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 en productos alimentarios como espesante, adsorbente, antiaglomerante o portador de fragancias y sabores. A continuación encontrará más información sobre los usos de la nanosílice y la microsílice y sobre cómo los efectos sonomecánicos de los ultrasonidos pueden mejorar la eficacia de los procesos y el rendimiento del producto final al conseguir mejores suspensiones de sílice y facilitar la síntesis de nanopartículas de sílice.

Ventajas de la dispersión ultrasónica de 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. Normalmente, la sílice no se dispersa bien tras la humectación. Además, añade muchas microburbujas a la formulación del producto. La ultrasonicación es una tecnología de proceso eficaz para dispersar la microsílice y la nanosílice y eliminar el gas disuelto y las microburbujas de la formulación.

La dispersión ultrasónica es una técnica que utiliza ondas ultrasónicas de alta intensidad y baja frecuencia para dispersar y desaglomerar partículas en un medio líquido. Cuando se trata de la dispersión de sílice y nano sílice, la dispersión ultrasónica ofrece varias ventajas:
 

La importancia del tamaño de las partículas de sílice

Para muchas aplicaciones de sílice de tamaño nanométrico o micrométrico, es muy importante una dispersión buena y uniforme. A menudo se requiere una suspensión de sílice monodispersa, por ejemplo para medir el tamaño de las partículas. En particular, para su uso en tintas o revestimientos 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 para evitar la neblina y mantener la transparencia. En la mayoría de los revestimientos, las partículas de sílice deben ser inferiores a 40 nm para cumplir este requisito. En 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 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 sílice pirógena en agua.

Dispersión ultrasónica de sílice pirógena en agua

Eficacia de procesamiento en la reducción del tamaño del sílice

La dispersión ultrasónica de nano sílice es superior a otros métodos de mezcla de alto cizallamiento, como el Ultra-Turrax de IKA. Los ultrasonidos producen suspensiones de un tamaño de partícula de sílice más pequeño y la ultrasonicación es la tecnología más eficiente desde el punto de vista energético. Pohl y Schubert compararon la reducción del tamaño de las partículas de Aerosil 90 (2%wt) en agua utilizando 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 "con una energía específica constante, el ultrasonido EV es más eficaz 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, donde el coste de fabricación, la capacidad del proceso y la calidad del producto son importantes.

Ultrasonidos vs. Ultra-turrax para la dispersión de sílice

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

Izquierda: imágenes REM de gránulos de sílice congelados por pulverización antes de la desaglomeración por ultrasonidos.
Derecha: Imágenes TEM de fragmentos de sílice dispersados por 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, fabricación y suministro de homogeneizadores por ultrasonidos de alto rendimiento para el tratamiento de líquidos, suspensiones cargadas de sólidos y pastas. Los homogeneizadores ultrasónicos de Hielscher procesan de forma fiable lodos de sílice y otras nanosupensiones para obtener cualquier especificación deseada. Incluso las formulaciones de productos altamente sensibles, abrasivos o muy viscosos pueden dispersarse y desaglomerarse eficazmente mediante ultrasonidos. Nuestros avanzados ultrasonicadores son extremadamente versátiles y ofrecen sofisticadas posibilidades de tratamiento por lotes y en línea. Los altos estándares de calidad y los resultados reproducibles son características clave de la dispersión de sílice por ultrasonidos.
Los ultrasonidos industriales de última generación de Hielscher disponen de un menú inteligente y fácil de usar, ajustes programables, protocolización automática de datos en una tarjeta SD integrada, control remoto mediante navegador y gran robustez.
La amplitud es el parámetro más influyente en el tratamiento por ultrasonidos. La amplitud se refiere al desplazamiento máximo o movimiento de pico a pico de una onda ultrasónica. Para la dispersión por ultrasonidos, la desaglomeración y la molienda en húmedo, a menudo se requieren amplitudes elevadas a fin de aplicar la energía suficiente para la reducción del tamaño de las partículas. Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes excepcionalmente altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Desde las pequeñas y medianas R&D y ultrasonicadores piloto hasta sistemas industriales para la fabricación comercial de sílice en modo continuo, Hielscher Ultrasonics tiene el procesador ultrasónico adecuado para cubrir sus requisitos para un procesamiento superior del sílice.

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones 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, o dióxido de silicio. Existen muchas formas diferentes de sílice, como el cuarzo fundido, la sílice pirógena, el gel de sílice y los aerogeles. La sílice existe como compuesto de varios minerales y como producto sintético. La sílice se encuentra más comúnmente en la naturaleza como 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 pirógena. Alternativamente, la vaporización de arena de cuarzo en un arco eléctrico de 3000 °C también produce sílice pirógena. En ambos procesos, las gotitas microscópicas de sílice amorfa resultantes se funden en partículas secundarias tridimensionales, ramificadas y en forma de cadena. Estas partículas secundarias se aglomeran en un polvo blanco con una densidad aparente extremadamente baja y una superficie muy elevada. El tamaño de las partículas primarias de la sílice pirógena no porosa oscila entre 5 y 50 nm. La sílice pirógena tiene un fuerte efecto espesante. Por lo tanto, la sílice pirógena se utiliza como relleno en elastómeros de silicona y para ajustar la viscosidad en pinturas, revestimientos, adhesivos, tintas de impresión o resinas de poliéster insaturadas. La sílice pirógena puede tratarse para hacerla hidrófoba o hidrófila para aplicaciones líquidas orgánicas o acuosas. La sílice hidrófoba es un componente antiespumante eficaz (agente antiespumante).
Haga clic aquí, para leer sobre la desgasificación y antiespumación por ultrasonidos.
Sílice pirógena Número CAS 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 pirógena. 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 y polimorfa del SiO2. Está formado 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 alto rendimiento. Se añade al hormigón de cemento Portland para mejorar sus propiedades, como la resistencia a la compresión, la adherencia y la resistencia a la abrasión. Además, 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 obtener más información sobre la mezcla ultrasónica de cemento y humo de sílice, 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 una forma amorfa sintética de SiO2 en polvo blanco. La sílice precipitada se utiliza como relleno, suavizante o mejora del rendimiento en plásticos o caucho, por ejemplo neumáticos. También se utiliza como agente limpiador, espesante o pulidor en dentífricos.
Para saber más sobre la mezcla por ultrasonidos en la fabricación de dentífricos, haga clic aquí.
Las partículas primarias de sílice pirógena tienen un diámetro de entre 5 y 100 nm, mientras que el tamaño del aglomerado es de hasta 40 µm, con un tamaño medio de poro superior a 30 nm. Al igual que la sílice pirogénica, la sílice precipitada no es esencialmente microporosa.
La sílice pirógena se produce por precipitación a partir de una solución que contiene sales de silicato. Tras una reacción de una solución neutra de silicato con un ácido mineral, se añaden simultáneamente al agua soluciones de ácido sulfúrico y silicato sódico con agitación, como la 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 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 una cámara de 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 fase de gel.
Para obtener más información sobre la precipitación asistida por ultrasonidos de nanomateriales, como la sílice precipitada, 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, en su mayoría esféricas, en una fase líquida.
Los usos más comunes de los coloides de sílice son como ayuda al 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 tensioactivo para flocular, coagular, dispersar o estabilizar.
Para saber más sobre la sílice coloidal en revestimientos poliméricos resistentes a la abrasión, haga clic aquí.

La producción de sílice coloidal es un proceso de varios pasos. La neutralización parcial de una solución de álcali-silicato conduce a la formación de núcleos de sílice. Las subunidades de las partículas de sílice coloidal suelen tener 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 mediante la adición de sal, las unidades tienden a fusionarse en cadenas, que suelen denominarse geles de sílice. De lo 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 ajustando el pH y luego se concentra, por ejemplo, por evaporación.
Para saber más sobre los efectos sonomecánicos en los procesos sol-gel, haga clic aquí.

Riesgo para la salud de la sílice

El dióxido de silicona cristalino seco o en suspensión en el aire es un carcinógeno pulmonar humano que puede causar enfermedades pulmonares graves, cáncer de pulmón o enfermedades autoinmunes sistémicas. Cuando el polvo de sílice se inhala y penetra en los pulmones, provoca la formación de tejido cicatricial y reduce la capacidad de los pulmones para absorber oxígeno (silicosis). La humectación y dispersión del SiO2 en una fase líquida, por ejemplo mediante homogeneización ultrasónica, elimina el riesgo de inhalación. Por lo tanto, el riesgo de que un producto líquido que contiene SiO2 provoque Silicosis es muy bajo. Utilice un equipo de protección personal adecuado cuando manipule sílice en forma de polvo seco.

Referencias