Dispersione a ultrasuoni della silice (SiO2)

La silice, nota anche come SiO2, nanosilice o microsilice, viene utilizzata nei dentifrici, nel cemento, nella gomma sintetica, nei polimeri ad alte prestazioni o nei prodotti alimentari come addensante, adsorbente, antiagglomerante o supporto per fragranze e aromi. Di seguito scoprirai di più sugli impieghi della nanosilice e della microsilice e su come gli effetti sonomeccanici degli ultrasuoni possano migliorare l’efficienza del processo e le prestazioni del prodotto finale, ottenendo sospensioni di silice migliori e facilitando la sintesi di nanoparticelle di silice.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni della nanosilice (SiO2)

La silice è disponibile in un’ampia gamma di forme idrofile e idrofobe e presenta dimensioni delle particelle estremamente ridotte, da pochi micrometri fino ad alcuni nanometri. In genere, dopo la bagnatura la silice non è ben dispersa. Inoltre, introduce numerose microbolle nella formulazione del prodotto. La sonicazione è una tecnologia di processo efficace per disperdere la microsilice e la nanosilice ed eliminare il gas disciolto e le microbolle dalla formulazione.

La dispersione a ultrasuoni è una tecnica che utilizza onde ultrasoniche ad alta intensità e bassa frequenza per disperdere e deagglomerare le particelle in un mezzo liquido. Per la dispersione della silice e della nanosilice, la dispersione a ultrasuoni offre diversi vantaggi:
 

L’importanza delle dimensioni delle particelle di silice

Per molte applicazioni della silice di dimensioni nanometriche o micrometriche, una dispersione buona e uniforme è molto importante. Spesso è necessaria una sospensione di silice monodispersa, ad esempio per la misurazione delle dimensioni delle particelle. In particolare, per l’impiego in inchiostri, rivestimenti e polimeri al fine di migliorare la resistenza ai graffi, le particelle di silice devono essere sufficientemente piccole da non interferire con la luce visibile, evitando così l’opacizzazione e mantenendo la trasparenza. Per la maggior parte dei rivestimenti, le particelle di silice devono essere più piccole di 40nm per soddisfare questo requisito. In altre applicazioni, l’agglomerazione delle particelle di silice impedisce a ciascuna particella di interagire con il mezzo circostante.
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono più efficaci nella dispersione della silice rispetto ad altri metodi di miscelazione ad alto taglio, come i miscelatori rotativi o gli agitatori per serbatoi. L’immagine seguente mostra un risultato tipico della dispersione a ultrasuoni della silice pirogenica in acqua.

Dispersione a ultrasuoni della silice pirogenica in acqua

Efficienza del processo nella riduzione delle dimensioni delle particelle di silice

La dispersione a ultrasuoni della nanosilice è superiore ad altri metodi di miscelazione ad alto taglio, come quelli che utilizzano un IKA Ultra-Turrax. Gli ultrasuoni producono sospensioni con particelle di silice più piccole e la sonicazione è la tecnologia più efficiente dal punto di vista energetico. Pohl e Schubert hanno confrontato la riduzione delle dimensioni delle particelle di Aerosil 90 (2%wt) in acqua ottenuta utilizzando un Ultra-Turrax (sistema rotore-statore) con quella ottenuta con un Hielscher UIP1000hd (dispositivo a ultrasuoni da 1kW). Il grafico seguente mostra i risultati superiori del processo a ultrasuoni. Sulla base del suo studio, Pohl ha concluso che «A energia specifica EV costante, gli ultrasuoni sono più efficaci del sistema rotore-statore». L’efficienza energetica e l’uniformità delle dimensioni delle particelle di silice sono di fondamentale importanza nei processi produttivi, nei quali contano i costi di produzione, la capacità di processo e la qualità del prodotto.

Ultrasuoni rispetto a Ultra-turrax per la dispersione della silice

Le immagini seguenti mostrano i risultati ottenuti da Pohl mediante sonicazione di granuli di silice liofilizzati mediante nebulizzazione.

A sinistra: immagini REM di granuli di silice congelati mediante nebulizzazione prima della deagglomerazione a ultrasuoni
A destra: immagini TEM di frammenti di silice dispersi mediante ultrasuoni
Studio e immagini: Pohl e Schubert, 2004)

Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per formulazioni di silice di alta qualità

Hielscher Ultrasonics è un’azienda tedesca a conduzione familiare specializzata nello sviluppo, nella produzione e nella fornitura di omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per il trattamento di liquidi, sospensioni contenenti solidi e paste. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher trattano in modo affidabile sospensioni concentrate di silice e altre nanosospensioni per ottenere qualsiasi specifica desiderata. Anche le formulazioni di prodotto altamente sensibili, abrasive o molto viscose possono essere disperse e deagglomerate efficacemente mediante sonicazione. I nostri sonicatori avanzati sono estremamente versatili e offrono sofisticate possibilità di trattamento in batch e in linea. Standard qualitativi costantemente elevati e risultati riproducibili sono caratteristiche fondamentali della dispersione a ultrasuoni della silice.
I sonicatori industriali Hielscher di ultima generazione sono dotati di un menu intelligente e intuitivo, impostazioni programmabili, registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, controllo remoto tramite browser ed elevata robustezza.
L’ampiezza è il parametro più influente nel trattamento a ultrasuoni. L’ampiezza si riferisce allo spostamento massimo o al movimento da picco a picco di un’onda ultrasonica. Per la dispersione, la deagglomerazione e la macinazione a umido mediante ultrasuoni sono spesso necessarie ampiezze elevate per applicare energia sufficiente a ridurre le dimensioni delle particelle. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher possono fornire ampiezze eccezionalmente elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Dai sonicatori di piccole e medie dimensioni per ricerca e sviluppo e impianti pilota ai sistemi industriali per la produzione commerciale di silice in modalità continua, Hielscher Ultrasonics dispone del processore a ultrasuoni adatto a soddisfare le tue esigenze di trattamento della silice con risultati superiori.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità di utilizzo consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher gestiscono facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità di utilizzo. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi ai requisiti CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Che cos’è la silice (SiO2, diossido di silicio)?

La silice è un composto chimico costituito da silicio e ossigeno, con formula chimica SiO2, ovvero diossido di silicio. Esistono molte forme diverse di silice, come quarzo fuso, silice pirogenica, gel di silice e aerogel. La silice è presente come composto in diversi minerali e come prodotto sintetico. In natura, la silice si trova più comunemente sotto forma di quarzo e in vari organismi viventi. Il diossido di silicio viene ottenuto mediante estrazione e purificazione del quarzo. Le tre forme principali di silice amorfa sono la silice pirogenica, la silice precipitata e il gel di silice.

Silice pirogenica / Silice ottenuta per pirolisi

La combustione del tetracloruro di silicio (SiCl4) in una fiamma di idrogeno ricca di ossigeno produce un fumo di SiO2 – silice pirogenica. In alternativa, anche la vaporizzazione della sabbia di quarzo in un arco elettrico a 3000 °C produce silice pirogenica. In entrambi i processi, le microscopiche goccioline di silice amorfa risultanti si fondono formando particelle secondarie tridimensionali, ramificate e a catena. Queste particelle secondarie si agglomerano poi in una polvere bianca con densità apparente estremamente bassa e superficie specifica molto elevata. Le dimensioni delle particelle primarie della silice pirogenica non porosa sono comprese tra 5 e 50 nm. La silice pirogenica ha un effetto addensante molto marcato. Per questo viene utilizzata come carica negli elastomeri siliconici e per regolare la viscosità di vernici, rivestimenti, adesivi, inchiostri da stampa o resine poliestere insature. La silice pirogenica può essere trattata per renderla idrofoba o idrofila, per applicazioni in liquidi organici o in mezzi acquosi. La silice idrofoba è un componente efficace degli antischiuma (agenti antischiumogeni).
Fai clic qui per informazioni sul degasaggio e sull’eliminazione della schiuma mediante ultrasuoni.
Silice pirogenica, numero CAS 112945-52-5

Fumo di silice / Microsilice

Il fumo di silice è una polvere ultrafine di dimensioni nanometriche, nota anche come microsilice. Il fumo di silice non deve essere confuso con la silice pirogenica. Il processo di produzione, la morfologia delle particelle e i campi di applicazione del fumo di silice sono tutti diversi da quelli della silice pirogenica. Il fumo di silice è una forma polimorfa amorfa, non cristallina, di SiO2. È costituito da particelle sferiche con un diametro medio di 150 nm. L’applicazione principale del fumo di silice è come materiale pozzolanico per calcestruzzo ad alte prestazioni. Viene aggiunto al calcestruzzo a base di cemento Portland per migliorarne proprietà quali la resistenza a compressione, la resistenza di aderenza e la resistenza all’abrasione. Inoltre, il fumo di silice riduce la permeabilità del calcestruzzo agli ioni cloruro. Ciò protegge dalla corrosione l’acciaio di armatura del calcestruzzo.
Per saperne di più sulla miscelazione a ultrasuoni del cemento e del fumo di silice, fai clic qui!
Fumo di silice, numero CAS: 69012-64-2, fumo di silice, numero EINECS: 273-761-1

Silice precipitata

La silice precipitata è una forma sintetica amorfa di SiO2 sotto forma di polvere bianca. Viene utilizzata come carica, ammorbidente o additivo per migliorare le prestazioni delle materie plastiche o della gomma, ad esempio negli pneumatici. Altri impieghi includono l’utilizzo come agente detergente, addensante o lucidante nei dentifrici.
Per saperne di più sulla miscelazione a ultrasuoni nella produzione di dentifrici, fai clic qui!
Le particelle primarie della silice pirogenica hanno un diametro compreso tra 5 e 100 nm, mentre le dimensioni degli agglomerati raggiungono 40 µm e le dimensioni medie dei pori sono superiori a 30 nm. Come la silice pirogenica, la silice precipitata è sostanzialmente non microporosa.
La silice pirogenica viene prodotta mediante precipitazione da una soluzione contenente sali di silicato. Dopo la reazione di una soluzione neutra di silicato con un acido minerale, soluzioni di acido solforico e silicato di sodio vengono aggiunte simultaneamente all’acqua sotto agitazione, ad esempio mediante agitazione a ultrasuoni. La silice precipita in condizioni acide. Oltre a fattori quali la durata della precipitazione, la velocità di aggiunta dei reagenti, la temperatura, la concentrazione e il pH, anche il metodo e l’intensità dell’agitazione possono modificare le proprietà della silice. L’agitazione sonomeccanica in una camera di reazione a ultrasuoni è un metodo efficace per ottenere dimensioni delle particelle costanti e uniformi. L’agitazione a ultrasuoni a temperature elevate evita la formazione di una fase gel.
Per maggiori informazioni sulla precipitazione assistita da ultrasuoni di nanomateriali, come la silice precipitata, fai clic qui!
Silice precipitata, numero CAS: 7631-86-9

Silice colloidale / Colloide di silice

La silice colloidale è una sospensione di particelle fini di silice non porose, amorfe e prevalentemente sferiche in una fase liquida.
Gli impieghi più comuni dei colloidi di silice sono come coadiuvanti del drenaggio nella produzione della carta, abrasivi per la lucidatura dei wafer di silicio, catalizzatori nei processi chimici, assorbenti di umidità, additivi per rivestimenti resistenti all’abrasione o tensioattivi per la flocculazione, la coagulazione, la dispersione o la stabilizzazione.
Per saperne di più sulla silice colloidale nei rivestimenti polimerici resistenti all’abrasione, fai clic qui!

La produzione della silice colloidale è un processo articolato in più fasi. La neutralizzazione parziale di una soluzione di silicato alcalino porta alla formazione di nuclei di silice. Le subunità delle particelle di silice colloidale hanno generalmente dimensioni comprese tra 1 e 5 nm. A seconda delle condizioni di polimerizzazione, queste subunità possono unirsi tra loro. Riducendo il pH al di sotto di 7 o aggiungendo sale, le unità tendono a fondersi in catene, spesso chiamate gel di silice. Altrimenti, le subunità rimangono separate e crescono gradualmente. I prodotti risultanti vengono spesso chiamati sol di silice o silice precipitata. Una sospensione di silice colloidale viene stabilizzata mediante regolazione del pH e successivamente concentrata, ad esempio mediante evaporazione.
Per saperne di più sugli effetti sonomeccanici nei processi sol-gel, fai clic qui!

Rischi della silice per la salute

Il diossido di silicio cristallino secco o aerodisperso è cancerogeno per i polmoni umani e può causare gravi malattie polmonari, tumore polmonare o malattie autoimmuni sistemiche. Quando la polvere di silice viene inalata e penetra nei polmoni, provoca la formazione di tessuto cicatriziale e riduce la capacità dei polmoni di assorbire ossigeno (silicosi). La bagnatura e la dispersione di SiO2 in una fase liquida, ad esempio mediante omogeneizzazione a ultrasuoni, eliminano il rischio di inalazione. Pertanto, il rischio che un prodotto liquido contenente SiO2 causi silicosi è molto basso. Utilizza dispositivi di protezione individuale adeguati quando manipoli silice sotto forma di polvere secca!

Bibliografia

• 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.