Dispersion ultrasonique de la silice (SiO2)
La silice, également appelée SiO2, nano-silice ou micro-silice est utilisée dans le dentifrice, le ciment, le caoutchouc synthétique, le polymère haute performance ou dans les produits alimentaires comme épaississant, adsorbant, anti-agglomérant ou support pour les parfums et les arômes. Vous en apprendrez plus ci-dessous sur les utilisations de la nanosilice et de la microsilice et sur la manière dont les effets sonomécaniques des ultrasons peuvent améliorer l'efficacité des processus et les performances du produit final en fabriquant de meilleures suspensions de silice ou en améliorant la synthèse des nanoparticules de silice.
Dispersion de silice / Suspension de silice / Nano-silice (SiO2)
La silice est disponible sous 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'ultrason est une technologie de procédé efficace pour disperser la micro-silice et la nano-silice et éliminer les gaz dissous et les microbulles de la formulation.
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Pour de nombreuses applications de la silice de taille nanométrique ou microscopique, une bonne et uniforme dispersion est très importante. Souvent, une suspension de silice mono-dispersée est nécessaire, par exemple pour la mesure de la taille des particules. En particulier pour une utilisation dans les encres ou 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 40 nm pour satisfaire à cette exigence. Pour d'autres applications, l'agglomération des particules de silice empêche chaque particule de silice individuelle d'interagir avec le milieu environnant.
Les homogénéisateurs à ultrasons sont plus efficaces pour disperser la silice que d'autres méthodes de mélange à fort cisaillement, comme les mélangeurs rotatifs ou les agitateurs à cuve. L'image ci-dessous montre un résultat typique de la dispersion par ultrasons de la silice fumée dans l'eau.
Dispersion ultrasonique de la silice fumée dans l'eau
L'efficacité du traitement dans la réduction de la taille de silice
La dispersion ultrasonique de la nano-silice est supérieure à d'autres méthodes de mélange à fort cisaillement, comme l'Ultra-Turrax d'IKA. Les ultrasons produisent des suspensions de particules de silice de plus petite taille et l'ultrasonification 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% 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 procédé ultrasonique. À la suite de son étude, Pohl a conclu que "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.
Montage expérimental avec l'ultrasoniseur UP400S pour la désagglomération de la nanosilice.
Etude et graphisme : Vikash, 2020.
Ultrasons contre Ultra-turrax pour la dispersion de la silice
Les images ci-dessous montrent les résultats que Pohl a obtenus en sonisant des granules de silice pulvérisée. (Cliquez sur les images pour les agrandir !)
Qu'est-ce que la silice (SiO2, dioxyde de silicium) ?
La silice est un composé chimique composé 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 fumée, 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 se trouve le plus souvent 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 du tétrachlorure de silicium (SiCl4) dans une flamme d'hydrogène riche en oxygène produit une fumée de SiO2 – silice fumée. La vaporisation de sable de quartz dans un arc électrique à 3000 °C produit également de la silice fumée. Dans les deux procédés, les gouttelettes microscopiques de silice amorphe qui en résultent fusionnent en particules secondaires ramifiées, en forme de chaîne et tridimensionnelles. Ces particules secondaires s'agglomèrent ensuite en une poudre blanche de densité apparente extrêmement faible et de très grande surface. La taille des particules primaires de la silice fumée non poreuse est comprise entre 5 et 50 nm. La silice fumée a un très fort effet épaississant. La silice fumée est donc utilisée comme charge dans les élastomères de silicone et pour ajuster la viscosité des peintures, des revêtements, des adhésifs, des encres d'imprimerie ou des résines de polyester insaturé. La silice fumée 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 appelée micro-silice. La fumée de silice ne doit pas être confondue avec la silice fumée. 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 fumée. 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, la force d'adhérence et la résistance à l'abrasion. En outre, 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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Numéro CAS de la fumée de silice : 69012-64-2, numéro EINECS de la fumée de silice : 273-761-1
Silice précipitée
La silice précipitée est une forme amorphe synthétique pulvérulente blanche de SiO2. La silice précipitée est utilisée comme charge, adoucissant ou amélioration des performances des plastiques ou du caoutchouc, par exemple des pneus. Elle est également utilisée comme agent nettoyant, épaississant ou polissant dans les dentifrices.
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Les particules primaires de silice fumée 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 pyrogène, la silice précipitée n'est essentiellement 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, des solutions d'acide sulfurique et de silicate de sodium sont ajoutées à l'eau simultanément avec une agitation, par exemple une agitation ultrasonique. 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 une taille de particules constante 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, principalement sphériques, dans une phase liquide.
Les utilisations les plus courantes des colloïdes de silice sont l'aide au drainage dans la fabrication du papier, l'abrasif pour le polissage des plaquettes de silicium, le catalyseur dans les processus chimiques, l'absorbant d'humidité, l'additif pour les revêtements résistants à l'abrasion ou le 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, veuillez cliquer ici !
La production de silice colloïdale est un processus à plusieurs étapes. La neutralisation partielle d'une solution de silicate alcalin 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 en dessous de 7 ou en ajoutant du sel, les unités ont tendance à se fusionner en chaînes, souvent appelées gels de silice. Sinon, 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 processus sol-gel, veuillez cliquer ici !
Risque sanitaire lié à la silice
Le dioxyde de silicone cristallin sec ou en suspension dans l'air est un cancérigène pulmonaire 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 du SiO2 dans une phase liquide, par exemple par homogénéisation ultrasonique, élimine le risque d'inhalation. Par conséquent, le risque qu'un produit liquide contenant du SiO2 provoque une silicose est très faible. Veuillez utiliser un équipement de protection individuelle approprié lorsque vous manipulez de la silice sous forme de poudre sèche !