejemplo, agitación ultrasónica. La sílice precipita en condiciones ácidas. Además de factores como la duración de la precipitación, la velocidad de adición de los reactivos, la temperatura, la concentración y el pH, el método y la intensidad de la agitación pueden modificar las propiedades de la sílice. La agitación sonomecánica en la cámara de un reactor ultrasónico es un método eficaz para obtener un tamaño de partícula constante y uniforme. La agitación ultrasónica a temperaturas elevadas evita la formación de una fase de gel.
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Número CAS de la sílice precipitada: 7631-86-9

Sílice coloidal / Coloide de sílice

La sílice coloidal es una suspensión de partículas finas de sílice no porosas, amorfas y mayoritariamente esféricas en una fase líquida.
Los usos más habituales de los coloides de sílice incluyen su aplicación como auxiliar de drenaje en la fabricación de papel, abrasivo para el pulido de obleas de silicio, catalizador en procesos químicos, absorbente de humedad, aditivo para recubrimientos resistentes a la abrasión o tensioactivo para flocular, coagular, dispersar o estabilizar.
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La producción de sílice coloidal es un proceso de varias etapas. La neutralización parcial de una solución de silicato alcalino da lugar a la formación de núcleos de sílice. Las subunidades de las partículas de sílice coloidal suelen tener un tamaño de entre 1 y 5 nm. Dependiendo de las condiciones de polimerización, estas subunidades pueden unirse entre sí. Al reducir el pH por debajo de 7 o añadir sal, las unidades tienden a fusionarse formando cadenas, que suelen denominarse geles de sílice. En caso contrario, las subunidades permanecen separadas y crecen gradualmente. Los productos resultantes suelen denominarse soles de sílice o sílice precipitada. Una suspensión de sílice coloidal se estabiliza mediante el ajuste del pH y después se concentra, por ejemplo, por evaporación.
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Riesgos de la sílice para la salud

El «silicone dioxide» cristalino seco o presente en el aire es un carcinógeno pulmonar para el ser humano que puede causar enfermedades pulmonares graves, cáncer de pulmón o enfermedades autoinmunes sistémicas. Cuando el polvo de sílice se inhala y entra en los pulmones, provoca la formación de tejido cicatricial y reduce la capacidad de los pulmones para captar oxígeno (silicosis). La humectación y dispersión de SiO2 en una fase líquida, por ejemplo, mediante homogeneización ultrasónica, elimina el riesgo de inhalación. Por tanto, el riesgo de que un producto líquido que contiene SiO2 cause silicosis es muy bajo. ¡Utilice equipos de protección individual adecuados cuando manipule sílice en forma de polvo seco!

Bibliografía

• 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.