Dispersion ultrasonique de la silice (SiO2)

La silice, également connue sous le nom de SiO2, nano-silice ou micro-silice, est utilisée dans le dentifrice, le ciment, le caoutchouc synthétique, les polymères haute performance ou dans 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 et comment les effets sonomécaniques des ultrasons peuvent améliorer l'efficacité des processus et la performance du produit final en produisant de meilleures suspensions de silice et en facilitant la synthèse de nanoparticules de silice.

Avantages de la dispersion ultrasonique de la nano-silice (SiO2)

La silice est disponible dans une large gamme de formes hydrophiles et hydrophobes et a une taille de particule extrêmement fine de quelques micromètres à quelques nanomètres. En général, la silice n'est pas bien dispersée après avoir été mouillée. Elle ajoute également beaucoup de microbulles à la formulation du produit. L'ultrasonication est une technologie efficace pour disperser la micro-silice et la nano-silice et éliminer les gaz dissous et les microbulles de la formulation.

La dispersion ultrasonique est une technique qui utilise des ondes ultrasoniques de haute intensité et de basse fréquence pour disperser et désagglomérer des particules dans un milieu liquide. En ce qui concerne la dispersion de la silice et de la nano-silice, la dispersion ultrasonique offre plusieurs avantages :
 

L'importance de la taille des particules de silice

Pour de nombreuses applications de la silice de taille nanométrique ou microscopique, une bonne dispersion uniforme est très importante. Souvent, une suspension de silice mono-dispersée est nécessaire, par exemple pour mesurer la taille des particules. Les particules de silice doivent être suffisamment petites pour ne pas interférer avec la lumière visible, afin d'éviter la formation d'un voile et de maintenir la transparence, en particulier pour les encres, les revêtements et les polymères destinés à améliorer la résistance aux rayures. Pour la plupart des revêtements, les particules de silice doivent être inférieures à 40 nm pour répondre à cette exigence. Pour d'autres applications, l'agglomération des particules de silice empêche chaque particule de silice d'interagir avec le milieu environnant.
Les homogénéisateurs à ultrasons sont plus efficaces pour disperser la silice que d'autres méthodes de mélange à cisaillement élevé, telles que les mélangeurs rotatifs ou les agitateurs de cuves. L'image ci-dessous montre un résultat typique de la dispersion ultrasonique de silice pyrogénée dans l'eau.

Dispersion ultrasonique de la silice fumée dans l'eau

Efficacité du traitement dans la réduction de la taille de la silice

La dispersion ultrasonique de la nano-silice est supérieure à d'autres méthodes de mélange à cisaillement élevé, telles que l'Ultra-Turrax d'IKA. Les ultrasons produisent des suspensions dont la taille des particules de silice est plus petite et l'ultrason est la technologie la plus économe en énergie. Pohl et Schubert ont comparé la réduction de la taille des particules d'Aerosil 90 (2% en poids) dans l'eau en utilisant un Ultra-Turrax (système rotor-stator) avec celle d'un Hielscher UIP1000hd (appareil à ultrasons de 1kW). Le graphique ci-dessous montre les résultats supérieurs du processus ultrasonique. Son étude a permis à Pohl de conclure qu'"à énergie spécifique constante, les ultrasons EV sont plus efficaces que le système rotor-stator". L'efficacité énergétique et l'uniformité de la taille des particules de silice sont de la plus haute importance dans les processus de production, où le coût de fabrication, la capacité du processus et la qualité du produit comptent.

Ultrasons contre Ultra-turrax pour la dispersion de la silice

Les images ci-dessous montrent les résultats obtenus par Pohl en sonifiant des granulés de silice lyophilisés par pulvérisation.

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

Disperseurs ultrasoniques 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 de haute performance pour le traitement des liquides, des suspensions chargées de solides et des pâtes. Les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher traitent de manière fiable les boues de silice et autres nano-supensions afin d'obtenir toutes les spécifications souhaitées. Même les formulations de produits très sensibles, abrasifs ou très visqueux peuvent être efficacement dispersés et désagglomérés à l'aide d'ultrasons. Nos ultrasons avancés sont extrêmement polyvalents et offrent des possibilités sophistiquées de traitement par lots et en ligne. Des normes de qualité élevées et des résultats reproductibles sont les principales caractéristiques de la dispersion de la silice par ultrasons.
Les ultrasons industriels de pointe Hielscher sont dotés d'un menu intelligent et convivial, de paramètres programmables, d'un 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 en matière de traitement par ultrasons. L'amplitude fait référence au déplacement maximal ou au mouvement crête à crête d'une onde ultrasonique. Pour la dispersion, la désagglomération et le broyage humide par ultrasons, des amplitudes élevées sont souvent nécessaires afin d'appliquer une énergie suffisante pour la réduction de la taille des particules. Les processeurs industriels à ultrasons Hielscher peuvent fournir des amplitudes exceptionnellement élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Des petites et moyennes entreprises R&Hielscher Ultrasonics a le processeur à ultrasons qu'il vous faut pour répondre à vos besoins en matière de traitement de la silice de qualité supérieure, qu'il s'agisse d'installations pilotes ou de systèmes industriels pour la fabrication de silice en continu.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

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

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

La silice est un composé chimique de silicium et d'oxygène dont la formule chimique est SiO2, ou dioxyde de silicium. Il existe de nombreuses formes différentes de silice, telles que le quartz fondu, la silice pyrogénée, le gel de silice et les aérogels. La silice existe sous la forme d'un composé de plusieurs minéraux et d'un produit synthétique. La silice est le plus souvent présente dans la nature sous forme de quartz et dans divers organismes vivants. Le dioxyde de silicium est obtenu par l'extraction et la purification du quartz. Les trois principales formes de silice amorphe sont la silice pyrogène, la silice précipitée et le gel de silice.

Silice fumée / Silice pyrogène

La combustion de tétrachlorure de silicium (SiCl4) dans une flamme d'hydrogène riche en oxygène produit une fumée de SiO2 – silice pyrogénée. Une autre méthode consiste à vaporiser du sable de quartz dans un arc électrique à 3 000 °C, ce qui produit également de la silice pyrogénée. Dans les deux cas, les gouttelettes microscopiques de silice amorphe qui en résultent fusionnent en particules secondaires tridimensionnelles, ramifiées et en forme de chaîne. Ces particules secondaires s'agglomèrent ensuite en une poudre blanche ayant une densité apparente extrêmement faible et une surface très élevée. La taille des particules primaires de la silice pyrogénée non poreuse est comprise entre 5 et 50 nm. La silice pyrogénée a un très fort effet épaississant. La silice pyrogénée est donc utilisée comme charge dans les élastomères de silicone et comme agent d'ajustement de la viscosité dans les peintures, les revêtements, les adhésifs, les encres d'imprimerie ou les résines de polyester insaturé. La silice pyrogénée peut être traitée pour la rendre hydrophobe ou hydrophile pour des applications liquides organiques ou aqueuses. La silice hydrophobe est un composant antimousse efficace (agent anti-mousse).
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Silice fumée Numéro CAS 112945-52-5

Fumée de silice / Microsilice

La fumée de silice est une poudre ultrafine, de taille nanométrique, également connue sous le nom de micro-silice. La fumée de silice ne doit pas être confondue avec la silice pyrogénée. Le processus de production, la morphologie des particules et les domaines d'application de la fumée de silice sont tous différents de ceux de la silice pyrogénée. La fumée de silice est une forme amorphe, non cristalline et polymorphe de SiO2. La fumée de silice est constituée de particules sphériques d'un diamètre moyen de 150 nm. L'application la plus importante de la fumée de silice est le matériau pouzzolanique pour le béton à haute performance. Elle est ajoutée au béton de ciment Portland pour améliorer les propriétés du béton, comme la résistance à la compression, l'adhérence et la résistance à l'abrasion. En outre, la fumée de silice réduit la perméabilité du béton aux ions chlorure. Elle protège ainsi l'acier d'armature du béton contre la corrosion.
Pour en savoir plus sur le mélange par ultrasons du ciment et de la fumée de silice, cliquez ici !
Fumée de silice Numéro CAS : 69012-64-2, fumée de silice Numéro EINECS : 273-761-1

Silice précipitée

La silice précipitée est une forme amorphe synthétique blanche et poudreuse de SiO2. La silice précipitée est utilisée comme charge, adoucissant ou pour améliorer les performances des plastiques ou des caoutchoucs, par exemple les pneus. Elle est également utilisée comme agent nettoyant, épaississant ou polissant dans les dentifrices.
Pour en savoir plus sur le mélange ultrasonique dans la fabrication de dentifrices, cliquez ici !
Les particules primaires de silice pyrogénée ont un diamètre compris entre 5 et 100 nm, tandis que la taille des agglomérats peut atteindre 40 µm, la taille moyenne des pores étant supérieure à 30 nm. Comme la silice pyrogénée, la silice précipitée n'est pas microporeuse.
La silice fumée est produite par précipitation à partir d'une solution contenant des sels de silicate. Après réaction d'une solution de silicate neutre avec un acide minéral, les solutions d'acide sulfurique et de silicate de sodium sont ajoutées simultanément à l'eau sous agitation, par exemple par ultrasons. La silice précipite dans des conditions acides. Outre des facteurs tels que la durée de la précipitation, le taux d'addition des réactifs, la température et la concentration, et le pH, la méthode et l'intensité de l'agitation peuvent faire varier les propriétés de la silice. L'agitation sonomécanique dans une chambre de réacteur à ultrasons est une méthode efficace pour produire des particules de taille cohérente et uniforme. L'agitation ultrasonique à des températures élevées évite la formation d'un stade de gel.
Pour plus d'informations sur la précipitation assistée par ultrasons de nanomatériaux, tels que la silice précipitée, veuillez cliquer 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 : aide au drainage dans la fabrication du papier, abrasif pour le polissage des plaquettes de silicium, catalyseur dans les processus chimiques, absorbant de l'humidité, additif pour les revêtements résistants à l'abrasion, ou surfactant 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 processus en plusieurs étapes. La neutralisation partielle d'une solution alcaline-silicatée conduit à la formation de noyaux de silice. Les sous-unités des particules de silice colloïdale sont généralement comprises entre 1 et 5 nm. Selon les conditions de polymérisation, ces sous-unités peuvent être assemblées. En réduisant le pH à moins de 7 ou en ajoutant du sel, les unités ont tendance à fusionner en chaînes, souvent appelées gels de silice. Dans le cas contraire, les sous-unités restent séparées et se développent progressivement. Les produits qui en résultent 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 !

Risque pour la santé lié à la silice

Le dioxyde de silicone cristallin sec ou en suspension dans l'air est un agent cancérogène pour les poumons humains qui peut provoquer des maladies pulmonaires graves, le 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 tissus cicatriciels et réduit la capacité des poumons à absorber l'oxygène (silicose). Le mouillage et la dispersion du SiO2 dans une phase liquide, par exemple par homogénéisation ultrasonique, éliminent le risque d'inhalation. Par conséquent, le risque qu'un produit liquide contenant du SiO2 provoque la silicose est très faible. Veuillez utiliser un équipement de protection individuelle approprié lorsque vous manipulez de la silice sous forme de poudre sèche !

Littérature