Dispersão ultra-sónica de sílica (SiO2)

A sílica, também conhecida como SiO2, nanossílica ou microssílica, é utilizada em pastas dentífricas, cimento, borracha sintética, polímeros de alto desempenho ou em produtos alimentares como espessante, adsorvente, agente antiaglomerante ou transportador de fragrâncias e sabores. Abaixo você vai aprender mais sobre os usos de nanosilica e microsilica e como os efeitos sonomecânicos de ultrassom pode melhorar a eficiência do processo e desempenho do produto final, fazendo melhores suspensões de sílica e facilitando a síntese de nanopartículas de sílica.

Vantagens da dispersão ultra-sônica de Nano Sílica (SiO2)

A sílica está disponível numa vasta gama de formas hidrofílicas e hidrofóbicas e tem um tamanho de partícula extremamente fino de alguns micrómetros até alguns nanómetros. Normalmente, a sílica não se dispersa bem após a humidificação. Ele também adiciona um monte de microbolhas para a formulação do produto. Ultrasonication é uma tecnologia de processo eficaz para dispersar micro-sílica e nano-sílica e remover o gás dissolvido e microbolhas da formulação.

A dispersão ultra-sónica é uma técnica que utiliza ondas de ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência para dispersar e desaglomerar partículas num meio líquido. Quando se trata da dispersão de sílica e nano-sílica, a dispersão ultra-sónica oferece várias vantagens:
 

A importância do tamanho das partículas de sílica

Para muitas aplicações de sílica de tamanho nano ou micro, uma dispersão boa e uniforme é muito importante. Muitas vezes, é necessária uma suspensão de sílica mono-dispersa, por exemplo, para a medição do tamanho das partículas. Em particular, para utilização em tintas ou revestimentos e polímeros para melhorar a resistência ao risco, as partículas de sílica têm de ser suficientemente pequenas para não interferirem com a luz visível, de modo a evitar a formação de névoa e manter a transparência. Para a maioria dos revestimentos, as partículas de sílica têm de ser mais pequenas do que 40 nm para cumprir este requisito. Para outras aplicações, a aglomeração de partículas de sílica impede que cada partícula de sílica individual interaja com o meio circundante.
Os homogeneizadores ultra-sónicos são mais eficazes na dispersão da sílica do que outros métodos de mistura de alto cisalhamento, tais como misturadores rotativos ou agitadores de tanques. A imagem abaixo mostra um resultado típico da dispersão ultra-sónica de sílica pirogénica em água.

Dispersão ultra-sónica de sílica pirogénica em água

Eficiência de processamento na redução de tamanho de sílica

A dispersão ultra-sónica de nano-sílica é superior a outros métodos de mistura de alto cisalhamento, tais como um IKA Ultra-Turrax. Ultrasonics produz suspensões de um tamanho de partícula de sílica menor e ultrasonication é a tecnologia mais eficiente em termos energéticos. Pohl e Schubert compararam a redução do tamanho de partícula de Aerosil 90 (2%wt) em água usando um Ultra-Turrax (rotor-estator-sistema) com a de um Hielscher UIP1000hd (1kW dispositivo ultra-sônico). O gráfico abaixo mostra os resultados superiores do processo ultrassónico. Como resultado do seu estudo, Pohl concluiu que "A uma energia específica constante, o ultrassom EV é mais eficaz 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, onde o custo de fabrico, a capacidade do processo e a qualidade do produto são importantes.

Ultra-sons vs. Ultra-turrax para dispersão de sílica

As imagens abaixo mostram os resultados que Pohl obteve através da sonicação de grânulos de sílica liofilizados por pulverização.

Esquerda: Imagens REM de grânulos de sílica congelados por pulverização antes da desaglomeração ultra-sónica
À direita: Imagens TEM de fragmentos de sílica dispersos por ultra-sons
Estudo e imagens: Pohl e Schubert, 2004)

Dispersores ultra-sónicos de alto desempenho para formulações de sílica de alta qualidade

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa familiar alemã especializada no desenvolvimento, fabrico e fornecimento de homogeneizadores de ultra-sons de elevado desempenho para o tratamento de líquidos, suspensões com carga sólida e pastas. Os homogeneizadores de ultra-sons da Hielscher processam de forma fiável pastas de sílica e outras nano-supensões, de modo a obter qualquer especificação desejada. Mesmo formulações de produtos que são altamente sensíveis, abrasivo, ou altamente viscoso pode ser eficientemente disperso e desaglomeração usando ultrassom. Os nossos ultrasonicators avançados são extremamente versáteis e oferecem lote sofisticado e possibilidades de tratamento em linha. Padrões de alta qualidade confiável e resultados reprodutíveis são caraterísticas-chave da dispersão de sílica ultra-sônica.
Os ultrassons industriais de última geração da Hielscher possuem um menu inteligente e de fácil utilização, definições programáveis, registo automático de dados num cartão SD integrado, controlo remoto via browser e elevada robustez.
A amplitude é o parâmetro mais influente no que diz respeito ao processamento ultrassónico. A amplitude refere-se ao deslocamento máximo ou ao movimento pico a pico de uma onda ultra-sónica. Para a dispersão ultra-sónica, a desaglomeração e a moagem húmida são frequentemente necessárias amplitudes elevadas para aplicar energia suficiente para a redução do tamanho das partículas. Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes excecionalmente elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.
De pequenas e médias empresas a R&D e ultrasonicadores piloto para sistemas industriais para o fabrico comercial de sílica em modo contínuo, a Hielscher Ultrasonics tem o processador ultrassónico certo para cobrir os seus requisitos para um processamento superior de sílica.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

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 o quartzo fundido, a sílica pirogénica, o gel de sílica e os aerogéis. A sílica existe como um composto de vários minerais e como produto sintético. A sílica é mais comummente encontrada na natureza como quartzo e em vários organismos vivos. O dióxido de silício é obtido através da extração e purificação do 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 a 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 cadeia. Estas partículas secundárias aglomeram-se então num pó branco com uma densidade aparente extremamente baixa e uma área superficial muito elevada. A dimensão 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 conseguinte, a sílica pirogénica é utilizada como carga em elastómeros de silicone e como ajustamento da viscosidade em tintas, revestimentos, adesivos, tintas de impressão ou resinas de poliéster insaturado. A sílica pirogénica pode ser tratada de modo a tornar-se hidrofóbica ou hidrofílica para aplicações líquidas ou aquosas orgânicas. A sílica hidrofóbica é um componente antiespumante eficaz (agente anti-espuma).
Clique aqui para ler sobre a desgaseificação e a desespumação por ultra-sons.
Sílica pirogénica Número CAS 112945-52-5

Fumo de sílica / Microsílica

A sílica de fumo é um pó ultra-fino, de tamanho nanométrico, também conhecido como micro-sílica. A sílica de fumo não deve ser confundida com a sílica pirogénica. O processo de produção, a morfologia das partículas e os campos de aplicação da sílica de fumo são todos diferentes dos da sílica pirogénica. A sílica de fumo é uma forma amorfa, não cristalina e polimorfa de SiO2. A sílica de fumo é constituída por partículas esféricas com um diâmetro médio de 150 nm. A aplicação mais proeminente da sílica de fumo é como material pozolânico para betão de alto desempenho. É adicionada ao betão de cimento Portland para melhorar as propriedades do betão, como a resistência à compressão, a resistência da ligação e a resistência à abrasão. Além disso, a sílica de fumo reduz a permeabilidade do betão aos iões de cloreto. Isto protege o aço de reforço do betão contra a corrosão.
Para saber mais sobre a mistura ultra-sónica de cimento e sílica de fumo, clique aqui!
Fumo de sílica Número CAS: 69012-64-2, Fumo de sílica Número EINECS: 273-761-1

Sílica precipitada

A sílica precipitada é uma forma amorfa sintética em pó branco de SiO2. A sílica precipitada é utilizada como enchimento, amaciador ou melhoria do desempenho em plásticos ou borracha, por exemplo, pneus. Outras utilizações incluem limpeza, espessamento ou agente de polimento em pastas de dentes.
Para saber mais sobre a mistura ultra-sónica no fabrico de pastas de dentes, clique aqui!
As partículas primárias de sílica pirogénica têm um diâmetro entre 5 e 100 nm, enquanto o tamanho do aglomerado é de até 40 µm com um tamanho médio de poro superior a 30 nm. Tal como a sílica pirogénica, a sílica precipitada não é essencialmente microporosa.
A sílica pirogénica é produzida por precipitação a partir de uma solução que contém sais de silicato. Após a reação de uma solução de silicato neutro com um ácido mineral, são adicionadas soluções de ácido sulfúrico e de silicato de sódio em simultâneo com agitação, como a agitação ultra-sónica, à água. A sílica precipita em condições ácidas. Para além de factores como a duração da precipitação, a taxa de adição de reagentes, a temperatura e a concentração e o pH, o método e a intensidade da agitação podem variar as propriedades da sílica. A agitação sonomecânica numa câmara de reator de ultra-sons é um método eficaz para produzir um tamanho de partícula consistente e uniforme. A agitação ultra-sónica a temperaturas elevadas evita a formação de uma fase de gel.
Para obter mais informações sobre a precipitação ultrassonicamente assistida de nanomateriais, como a sílica precipitada, clique aqui!
Sílica precipitada Número CAS: 7631-86-9

Sílica coloidal / Coloide de sílica

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

A produção de sílica coloidal é um processo em várias etapas. A neutralização parcial de uma solução de silicato alcalino leva à formação de núcleos de sílica. As subunidades das partículas de sílica coloidal têm tipicamente entre 1 e 5 nm. Dependendo das condições de polimerização, estas subunidades podem ser unidas. Ao reduzir o pH para menos de 7 ou ao adicionar sal, as unidades tendem a fundir-se em cadeias, que são frequentemente designadas por géis de sílica. Caso contrário, as subunidades permanecem separadas e crescem gradualmente. Os produtos resultantes são frequentemente designados por solues de sílica ou sílica precipitada. Uma suspensão de sílica coloidal é estabilizada por ajuste de pH e depois concentrada, por exemplo, por evaporação.
Para saber mais sobre os efeitos sonomecânicos nos processos sol-gel, clique aqui!

Risco para a saúde da sílica

O dióxido de silicone cristalino seco ou em suspensão no ar é um agente cancerígeno para os pulmões humanos que pode causar doenças pulmonares graves, cancro do pulmão ou doenças sistémicas auto-imunes. Quando o pó de sílica é inalado e entra nos pulmões, provoca a formação de tecido cicatricial e reduz a capacidade dos pulmões para absorver oxigénio (silicose). A humidificação e dispersão do SiO2 numa fase líquida, por exemplo, por homogeneização ultra-sónica, elimina o risco de inalação. Por conseguinte, o risco de um produto líquido que contenha SiO2 causar silicose é muito baixo. Utilize equipamento de proteção individual adequado quando manusear sílica sob a forma de pó seco!

Literatura