Dispersion ultrasonore de la silice (SiO2)

La silice, également appelée SiO2, nanosilice ou microsilice, est utilisée dans les dentifrices, le ciment, le caoutchouc synthétique, les polymères haute performance ou les produits alimentaires comme épaississant, adsorbant, antiagglomérant ou support pour les parfums et les arômes. Vous découvrirez ci-dessous les utilisations de la nanosilice et de la microsilice, ainsi que la manière dont les effets sonomécaniques des ultrasons peuvent améliorer l’efficacité des procédés et les performances du produit final en produisant de meilleures suspensions de silice et en facilitant la synthèse de nanoparticules de silice.

Avantages de la dispersion ultrasonore de la nanosilice (SiO2)

La silice est disponible sous une grande variété de formes hydrophiles et hydrophobes et présente une granulométrie extrêmement fine, allant de quelques micromètres à quelques nanomètres. Généralement, la silice est mal dispersée après son mouillage. Elle introduit également de nombreuses microbulles dans la formulation du produit. La sonication est une technologie de procédé efficace pour disperser la microsilice et la nanosilice et éliminer les gaz dissous et les microbulles de la formulation.

La dispersion ultrasonore est une technique qui utilise des ondes ultrasonores de haute intensité et de basse fréquence pour disperser et désagglomérer des particules dans un milieu liquide. Pour la dispersion de la silice et de la nanosilice, elle offre plusieurs avantages :
 

L’importance de la taille des particules de silice

Pour de nombreuses applications de silice nanométrique ou micrométrique, une dispersion de qualité et uniforme est très importante. Une suspension de silice monodisperse est souvent nécessaire, par exemple pour mesurer la taille des particules. En particulier, pour une utilisation dans les encres, les revêtements et les polymères afin d’améliorer la résistance aux rayures, les particules de silice doivent être suffisamment petites pour ne pas interférer avec la lumière visible, afin d’éviter le voile et de maintenir la transparence. Pour la plupart des revêtements, les particules de silice doivent être inférieures à 40nm pour satisfaire à cette exigence. Dans d’autres applications, l’agglomération des particules de silice empêche chaque particule d’interagir avec le milieu environnant.
Les homogénéisateurs à ultrasons sont plus efficaces pour disperser la silice que les autres méthodes de mélange à fort cisaillement, telles que les mélangeurs rotatifs ou les agitateurs de cuve. L’image ci-dessous montre un résultat typique de la dispersion ultrasonore de silice pyrogénée dans l’eau.

Dispersion ultrasonore de silice pyrogénée dans l’eau

Efficacité du traitement pour la réduction de la taille des particules de silice

La dispersion ultrasonore de nanosilice est supérieure aux autres méthodes de mélange à fort cisaillement, telles que celles utilisant un IKA Ultra-Turrax. Les ultrasons produisent des suspensions contenant des particules de silice plus petites, et la sonication est la technologie la plus efficace sur le plan énergétique. Pohl et Schubert ont comparé la réduction de la taille des particules d’Aerosil 90 (2%wt) dans l’eau obtenue avec un Ultra-Turrax (système rotor-stator) à celle obtenue avec un Hielscher UIP1000hd (appareil à ultrasons de 1kW). Le graphique ci-dessous montre les résultats supérieurs du procédé ultrasonore. À l’issue de son étude, Pohl a conclu que « À énergie spécifique EV constante, les ultrasons sont plus efficaces que le système rotor-stator. » L’efficacité énergétique et l’uniformité de la taille des particules de silice sont primordiales dans les procédés de production où les coûts de fabrication, la capacité de traitement et la qualité du produit comptent.

Ultrasons comparés à Ultra-turrax pour la dispersion de silice

Les images ci-dessous montrent les résultats obtenus par Pohl en soumettant à la sonication des granulés de silice lyophilisés par pulvérisation.

À gauche : images REM de granulés de silice congelés par pulvérisation avant désagglomération ultrasonore
À droite : images TEM de fragments de silice dispersés par ultrasons
Étude et images : Pohl et Schubert, 2004)

Disperseurs ultrasonores haute performance pour des formulations de silice de haute qualité

Hielscher Ultrasonics est une entreprise familiale allemande spécialisée dans le développement, la fabrication et la fourniture d’homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour le traitement de liquides, de suspensions chargées en solides et de pâtes. Les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher traitent de manière fiable les suspensions concentrées de silice et d’autres nanosuspensions pour obtenir toutes les spécifications souhaitées. Même les formulations de produits très sensibles, abrasives ou fortement visqueuses peuvent être efficacement dispersées et désagglomérées par sonication. Nos appareils à ultrasons de pointe sont extrêmement polyvalents et offrent des possibilités sophistiquées de traitement par lots et en ligne. Des niveaux de qualité élevés et fiables ainsi que des résultats reproductibles sont des caractéristiques essentielles de la dispersion ultrasonore de silice.
Les appareils à ultrasons industriels de pointe Hielscher disposent d’un menu intelligent et convivial, de réglages programmables, de l’enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, d’une commande à distance par navigateur et d’une grande robustesse.
L’amplitude est le paramètre le plus influent dans le traitement ultrasonore. L’amplitude désigne le déplacement maximal ou le mouvement crête à crête d’une onde ultrasonore. Pour la dispersion, la désagglomération et le broyage humide par ultrasons, des amplitudes élevées sont souvent nécessaires afin d’appliquer suffisamment d’énergie pour réduire la taille des particules. Les processeurs ultrasonores industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes exceptionnellement élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles.
Des appareils à ultrasons de petite et moyenne taille pour la R&D et les installations pilotes aux systèmes industriels destinés à la fabrication commerciale de silice en continu, Hielscher Ultrasonics propose le processeur ultrasonore adapté à vos exigences pour un traitement de la silice de qualité supérieure.

Conception, fabrication et conseil – La qualité fabriquée en Allemagne

Les appareils à ultrasons Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception particulièrement élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée dans les installations industrielles. Les appareils à ultrasons Hielscher supportent facilement les conditions difficiles et les environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une attention particulière aux appareils à ultrasons haute performance associant technologie de pointe et facilité d’utilisation. Bien entendu, les appareils à ultrasons Hielscher sont conformes aux exigences CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :

Qu’est-ce que la silice (SiO2, dioxyde de silicium) ?

La silice est un composé chimique constitué de silicium et d’oxygène, de formule chimique SiO2, également appelé dioxyde de silicium. Il existe de nombreuses formes de silice, telles que le quartz fondu, la silice pyrogénée, le gel de silice et les aérogels. La silice existe comme composé de plusieurs minéraux et comme produit synthétique. Dans la nature, elle se trouve le plus souvent sous forme de quartz et dans divers organismes vivants. Le dioxyde de silicium est obtenu par extraction et purification du quartz. Les trois principales formes de silice amorphe sont la silice pyrogénée, la silice précipitée et le gel de silice.

Silice pyrogénée / Silice pyrogénique

La combustion du tétrachlorure de silicium (SiCl4) dans une flamme d’hydrogène riche en oxygène produit une fumée de SiO2 – la silice pyrogénée. La vaporisation de sable de quartz dans un arc électrique à 3000 °C produit également de la silice pyrogénée. Dans les deux procédés, les gouttelettes microscopiques de silice amorphe obtenues fusionnent pour former des particules secondaires tridimensionnelles ramifiées en forme de chaînes. Ces particules secondaires s’agglomèrent ensuite en une poudre blanche présentant une masse volumique apparente extrêmement faible et une surface spécifique très élevée. La taille des particules primaires de silice pyrogénée non poreuse est comprise entre 5 et 50 nm. La silice pyrogénée a un très fort effet épaississant. Elle est donc utilisée comme charge dans les élastomères de silicone et pour ajuster la viscosité des peintures, revêtements, adhésifs, encres d’imprimerie ou résines de polyester insaturé. La silice pyrogénée peut être traitée pour devenir hydrophobe ou hydrophile, pour des applications en milieu liquide organique ou aqueux. La silice hydrophobe est un composant antimousse efficace (agent antimoussant).
Cliquez ici pour en savoir plus sur le dégazage et l’élimination de la mousse par ultrasons.
Silice pyrogénée, numéro CAS 112945-52-5

Fumée de silice / Microsilice

La fumée de silice est une poudre ultrafine de taille nanométrique, également appelée microsilice. Il ne faut pas confondre la fumée de silice avec la silice pyrogénée. Le procédé de production, la morphologie des particules et les domaines d’application de la fumée de silice diffèrent tous de ceux de la silice pyrogénée. La fumée de silice est une forme polymorphe amorphe et non cristalline de SiO2. Elle est constituée de particules sphériques d’un diamètre moyen de 150 nm. Sa principale application est son utilisation comme matériau pouzzolanique pour les bétons haute performance. Elle est ajoutée au béton à base de ciment Portland pour améliorer ses propriétés, notamment la résistance à la compression, l’adhérence et la résistance à l’abrasion. De plus, la fumée de silice réduit la perméabilité du béton aux ions chlorure. Cela protège l’acier d’armature du béton contre la corrosion.
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Fumée de silice, numéro CAS : 69012-64-2, numéro EINECS : 273-761-1

Silice précipitée

La silice précipitée est une forme synthétique amorphe de SiO2 se présentant sous forme de poudre blanche. Elle est utilisée comme charge, agent assouplissant ou additif améliorant les performances des plastiques ou du caoutchouc, par exemple dans les pneus. Elle est également utilisée comme agent nettoyant, épaississant ou polissant dans les dentifrices.
Pour en savoir plus sur le mélange ultrasonore dans la fabrication des dentifrices, cliquez ici !
Les particules primaires de silice pyrogénée ont un diamètre compris entre 5 et 100 nm, tandis que la taille des agglomérats atteint jusqu’à 40 µm, avec une taille moyenne des pores supérieure à 30 nm. Comme la silice pyrogénique, la silice précipitée n’est essentiellement pas microporeuse.
La silice pyrogénée est produite par précipitation à partir d’une solution contenant des sels de silicate. Après réaction d’une solution neutre de silicate avec un acide minéral, des solutions d’acide sulfurique et de silicate de sodium sont ajoutées simultanément à de l’eau sous agitation, par exemple par agitation ultrasonore. La silice précipite en milieu acide. Outre des facteurs tels que la durée de précipitation, la vitesse d’ajout des réactifs, la température, la concentration et le pH, la méthode et l’intensité de l’agitation peuvent modifier les propriétés de la silice. L’agitation sonomécanique dans une chambre de réacteur ultrasonore est une méthode efficace pour obtenir une taille de particules constante et uniforme. L’agitation ultrasonore à des températures élevées évite la formation d’une phase de gel.
Pour plus d’informations sur la précipitation de nanomatériaux assistée par ultrasons, tels que la silice précipitée, cliquez ici !
Silice précipitée, numéro CAS : 7631-86-9

Silice colloïdale / Colloïde de silice

La silice colloïdale est une suspension de fines particules de silice non poreuses, amorphes et principalement sphériques dans une phase liquide.
Les utilisations les plus courantes des colloïdes de silice sont les suivantes : auxiliaire d’égouttage dans la fabrication du papier, abrasif pour le polissage des plaquettes de silicium, catalyseur dans les procédés chimiques, absorbant d’humidité, additif pour les revêtements résistants à l’abrasion ou tensioactif pour la floculation, la coagulation, la dispersion ou la stabilisation.
Pour en savoir plus sur la silice colloïdale dans les revêtements polymères résistants à l’abrasion, cliquez ici !

La production de silice colloïdale est un procédé en plusieurs étapes. La neutralisation partielle d’une solution de silicate alcalin entraîne la formation de germes de silice. Les sous-unités des particules de silice colloïdale ont généralement une taille comprise entre 1 et 5 nm. Selon les conditions de polymérisation, ces sous-unités peuvent s’assembler. Lorsque le pH est abaissé en dessous de 7 ou qu’un sel est ajouté, les unités ont tendance à fusionner en chaînes, souvent appelées gels de silice. Sinon, les sous-unités restent séparées et croissent progressivement. Les produits obtenus sont souvent appelés sols de silice ou silice précipitée. Une suspension de silice colloïdale est stabilisée par ajustement du pH, puis concentrée, par exemple par évaporation.
Pour en savoir plus sur les effets sonomécaniques dans les procédés sol-gel, cliquez ici !

Risques de la silice pour la santé

Le dioxyde de silicium cristallin sec ou en suspension dans l’air est un cancérogène pulmonaire pour l’être humain qui peut provoquer de graves maladies pulmonaires, un cancer du poumon ou des maladies auto-immunes systémiques. Lorsque la poussière de silice est inhalée et pénètre dans les poumons, elle provoque la formation de tissu cicatriciel et réduit la capacité des poumons à absorber l’oxygène (silicose). Le mouillage et la dispersion de SiO2 dans une phase liquide, par exemple par homogénéisation ultrasonore, éliminent le risque d’inhalation. Le risque qu’un produit liquide contenant du SiO2 provoque une silicose est donc très faible. Veuillez utiliser des équipements de protection individuelle adaptés lorsque vous manipulez de la silice sous forme de poudre sèche !

Bibliographie

• 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.