Dispersione ad ultrasuoni di silice (SiO2)

La silice, nota anche come SiO2, nano-silice o micro-silice, viene utilizzata nei dentifrici, nel cemento, nella gomma sintetica, nei polimeri ad alte prestazioni o nei prodotti alimentari come addensante, adsorbente, antiagglomerante o vettore di fragranze e aromi. 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 e facilitando la sintesi di nanoparticelle di silice.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni della nano silice (SiO2)

La silice è disponibile in un'ampia gamma di forme idrofile e idrofobe e ha una dimensione delle particelle estremamente fine, da pochi micrometri a qualche nanometro. In genere la silice non si disperde bene dopo la bagnatura. Inoltre, aggiunge molte microbolle alla formulazione del prodotto. L'ultrasuonoterapia è una tecnologia di processo efficace per disperdere la microsilice e la nano-silice e rimuovere 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 quanto riguarda la dispersione di silice e nano-silice, la dispersione a ultrasuoni offre diversi vantaggi:
 

L'importanza della dimensione delle particelle di silice

Per molte applicazioni della silice di dimensioni nano o micro, una dispersione buona e uniforme è molto importante. Spesso è richiesta una sospensione di silice monodispersa, ad esempio per la misurazione delle dimensioni delle particelle. In particolare, per l'uso negli inchiostri o nei rivestimenti e nei 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 foschia 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 delle particelle di silice impedisce a ogni singola particella di interagire con i mezzi circostanti.
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono più efficaci nella dispersione della silice rispetto ad altri metodi di miscelazione ad alto coefficiente di taglio, come i miscelatori rotanti o gli agitatori in vasca. L'immagine sottostante mostra un risultato tipico della dispersione ad ultrasuoni di silice pirogenica in acqua.

Dispersione a ultrasuoni di silice fumata in acqua

Efficienza di lavorazione nella riduzione dimensionale della silice

La dispersione a ultrasuoni della nano-silice è superiore ad altri metodi di miscelazione ad alto coefficiente di taglio, come l'Ultra-Turrax IKA. Gli ultrasuoni producono sospensioni con particelle di silice di dimensioni più piccole e l'ultrasonicazione 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% in peso) in acqua utilizzando un Ultra-Turrax (sistema rotore-statore) con quella di un Hielscher UIP1000hd (dispositivo a ultrasuoni da 1 kW). Il grafico sottostante mostra i risultati superiori del processo a ultrasuoni. Come risultato del suo studio, Pohl ha concluso che "A energia specifica costante, gli ultrasuoni EV sono più efficaci del sistema rotore-statore". L'efficienza energetica e l'uniformità delle dimensioni delle particelle di silice sono di estrema importanza nei processi produttivi, dove contano i costi di produzione, la capacità di processo e la qualità del prodotto.

Ultrasuoni vs. Ultra-turrax per la dispersione di silice

Le immagini seguenti mostrano i risultati ottenuti da Pohl sonicando i granuli di silice liofilizzati a spruzzo.

A sinistra: immagini REM di granuli di silice congelati a spruzzo prima della deagglomerazione a ultrasuoni
A destra: Immagini TEM di frammenti di silice dispersi con gli 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 cariche di solidi e paste. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher trattano in modo affidabile impasti di silice e altre nano-sospensioni per ottenere qualsiasi specifica desiderata. Anche le formulazioni di prodotti altamente sensibili, abrasivi o altamente viscosi possono essere disperse e deagglomerate in modo efficiente utilizzando gli ultrasuoni. I nostri avanzati ultrasuonatori sono estremamente versatili e offrono sofisticate possibilità di trattamento in batch e in linea. Standard di qualità elevati e risultati riproducibili sono le caratteristiche principali della dispersione di silice a ultrasuoni.
Gli ultrasuoni industriali Hielscher di ultima generazione sono dotati di un menu intelligente e facile da usare, impostazioni programmabili, protocollaggio automatico dei dati su una scheda SD integrata, controllo remoto via browser ed elevata robustezza.
L'ampiezza è il parametro più influente nell'elaborazione degli ultrasuoni. L'ampiezza si riferisce allo spostamento massimo o al movimento da picco a picco di un'onda ultrasonica. Per la dispersione a ultrasuoni, la deagglomerazione e la macinazione a umido sono spesso necessarie ampiezze elevate per applicare un'energia sufficiente alla riduzione delle dimensioni delle particelle. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher possono fornire ampiezze eccezionalmente elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Dalle piccole e medie imprese R&Hielscher Ultrasonics ha il processore a ultrasuoni giusto per soddisfare le vostre esigenze di lavorazione della silice.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

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

La silice è un composto chimico formato da silicio e ossigeno con la formula chimica SiO2, o biossido di silicio. Esistono diverse forme di silice, come il quarzo fuso, la silice fumata, 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 sotto forma di 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 pirogenata / Silice pirogenica

La combustione del tetracloruro di silicio (SiCl4) in una fiamma di idrogeno ricca di ossigeno produce un fumo di SiO2 – silice fumé. In alternativa, la vaporizzazione di sabbia di quarzo in un arco elettrico a 3000 °C produce anch'essa silice fumé. In entrambi i processi, le microscopiche goccioline di silice amorfa che ne derivano si fondono in particelle secondarie tridimensionali, ramificate e simili a catene. Queste particelle secondarie si agglomerano poi in una polvere bianca con una densità apparente estremamente bassa e un'area superficiale molto elevata. Le dimensioni delle particelle primarie della silice fumata non porosa sono comprese tra 5 e 50 nm. La silice pirogenica ha un effetto addensante molto forte. Per questo motivo, la silice pirogenica viene utilizzata come riempitivo negli elastomeri siliconici e come regolatore di viscosità in vernici, rivestimenti, adesivi, inchiostri da stampa o resine poliestere insature. La silice pirogenica può essere trattata per renderla idrofobica o idrofila per applicazioni in liquidi organici o acquosi. La silice idrofoba è un efficace componente antischiuma (agente antischiuma).
Cliccate qui per leggere le informazioni sul degasaggio e la defoamazione a ultrasuoni.
Silice fumata 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 pirogenita. Il fumo di silice è una forma amorfa, non cristallina e polimorfa di SiO2. Il fumo di silice è costituito da particelle sferiche con un diametro medio di 150 nm. L'applicazione più importante del fumo di silice è come materiale pozzolanico per il calcestruzzo ad alte prestazioni. Viene aggiunto al cemento Portland per migliorare le proprietà del calcestruzzo, come la resistenza alla compressione, la forza di adesione e la resistenza all'abrasione. Inoltre, il fumo di silice riduce la permeabilità del calcestruzzo agli ioni cloruro. Questo protegge l'acciaio di armatura del calcestruzzo dalla corrosione.
Per saperne di più sulla miscelazione a ultrasuoni di cemento e fumo 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 in polvere bianca di SiO2. La silice precipitata viene utilizzata come riempitivo, ammorbidente o per migliorare le prestazioni delle materie plastiche o della gomma, ad esempio degli pneumatici. Altri usi includono la pulizia, l'addensamento o la lucidatura dei dentifrici.
Per saperne di più sulla miscelazione a ultrasuoni nella produzione di dentifrici, cliccate qui!
Le particelle primarie di silice pirogenata hanno un diametro compreso tra 5 e 100 nm, mentre le dimensioni degli agglomerati arrivano 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 fumé viene prodotta per precipitazione da una soluzione contenente sali di silicato. Dopo la reazione di una soluzione neutra di silicato con un acido minerale, le soluzioni di acido solforico e di silicato di sodio vengono aggiunte contemporaneamente all'acqua con agitazione, ad esempio a ultrasuoni. La silice precipita in condizioni acide. Oltre a fattori quali la durata della precipitazione, la velocità di aggiunta dei reagenti, la temperatura e la concentrazione e il pH, il metodo e l'intensità dell'agitazione possono variare le proprietà della silice. L'agitazione sonomeccanica nella camera di un reattore a ultrasuoni è un metodo efficace per produrre una dimensione delle particelle coerente e uniforme. L'agitazione a ultrasuoni a temperature elevate evita la formazione di uno stadio gel.
Per ulteriori informazioni sulla precipitazione assistita da ultrasuoni di nanomateriali, come la silice precipitata, fare clic qui!
Silice precipitata Numero CAS: 7631-86-9

Silice colloidale / Silice colloidale

La silice colloidale è una sospensione di particelle di silice fini, non porose, amorfe, per lo più sferiche, in una fase liquida.
Gli impieghi più comuni dei colloidi di silice sono quelli di ausilio al drenaggio nella fabbricazione della carta, di abrasivo per la lucidatura dei wafer di silicio, di catalizzatore nei processi chimici, di assorbente dell'umidità, di additivo per rivestimenti resistenti all'abrasione o di 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 di alcali-silicati porta alla formazione di nuclei di silice. Le subunità delle particelle di silice colloidale sono tipicamente comprese tra 1 e 5 nm. A seconda delle condizioni di polimerizzazione, queste subunità possono essere unite tra loro. Riducendo il pH al di sotto di 7 o con l'aggiunta di sale, le unità tendono a fondersi in catene, spesso chiamate gel di silice. In caso contrario, le subunità rimangono separate e crescono gradualmente. I prodotti risultanti sono spesso chiamati solidi di silice o silice precipitata. Una sospensione di silice colloidale viene stabilizzata mediante aggiustamento del pH e quindi 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 aerodisperso è un 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 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, elimina il rischio di inalazione. Pertanto, il rischio che un prodotto liquido contenente SiO2 provochi la silicosi è molto basso. Quando si maneggia la silice in forma di polvere secca, utilizzare un dispositivo di protezione personale adeguato!

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