Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Dispersione ultrasonica di silice (SiO2)

La silice, nota anche come SiO2, nanosilice o microsilice, viene utilizzata nel dentifricio, nel cemento, nella gomma sintetica, nei polimeri ad alte prestazioni o nei prodotti alimentari come addensante, adsorbente, antiagglomerante o come vettore per profumi e sapori. Qui di seguito troverete maggiori informazioni sugli usi della nanosilice e della microsilice e su come gli effetti sonomeccanici degli ultrasuoni possono migliorare l'efficienza del processo e le prestazioni del prodotto finale realizzando migliori sospensioni di silice o una migliore sintesi delle nanoparticelle di silice.

Dispersione di silice / Sospensione di silice / Nano Silice (SiO2)

La silice è disponibile in una vasta gamma di forme idrofile e idrofobiche e ha una dimensione delle particelle estremamente fini di pochi micrometri fino a qualche nanometro. Tipicamente la silice non è ben dispersa dopo la bagnatura. Aggiunge anche molte microbolle alla formulazione del prodotto. L'ultrasonicazione è una tecnologia di processo efficace per disperdere microsilice e nano-silice e rimuovere gas disciolti e microbolle dalla formulazione.

Dispersione ad ultrasuoni di silice fumata: L'omogeneizzatore ad ultrasuoni Hielscher UP400S disperde la polvere di silice in modo rapido ed efficiente in singole, monodisperse, nano-particelle.

Dispersione ad ultrasuoni della silicia fumata in acqua con l'omogeneizzatore ad ultrasuoni UP400S

Per molte applicazioni di silice di dimensioni nano-size o micro-dimensionali, una buona e uniforme dispersione è molto importante. Spesso è necessaria una sospensione di silice monodispersa, ad esempio per la misurazione delle dimensioni delle particelle. In particolare per l'uso in inchiostri o rivestimenti e polimeri per migliorare la resistenza ai graffi, le particelle di silice devono essere abbastanza piccole da non interferire con la luce visibile per evitare la nebbia e mantenere la trasparenza. Per la maggior parte dei rivestimenti le particelle di silice devono essere più piccole di 40 nm per soddisfare questo requisito. Per altre applicazioni, l'agglomerazione di particelle di silice impedisce a ogni singola particella di silice di interagire con il supporto circostante.
Gli omogeneizzatori ad ultrasuoni sono più efficaci nella dispersione della silice rispetto ad altri metodi di miscelazione ad alta velocità, come i miscelatori rotativi o gli agitatori a serbatoio. L'immagine sottostante mostra un tipico risultato della dispersione ad ultrasuoni di silice fumigata in acqua.

The picture shows a typical result of ultrasonic dispersing of fumed silica in water.

Dispersione ad ultrasuoni di silice fumé in acqua

Efficienza di lavorazione nella riduzione delle dimensioni della silice

La dispersione ad ultrasuoni della nano-silice è superiore ad altri metodi di miscelazione ad alta velocità, come l'IKA Ultra-Turrax. Gli ultrasuoni producono sospensioni di particelle di silice di dimensioni più piccole e l'ultrasonicità 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 utilizzando un Ultra-Turrax (sistema a rotore-statore) con quella di un Hielscher UIP1000hd (dispositivo ad ultrasuoni da 1kW). Il grafico sottostante mostra i risultati superiori del processo ad ultrasuoni. Come risultato del suo studio Pohl ha concluso che "A energia specifica costante EV ultrasuoni è più efficace rispetto al rotore-statore-sistema". L'efficienza energetica e l'uniformità delle dimensioni delle particelle di silice sono della massima importanza nei processi di produzione, dove il costo di produzione, la capacità del processo e la qualità del prodotto sono importanti.

Ultrasonic dispersion of nano-silica compared to other high-shear mixing methods, such as an IKA Ultra-Turrax

Ultrasonici vs. Ultra-turrax per la dispersione di silice

Le immagini qui sotto mostrano i risultati che Pohl ha ottenuto con granuli di silice spray per congelamento a spruzzo sonico. (Clicca sulle immagini per ingrandire!)

Granuli di Silica Spray Freeze Granuli prima della sonicazioneDispersione di silice dopo la sonicazione
(a sinistra: prima della sonicazione, a destra: dopo la sonicazione)

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Che cos'è la silice (SiO2, biossido di silicio)?

La silice è un composto chimico composto da silicio e ossigeno con la formula chimica SiO2, o biossido di silicio. Ci sono molte forme diverse di silice, come il quarzo fuso, la silice fumé, il gel di silice e gli aerogel. La silice esiste come composto di diversi minerali e come prodotto sintetico. La silice si trova più comunemente in natura come quarzo e in vari organismi viventi. Il biossido di silicio si ottiene dall'estrazione e dalla purificazione del quarzo. Le tre forme principali di silice amorfa sono la silice pirogenica, la silice precipitata e il gel di silice.

Silice fumata / Silice pirogenica

La combustione del tetracloruro di silicio (SiCl4) in una fiamma di idrogeno ricca di ossigeno produce un fumo di SiO2 – silice fumata. In alternativa, vaporizzando la sabbia di quarzo in un arco elettrico a 3000 °C, si ottiene anche la silice fumata. In entrambi i processi, le microscopiche goccioline di silice amorfa che ne risultano si fondono in particelle secondarie tridimensionali ramificate e a catena. Queste particelle secondarie si agglomerano poi in una polvere bianca con una densità di massa estremamente bassa e un'area superficiale molto elevata. La dimensione delle particelle primarie della silice fumosa non porosa è compresa tra 5 e 50 nm. La silice fumosa ha un effetto di ispessimento molto forte. Pertanto, la silice fumosa viene utilizzata come riempitivo in elastomero siliconico e regolazione della viscosità in vernici, rivestimenti, adesivi, inchiostri da stampa o resine poliestere insature. La silice fumigata può essere trattata per renderla idrofobica o idrofila sia per applicazioni liquide organiche che acquose. La silice idrofoba è un efficace componente antischiuma (agente antischiuma).
Clicca qui, per saperne di più sul degasaggio e la schiumatura ad ultrasuoni.
Fumed Silica 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 va confuso con la silice fumata. Il processo di produzione, la morfologia delle particelle e i campi di applicazione del fumo di silice sono tutti diversi da quelli della silice fumata. Il fumo di silice è una forma polimorfa amorfa, non cristallina, polimorfa di SiO2. Il fumo di silice è costituito da particelle sferiche con un diametro medio delle particelle di 150 nm. L'applicazione più importante del fumo di silice è come materiale pozzolanico per calcestruzzo ad alte prestazioni. Viene aggiunto al cemento Portland per migliorare le proprietà del calcestruzzo, come la resistenza alla compressione, la forza di legame e la resistenza all'abrasione. Oltre a ciò, il fumo di silice riduce la permeabilità del calcestruzzo agli ioni cloruro. Questo protegge l'acciaio di rinforzo del calcestruzzo dalla corrosione.
Per saperne di più sulla miscelazione ad ultrasuoni di cemento e fumi di silice, cliccate 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 amorfa sintetica bianca in polvere di SiO2. La silice precipitata viene utilizzata come riempitivo, ammorbidente o miglioramento delle prestazioni in plastica o gomma, ad es. pneumatici. Altri usi includono la pulizia, l'addensamento o l'agente lucidante nei dentifrici.
Per saperne di più sulla miscelazione ad ultrasuoni nella produzione del dentifricio, cliccate qui!
Le particelle primarie di silice pirogenica hanno un diametro compreso tra 5 e 100 nm, mentre la dimensione dell'agglomerato è fino a 40 µm con una dimensione media dei pori superiore a 30 nm. Come la silice pirogenica, la silice precipitata non è essenzialmente microporosa.
La silice fumata è prodotta per precipitazione da una soluzione contenente sali di silicato. Dopo una reazione di una soluzione di silicato neutro con un acido minerale, le soluzioni di acido solforico e di silicato di sodio vengono aggiunte contemporaneamente all'acqua con l'agitazione, come l'agitazione ad ultrasuoni. La silice precipita in condizioni acide. Oltre a fattori quali la durata della precipitazione, il tasso di aggiunta dei reagenti, la temperatura e la concentrazione, il pH, il metodo e l'intensità dell'agitazione possono variare le proprietà della silice. L'agitazioneonomeccanica in una camera di reattore ad ultrasuoni è un metodo efficace per produrre una dimensione delle particelle consistente ed uniforme. L'agitazione ad ultrasuoni a temperature elevate evita la formazione di uno stadio gel.
Per ulteriori informazioni sulla precipitazione ultrasonica dei nanomateriali, come la silice precipitata, cliccate qui!
Numero CAS di Silice Precipitato: 7631-86-9

Silice colloidale / Silice colloide

La silice colloidale è una sospensione di particelle di silice fini non porose, amorfe, per lo più sferiche in fase liquida.
Gli usi più comuni dei colloidi di silice sono come coadiuvante di drenaggio nella produzione della carta, abrasivo per la lucidatura dei wafer di silicio, catalizzatore nei processi chimici, assorbitore di umidità, additivo per rivestimenti resistenti all'abrasione, o tensioattivo per flocculare, coagulare, disperdere o stabilizzare.
Per saperne di più sulla silice colloidale nei rivestimenti polimerici resistenti all'abrasione, cliccate qui!

La produzione di silice colloidale è un processo a più fasi. La neutralizzazione parziale di una soluzione alcalino-silicato porta alla formazione di nuclei di silice. Le sottounità di particelle di silice colloidale sono tipicamente nell'intervallo tra 1 e 5 nm. A seconda delle condizioni di polimerizzazione queste sottounità possono essere unite tra loro. Riducendo il pH al di sotto di 7 o aggiungendo sale le unità tendono a fondersi insieme in catene, che sono spesso chiamate gel di silice. In caso contrario, le sottounità rimangono separate e crescono gradualmente. I prodotti risultanti sono spesso chiamati sol di silice o silice precipitata. Una sospensione colloidale di silice viene stabilizzata mediante la regolazione del pH e poi concentrata, ad esempio per evaporazione.
Per saperne di più sugli effetti sonomeccanici nei processi sol-gel, cliccate qui!

Rischio per la salute della silice

Il biossido di silicone cristallino secco o aerotrasportato è un agente cancerogeno per i polmoni umani che può causare gravi malattie polmonari, cancro ai polmoni o malattie autoimmuni sistemiche. Quando la polvere di silice viene inalata ed entra 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 ad ultrasuoni, elimina il rischio di inalazione. Pertanto il rischio che un prodotto liquido contenente SiO2 provochi la silicosi è molto basso. Si prega di utilizzare adeguati dispositivi di protezione personale quando si maneggia la silice sotto forma di polvere secca!

Letteratura

  • Markus Pohl, Helmar Schubert (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions, 2004 Partec

Granuli di Silica Spray Freeze Granuli prima della sonicazione
silice prima della sonicazione

Dispersione di silice dopo la sonicazione
silice dopo la sonicazione

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