Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Dispersión ultrasónica de sílice (SiO2)

La sílice, también conocida como SiO2, la nano-sílice o la microsílice se utiliza en la pasta de dientes, el cemento, el caucho sintético, el polímero de alto rendimiento o en productos alimenticios como espesante, adsorbente, antiaglomerante o portador de fragancias y sabores. A continuación, aprenderá más sobre los usos de la nanosílica y la microsílica y cómo los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos pueden mejorar la eficiencia de los procesos y el rendimiento del producto final mediante la fabricación de mejores suspensiones de sílice o la mejora de la síntesis de nanopartículas de sílice.

Dispersión de sílice / Suspensión de sílice / Nano sílice (SiO2)

La sílice está disponible en una amplia gama de formas hidrófilas e hidrófobas y tiene un tamaño de partícula extremadamente fino, desde unos pocos micrómetros hasta algunos nanómetros. Típicamente la sílice no se dispersa bien después de mojarse. También añade muchas microburbujas a la formulación del producto. La ultrasonificación es una tecnología de proceso efectiva para dispersar la micro y nano sílice y eliminar el gas disuelto y las microburbujas de la formulación.

Dispersión ultrasónica de sílice ahumada: El homogeneizador ultrasónico de Hielscher UP400S dispersa polvo de sílice rápida y eficientemente en nanopartículas únicas y monodispersas.

Dispersión ultrasónica del silicio ahumado en el agua usando el homogeneizador ultrasónico UP400S

Para muchas aplicaciones de la sílice de tamaño nano o micro, una buena y uniforme dispersión es muy importante. A menudo se requiere una suspensión de sílice monodispersa, por ejemplo, para la medición del tamaño de las partículas. En particular para su uso en tintas o revestimientos y polímeros para mejorar la resistencia a los arañazos, las partículas de sílice deben ser lo suficientemente pequeñas como para no interferir con la luz visible, a fin de evitar la neblina y mantener la transparencia. Para la mayoría de los recubrimientos las partículas de sílice necesitan ser más pequeñas que 40nm para cumplir con este requisito. Para otras aplicaciones, la aglomeración de partículas de sílice impide que cada partícula de sílice individual interactúe con el medio circundante.
Los homogeneizadores ultrasónicos son más eficaces en la dispersión de la sílice que otros métodos de mezcla de alto cizallamiento, como los mezcladores rotatorios o los agitadores de tanque. La imagen siguiente muestra un resultado típico de la dispersión ultrasónica de la sílice pirógena en el agua.

The picture shows a typical result of ultrasonic dispersing of fumed silica in water.

Dispersión ultrasónica de la sílice ahumada en el agua

La eficiencia de procesamiento de reducción del tamaño de Sílice

La dispersión ultrasónica de la nano-sílice es superior a otros métodos de mezcla de alto cizallamiento, como el Ultra-Turrax de la IKA. La ultrasónica produce suspensiones de un tamaño de partícula de sílice más pequeño y la ultrasonicación es la tecnología más eficiente en cuanto a energía. Pohl y Schubert compararon la reducción del tamaño de las partículas de Aerosil 90 (2%wt) en agua usando un Ultra-Turrax (sistema rotor-estator) con la de un Hielscher UIP1000hd (dispositivo ultrasónico de 1kW). El gráfico siguiente muestra los resultados superiores del proceso ultrasónico. Como resultado de su estudio Pohl concluyó que "A una energía específica constante, el ultrasonido EV es más efectivo que el sistema rotor-estator". La eficiencia energética y la uniformidad del tamaño de las partículas de sílice son de suma importancia en los procesos de producción, en los que el costo de fabricación, la capacidad del proceso y la calidad del producto son importantes.

Ultrasonic dispersion of nano-silica compared to other high-shear mixing methods, such as an IKA Ultra-Turrax

Ultrasonidos vs. Ultra-turrax para la dispersión de sílice

Las imágenes que se muestran a continuación muestran los resultados que Pohl obtuvo mediante la sonicación de gránulos de congelación en spray de sílice. (¡Pulse en las imágenes para ampliarlas!)

Aerosol de sílice Freeze gránulos antes de la sonicaciónDispersión de sílice después de la sonicación
(izquierda: antes de la sonicación, derecha: después de la sonicación)

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¿Qué es la Sílice (SiO2, Dióxido de Silicio)?

La sílice es un compuesto químico compuesto de silicio y oxígeno con la fórmula química SiO2, o dióxido de silicio. Hay muchas formas diferentes de sílice, como el cuarzo fundido, la sílice ahumada, el gel de sílice y los aerogeles. La sílice existe como un compuesto de varios minerales y como producto sintético. La sílice se encuentra más comúnmente en la naturaleza como cuarzo y en varios 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 ahumada / Sílice pirogénica

La quema de tetracloruro de silicio (SiCl4) en una llama de hidrógeno rica en oxígeno produce un humo de SiO2 – sílice fumada. Alternativamente, la vaporización de arena de cuarzo en un arco eléctrico de 3.000 °C, produce también sílice fumada. En ambos procesos, las gotas microscópicas de sílice amorfa resultantes se fusionan en partículas secundarias tridimensionales ramificadas y en cadena. Estas partículas secundarias se aglomeran entonces en un polvo blanco con una densidad aparente extremadamente baja y una superficie muy alta. El tamaño de las partículas primarias de la sílice amorfa no porosa está entre 5 y 50 nm. La sílice ahumada tiene un efecto espesante muy fuerte. Por lo tanto, la sílice pirógena se utiliza como relleno en el elastómero de silicona y ajuste de la viscosidad en pinturas, revestimientos, adhesivos, tintas de impresión o resinas de poliéster insaturadas. La sílice pirógena puede ser tratada para hacerla hidrofóbica o hidrófila tanto para aplicaciones líquidas orgánicas como acuosas. La sílice hidrofóbica es un eficaz componente antiespumante (agente antiespumante).
Haga clic aquí, para leer sobre la desgasificación ultrasónica y la antiespumación.
Sílice ahumada Número CAS 112945-52-5

Humo de sílice / Microsílice

El humo de sílice es un polvo ultra-fino, de tamaño nano, también conocido como micro-sílice. El humo de sílice no debe ser confundido con la sílice fumada. El proceso de producción, la morfología de las partículas y los campos de aplicación del humo de sílice son diferentes de los de la sílice pirógena. El humo de sílice es una forma amorfa, no cristalina, polimorfa de SiO2. El humo de sílice consiste en partículas esféricas con un diámetro de partícula promedio de 150 nm. La aplicación más destacada de la microsílica es como material puzolánico para hormigón de alto rendimiento. Se añade al hormigón de cemento Pórtland para mejorar las propiedades del hormigón, como la resistencia a la compresión, la fuerza de adhesión y la resistencia a la abrasión. Más allá de eso, el humo de sílice reduce la permeabilidad del hormigón a los iones de cloruro. Esto protege el acero de refuerzo del hormigón de la corrosión.
Para aprender más sobre la mezcla ultrasónica de humo de cemento y sílice, por favor haga clic aquí!
Humo de sílice número CAS: 69012-64-2, Humo de sílice número EINECS: 273-761-1

Sílice precipitada

La sílice precipitada es un polvo blanco sintético amorfo de SiO2. La sílice precipitada se utiliza como relleno, suavizante o para mejorar el rendimiento de los plásticos o el caucho, por ejemplo, los neumáticos. Otros usos incluyen la limpieza, el espesamiento o el pulido de pastas de dientes.
Para saber más sobre la mezcla ultrasónica en la fabricación de pasta de dientes, por favor haga clic aquí!
Las partículas primarias de sílice pirógena tienen un diámetro de entre 5 y 100 nm, mientras que el tamaño de los aglomerados es de hasta 40 µm y el tamaño medio de los poros es superior a 30 nm. Como la sílice pirogénica, la sílice precipitada no es esencialmente microporosa.
La sílice ahumada se produce por precipitación de una solución que contiene sales de silicato. Tras la reacción de una solución de silicato neutro con un ácido mineral, las soluciones de ácido sulfúrico y de silicato de sodio se añaden simultáneamente a la agitación, como la agitación ultrasónica, al agua. El sílice se precipita en condiciones ácidas. Además de factores como la duración de la precipitación, la tasa de adición de los reactivos, la temperatura y la concentración, y el pH, el método y la intensidad de la agitación pueden variar las propiedades de la sílice. La agitación sonomecánica en la cámara de un reactor ultrasónico es un método eficaz para producir un tamaño de partícula consistente y uniforme. La agitación ultrasónica a temperaturas elevadas evita la formación de una etapa de gel.
Para más información sobre la precipitación asistida por ultrasonidos de nanomateriales, como la sílice precipitada, ¡por favor haga clic aquí!
Sílice precipitada Número CAS: 7631-86-9

Sílice coloidal / Coloide de sílice

La sílice coloidal es una suspensión de finas partículas de sílice no porosas, amorfas y en su mayoría esféricas en una fase líquida.
Los usos más comunes de los coloides de sílice son como ayuda de drenaje en la fabricación de papel, abrasivo para el pulido de obleas de silicio, catalizador en procesos químicos, absorbente de humedad, aditivo para revestimientos resistentes a la abrasión o surfactante para flocular, coagular, dispersar o estabilizar.
Para aprender más sobre la sílice coloidal en los recubrimientos poliméricos resistentes a la abrasión, por favor haga clic aquí!

La producción de sílice coloidal es un proceso de varios pasos. La neutralización parcial de una solución de silicato alcalino lleva a la formación de núcleos de sílice. Las subunidades de las partículas de sílice coloidal se encuentran típicamente en el rango de 1 a 5 nm. Dependiendo de las condiciones de la polimerización, estas subunidades pueden unirse. Al reducir el pH por debajo de 7 o al añadir sal, las unidades tienden a fusionarse en cadenas, que a menudo se denominan geles de sílice. Si no, las subunidades permanecen separadas y crecen gradualmente. Los productos resultantes se denominan a menudo soles de sílice o sílice precipitada. Una suspensión de sílice coloidal se estabiliza mediante el ajuste del pH y luego se concentra, por ejemplo, mediante la evaporación.
Para aprender más sobre los efectos sonomecánicos en los procesos de sol-gel, ¡por favor haga clic aquí!

Riesgo para la salud de la sílice

El dióxido de silicona cristalino seco o transportado por el aire es un carcinógeno pulmonar humano que puede causar una grave enfermedad pulmonar, cáncer de pulmón o enfermedades autoinmunes sistémicas. Cuando el polvo de sílice se inhala y entra en los pulmones, causa la formación de tejido cicatrizante y reduce la capacidad de los pulmones para recibir oxígeno (Silicosis). La humectación y dispersión del SiO2 en una fase líquida, por ejemplo mediante la homogeneización ultrasónica, elimina el riesgo de inhalación. Por lo tanto, el riesgo de que un producto líquido que contiene SiO2 cause Silicosis es muy bajo. Por favor, use el equipo de protección personal adecuado cuando manipule la sílice en forma de polvo seco!

Referencias

  • Markus Pohl, Helmar Schubert (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions, 2004 Partec

Aerosol de sílice Freeze gránulos antes de la sonicación
de sílice antes de la sonicación

Dispersión de sílice después de la sonicación
de sílice después de la sonicación

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