Dispersão ultrassónica de sílica (SiO2)

A sílica, também conhecida como SiO2, nanossílica ou microssílica, é utilizada em pastas dentífricas, cimento, borracha sintética, polímeros de elevado desempenho ou em produtos alimentares como espessante, adsorvente, agente antiaglomerante ou veículo para fragrâncias e aromas. Abaixo poderá saber mais sobre as utilizações da nanossílica e da microssílica e sobre como os efeitos sonomecânicos dos ultrassons podem melhorar a eficiência do processo e o desempenho do produto final, produzindo melhores suspensões de sílica e facilitando a síntese de nanopartículas de sílica.

Vantagens da dispersão ultrassónica de nanossílica (SiO2)

A sílica está disponível numa ampla variedade de formas hidrofílicas e hidrofóbicas e apresenta um tamanho de partícula extremamente fino, desde alguns micrómetros até alguns nanómetros. Normalmente, a sílica não fica bem dispersa após a molhagem. Também introduz muitas microbolhas na formulação do produto. A sonicação é uma tecnologia de processo eficaz para dispersar microssílica e nanossílica e remover gás dissolvido e microbolhas da formulação.

A dispersão ultrassónica é uma técnica que utiliza ondas ultrassónicas de alta intensidade e baixa frequência para dispersar e desaglomerar partículas num meio líquido. No que diz respeito à dispersão de sílica e nanossílica, a dispersão ultrassónica oferece várias vantagens:
 

A importância do tamanho das partículas de sílica

Para muitas aplicações de sílica de dimensão nanométrica ou micrométrica, uma dispersão boa e uniforme é muito importante. Muitas vezes, é necessária uma suspensão monodispersa de sílica, por exemplo, para a medição do tamanho das partículas. Em particular, para utilização em tintas de impressão ou revestimentos e polímeros destinados a melhorar a resistência aos riscos, as partículas de sílica têm de ser suficientemente pequenas para não interferirem com a luz visível, de modo a evitar a turvação e manter a transparência. Na maioria dos revestimentos, as partículas de sílica têm de ser inferiores a 40nm para cumprir este requisito. Noutras aplicações, a aglomeração das partículas de sílica impede que cada partícula individual de sílica interaja com o meio envolvente.
Os homogeneizadores ultrassónicos são mais eficazes na dispersão de sílica do que outros métodos de mistura de elevado cisalhamento, como misturadores rotativos ou agitadores de tanque. A imagem abaixo mostra um resultado típico da dispersão ultrassónica de sílica pirogénica em água.

Dispersão ultrassónica de sílica pirogénica em água

Eficiência do processamento na redução do tamanho da sílica

A dispersão ultrassónica de nanossílica é superior a outros métodos de mistura de elevado cisalhamento, como um IKA Ultra-Turrax. Os ultrassons produzem suspensões com partículas de sílica de menor tamanho e a sonicação é a tecnologia mais eficiente em termos energéticos. Pohl e Schubert compararam a redução do tamanho das partículas de Aerosil 90 (2%wt) em água utilizando um Ultra-Turrax (sistema rotor-estator) com a obtida com um Hielscher UIP1000hd (dispositivo ultrassónico de 1kW). O gráfico abaixo mostra os resultados superiores do processo ultrassónico. Como resultado do seu estudo, Pohl concluiu que “Com energia específica EV constante, os ultrassons são mais eficazes do que o sistema rotor-estator.” A eficiência energética e a uniformidade do tamanho das partículas de sílica são da maior importância nos processos de produção em que o custo de fabrico, a capacidade do processo e a qualidade do produto são relevantes.

Ultrassons vs. Ultra-turrax para a dispersão de sílica

As imagens abaixo mostram os resultados que Pohl obteve ao submeter a sonicação grânulos de sílica liofilizados por pulverização.

Esquerda: imagens REM de grânulos de sílica congelados por pulverização antes da desaglomeração ultrassónica
Direita: imagens TEM de fragmentos de sílica dispersos por ultrassons
Estudo e imagens: Pohl e Schubert, 2004)

Dispersores ultrassónicos de elevado desempenho para formulações de sílica de elevada qualidade

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa familiar alemã especializada no desenvolvimento, fabrico e fornecimento de homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para o tratamento de líquidos, suspensões com sólidos e pastas. Os homogeneizadores ultrassónicos Hielscher processam de forma fiável lamas de sílica e outras nanossuspensões para obter qualquer especificação pretendida. Mesmo as formulações de produtos altamente sensíveis, abrasivas ou altamente viscosas podem ser eficientemente dispersas e desaglomeradas através da sonicação. Os nossos sonicadores avançados são extremamente versáteis e oferecem possibilidades sofisticadas de tratamento por lotes e em linha. Padrões de qualidade consistentemente elevados e resultados reprodutíveis são características fundamentais da dispersão ultrassónica de sílica.
Os sonicadores Hielscher de última geração para utilização industrial dispõem de um menu inteligente e fácil de utilizar, definições programáveis, registo automático de dados num cartão SD integrado, controlo remoto através de navegador e elevada robustez.
A amplitude é o parâmetro mais influente no processamento ultrassónico. A amplitude refere-se ao deslocamento máximo ou ao movimento pico a pico de uma onda ultrassónica. Para a dispersão ultrassónica, a desaglomeração e a moagem por via húmida, são frequentemente necessárias amplitudes elevadas para aplicar energia suficiente para a redução do tamanho das partículas. Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes excecionalmente elevadas. É possível trabalhar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
Desde sonicadores pequenos e médios para I&D e aplicações piloto até sistemas industriais para o fabrico comercial de sílica em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics dispõe do processador ultrassónico adequado para satisfazer os seus requisitos de processamento superior de sílica.

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial importância a sonicadores de elevado desempenho com tecnologia de última geração e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

O que é a sílica (SiO2, dióxido de silício)?

A sílica é um composto químico constituído por silício e oxigénio, com a fórmula química SiO2, ou dióxido de silício. Existem muitas formas diferentes de sílica, como quartzo fundido, sílica pirogénica, gel de sílica e aerogéis. A sílica existe como composto de vários minerais e como produto sintético. Na natureza, a sílica encontra-se mais frequentemente sob a forma de quartzo e em vários organismos vivos. O dióxido de silício é obtido pela extração e purificação de quartzo. As três principais formas de sílica amorfa são a sílica pirogénica, a sílica precipitada e o gel de sílica.

Sílica pirogénica / sílica pirogénica

A combustão de tetracloreto de silício (SiCl4) numa chama de hidrogénio rica em oxigénio produz um fumo de SiO2 – sílica pirogénica. Em alternativa, a vaporização de areia de quartzo num arco elétrico de 3000 °C também produz sílica pirogénica. Em ambos os processos, as gotículas microscópicas de sílica amorfa resultantes fundem-se em partículas secundárias tridimensionais, ramificadas e em forma de cadeia. Estas partículas secundárias aglomeram-se depois num pó branco com densidade aparente extremamente baixa e área superficial muito elevada. O tamanho das partículas primárias da sílica pirogénica não porosa situa-se entre 5 e 50 nm. A sílica pirogénica tem um efeito espessante muito forte. Por isso, a sílica pirogénica é utilizada como carga em elastómeros de silicone e para ajustar a viscosidade em tintas, revestimentos, adesivos, tintas de impressão ou resinas de poliéster insaturado. A sílica pirogénica pode ser tratada para a tornar hidrofóbica ou hidrofílica, para aplicações em líquidos orgânicos ou em meios aquosos. A sílica hidrofóbica é um componente eficaz de antiespumantes (agente antiespumante).
Clique aqui para ler sobre desgaseificação e eliminação de espuma por ultrassons.
Número CAS da sílica pirogénica 112945-52-5

Fumo de sílica / microssílica

O fumo de sílica é um pó ultrafino de dimensão nanométrica, também conhecido como microssílica. O fumo de sílica não deve ser confundido com a sílica pirogénica. O processo de produção, a morfologia das partículas e os campos de aplicação do fumo de sílica são todos diferentes dos da sílica pirogénica. O fumo de sílica é uma forma polimórfica amorfa e não cristalina de SiO2. O fumo de sílica é constituído por partículas esféricas com um diâmetro médio de 150 nm. A aplicação mais relevante do fumo de sílica é como material pozolânico para betão de elevado desempenho. É adicionado ao betão de cimento Portland para melhorar as propriedades do betão, como a resistência à compressão, a resistência de aderência e a resistência à abrasão. Além disso, o fumo de sílica reduz a permeabilidade do betão aos iões cloreto. Isto protege o aço das armaduras do betão contra a corrosão.
Para saber mais sobre a mistura ultrassónica de cimento e fumo de sílica, clique aqui!
Número CAS do fumo de sílica: 69012-64-2, número EINECS do fumo de sílica: 273-761-1

Sílica precipitada

A sílica precipitada é uma forma sintética amorfa de SiO2 sob a forma de pó branco. A sílica precipitada é utilizada como carga, amaciador ou para melhorar o desempenho de plásticos ou borracha, por exemplo, em pneus. Outras utilizações incluem agente de limpeza, espessante ou agente de polimento em pastas dentífricas.
Para saber mais sobre a mistura ultrassónica no fabrico de pasta dentífrica, clique aqui!
As partículas primárias de sílica pirogénica têm um diâmetro entre 5 e 100 nm, enquanto o tamanho dos aglomerados é de até 40 µm e o tamanho médio dos poros é superior a 30 nm. Tal como a sílica pirogénica, a sílica precipitada é essencialmente não microporosa.
A sílica pirogénica é produzida por precipitação a partir de uma solução que contém sais de silicato. Após a reação de uma solução neutra de silicato com um ácido mineral, são adicionadas à água, em simultâneo e com agitação, como agitação ultrassónica, soluções de ácido sulfúrico e de silicato de sódio. A sílica precipita em condições ácidas. Além de fatores como a duração da precipitação, a velocidade de adição dos reagentes, a temperatura e a concentração, e o pH, o método e a intensidade da agitação podem alterar as propriedades da sílica. A agitação sonomecânica numa câmara de reator ultrassónico é um método eficaz para produzir um tamanho de partícula consistente e uniforme. A agitação ultrassónica a temperaturas elevadas evita a formação de uma fase de gel.
Para mais informações sobre a precipitação de nanomateriais assistida por ultrassons, como a sílica precipitada, clique aqui!
Número CAS da sílica precipitada: 7631-86-9

Sílica coloidal / coloide de sílica

A sílica coloidal é uma suspensão de partículas finas de sílica, não porosas, amorfas e maioritariamente esféricas, numa fase líquida.
As utilizações mais comuns dos coloides de sílica são como auxiliar de drenagem no fabrico de papel, abrasivo para polimento de pastilhas de silício, catalisador em processos químicos, absorvente de humidade, aditivo para revestimentos resistentes à abrasão ou tensioativo para flocular, coagular, dispersar ou estabilizar.
Para saber mais sobre a sílica coloidal em revestimentos poliméricos resistentes à abrasão, clique aqui!

A produção de sílica coloidal é um processo com várias etapas. A neutralização parcial de uma solução de silicato alcalino conduz à formação de núcleos de sílica. As subunidades das partículas de sílica coloidal situam-se normalmente no intervalo entre 1 e 5 nm. Dependendo das condições de polimerização, estas subunidades podem unir-se. Ao reduzir o pH para valores inferiores a 7 ou ao adicionar sal, as unidades tendem a fundir-se em cadeias, frequentemente designadas por géis de sílica. Caso contrário, as subunidades permanecem separadas e crescem gradualmente. Os produtos resultantes são frequentemente designados por sóis de sílica ou sílica precipitada. Uma suspensão de sílica coloidal é estabilizada por ajuste do pH e depois concentrada, por exemplo, por evaporação.
Para saber mais sobre os efeitos sonomecânicos nos processos sol-gel, clique aqui!

Risco da sílica para a saúde

O dióxido de silicone cristalino seco ou presente no ar é um carcinogénio pulmonar para o ser humano que pode causar doenças pulmonares graves, cancro do pulmão ou doenças autoimunes sistémicas. Quando o pó de sílica é inalado e entra nos pulmões, provoca a formação de tecido cicatricial e reduz a capacidade dos pulmões de absorver oxigénio (silicose). A molhagem e a dispersão de SiO2 numa fase líquida, por exemplo, por homogeneização ultrassónica, eliminam o risco de inalação. Por isso, o risco de um produto líquido que contém SiO2 causar silicose é muito baixo. Utilize equipamento de proteção individual adequado ao manusear sílica sob a forma de pó seco!

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.