Hielscher tecnologia de ultra-som

Dispersão Ultrassônica de Sílica (SiO2)

A sílica, também conhecida como SiO2, nano-sílica ou micro-sílica é usada em pasta de dente, cimento, borracha sintética, polímero de alto desempenho ou em produtos alimentícios como espessador, adsorbent, anti-caking agent, ou portador de fragrâncias e sabores. Abaixo você aprenderá mais sobre os usos de nanosílica e microsílica e como os efeitos sonomecânicos dos ultrassônicos podem melhorar a eficiência do processo e o desempenho final do produto, fazendo melhores suspensões de sílica ou melhor síntese de nanopartículas de sílica.

Dispersão de sílica / suspensão de sílica / sílica nano (sio2)

A sílica está disponível em uma ampla gama de formas hidrofílicas e hidrofóbicas e tem um tamanho de partícula extremamente fino de alguns micrômetros até alguns nanômetros. Normalmente, a sílica não é bem dispersa após a mote. Ele também adiciona um monte de microbolhas à formulação do produto. A ultrassônica é uma tecnologia eficaz de processo para dispersar micro-sílica e nano-sílica e remover gás dissolvido e micro-bolhas da formulação.

Dispersão ultrassônica de sílica fumed: O homogeneizador ultrassônico Hielscher UP400S dispersa o pó de sílica rápido e eficientemente em nanopartículas únicas, mono-dispersas.

Dispersão ultrassônica de sílica fumed na água usando o homogeneizador ultrassônico UP400S

Para muitas aplicações de sílica nano-tamanho ou micro-tamanho, uma dispersão boa e uniforme é muito importante. Muitas vezes, é necessária uma suspensão de sílica mono-dispersão, por exemplo, para a medição do tamanho das partículas. Em particular para usar em tintas ou revestimentos e polímeros para melhorar a resistência ao risco, as partículas de sílica precisam ser pequenas o suficiente para não interferir com a luz visível para evitar neblina e manter a transparência. Para a maioria dos revestimentos, as partículas de sílica precisam ser menores que 40nm para cumprir esse requisito. Para outras aplicações, a aglomeração de partículas de sílica dificulta que cada partícula de sílica individual interaja com a mídia circundante.
Homogeneizadores ultrassônicos são mais eficazes na sílica dispersante do que outros métodos de mistura de alta cisalhamento, como misturadores rotativos ou agitadores de tanques. A imagem abaixo mostra um resultado típico da dispersão ultrassônica da sílica fumegante na água.

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

Dispersão Ultrassônica de Sílica Fumed na Água

Processamento de Eficiência na redução do tamanho de sílica

A dispersão ultrassônica da nano-sílica é superior a outros métodos de mistura de alta cisalhamento, como um IKA Ultra-Turrax. A ultrassônica produz suspensões de um tamanho menor de partículas de sílica e a ultrassônica é a tecnologia mais eficiente em termos de energia. Pohl e Schubert compararam a redução do tamanho das partículas do Aerosil 90 (2%wt) na água usando um Ultra-Turrax (sistema de estator-estator) com o de um Hielscher UIP1000hd (dispositivo ultrassônico de 1kW). O gráfico abaixo mostra os resultados superiores do processo ultrassônico. Como resultado de seu estudo, Pohl concluiu que "A energia específica constante, o ultrassom EV é mais eficaz do que o sistema rotor-esterão". A uniformidade do tamanho da efíbia e da sílica são de extrema importância nos processos de produção, onde o custo de fabricação, a capacidade do processo e a qualidade do produto importam.

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

Ultrassônicos vs. Ultra-turrax para dispersão de sílica

As imagens abaixo mostram os resultados que Pohl obteve por sonicating sonicating spray de sílica congelar grânulos. (Clique nas imagens para ampliar!)

Sílica Spray de Congelar Granulado antes sonicaçãoDispersão de sílica após sonicação
(esquerda: antes de sonicação, direita: após sonicação)

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

Sílica é um composto químico composto de silício e oxigênio com a fórmula química SiO2, ou dióxido de silício. Existem muitas formas diferentes de sílica, como quartzo fundido, sílica fumegada, gel de sílica e aerogels. A sílica existe como um composto de vários minerais e como produto sintético. A sílica é mais comumente encontrada na natureza como quartzo e em vários organismos vivos. O dióxido de silício é obtido pela mineração e purificação do quartzo. As três principais formas de sílica amorfo são sílica pirogênica, sílica precipitada e gel de sílica.

Sílica Fumed / Sílica Pirogênica

A queima do tetraclorito de silício (SiCl4) em uma chama de hidrogênio rica em oxigênio produz uma fumaça de SiO2 – sílica fumed. Alternativamente, vaporizando areia de quartzo em um arco elétrico de 3000 °C, também produz sílica fumada. Em ambos os processos, as gotículas microscópicas resultantes da sílica amorfo se fundem em partículas secundárias ramificadas, acorrentadas e tridimensionais. Essas partículas secundárias então aglomeram-se em um pó branco com densidade a granel extremamente baixa e área de superfície muito alta. O tamanho da partícula primária da sílica não porosa fumed está entre 5 a 50 nm. A sílica fumegante tem um efeito de espessamento muito forte. Assim, a sílica fumada é usada como preenchimento em elastômero de silicone e ajuste de viscosidade em tintas, revestimentos, adesivos, tintas de impressão ou resinas de poliéster insaturadas. A sílica fumada pode ser tratada para torná-la hidrofóbica ou hidrofílica para aplicações orgânicas líquidas ou aquosas. A sílica hidrofóbica é um componente desfoamer eficaz (anti-espuma).
Clique aqui, para ler sobre desgaseamento e desfoaming ultrassônico.
Silica fumed NÚMERO 112945-52-5

Silica Fume / Microsílica

A fumaça de sílica é um pó ultra-fino, nano-tamanho também conhecido como micro-sílica. A fumaça da sílica não deve ser confundida com sílica fumegada. O processo de produção, morfologia de partículas e campos de aplicação de vapor de sílica são todos diferentes dos da sílica fumegída. A fumaça da sílica é uma forma amorfa, não cristalina, polimorfo de SiO2. A fumaça da sílica consiste em partículas esféricas com diâmetro médio de partículas de 150 nm. A aplicação mais proeminente da fumaça de sílica é como material pozzolânico para concreto de alto desempenho. É adicionado ao concreto de cimento portland para melhorar propriedades de concreto, como força compressiva, força de ligação e resistência à abrasão. Além disso, a fumaça da sílica reduz a permeabilidade do concreto aos íons cloreto. Isso protege o aço reforçador de concreto da corrosão.
Para saber mais sobre a mistura ultrassônica de cimento e vapor de sílica, clique aqui!
Silica Fume CAS número: 69012-64-2, Silica Fume EINECS número: 273-761-1

Sílica Precipitada

A sílica precipitada é uma forma amorfa sintética em pó branco de SiO2. A sílica precipitada é usada como preenchimento, amaciante ou melhoria de desempenho em plásticos ou borracha, por exemplo, pneus. Outros usos incluem limpeza, espessamento ou polimento de agente em pastas de dentes.
Para saber mais sobre a mistura ultrassônica na fabricação de pasta de dente, clique aqui!
As partículas primárias de sílica fumegada têm um diâmetro entre 5 e 100 nm, enquanto o tamanho do aglomerado é de até 40 μm com tamanho médio de poros é maior que 30 nm. Como a sílica pirogênica, a sílica precipitada não é essencialmente microporosa.
A sílica fumada é produzida pela precipitação a partir de uma solução que contém sais de silicato. Após a reação de uma solução neutra de silicato com ácido mineral, soluções de ácido sulfúrico e silicato de sódio são adicionadas simultaneamente com agitação, como agitação ultrassônica, à água. A sílica precipita em condições ácidas. Além de fatores, como a duração da precipitação, a taxa de adição de reagentes, temperatura e concentração, e pH, o método e intensidade da agitação podem variar as propriedades da sílica. A agitação sonomecânica em uma câmara de reator ultrassônico é um método eficaz para produzir um tamanho de partícula consistente e uniforme. A agitação ultrassônica a temperaturas elevadas evita a formação de um estágio de gel.
Para obter mais informações sobre a precipitação ultrasonicamente assistida de nanomateriais, como sílica precipitada, clique aqui!
Número CAS de sílica precipitada: 7631-86-9

Sílica Coloidal / Sílica Colloid

A sílica coloidal é uma suspensão de partículas de sílica não porosas, amorfas, principalmente esféricas em fase líquida.
Os usos mais comuns de coloides de sílica são como auxílio de drenagem na fabricação de papel, abrasivo para polimento de wafer de silício, catalisador em processos químicos, absorvente de umidade, aditivo a revestimentos resistentes à abrasão, ou surfactante para floculação, coagulação, dispersão ou estabilização.
Para saber mais sobre sílica coloidal em revestimentos de polímeros resistentes à abrasão, clique aqui!

A produção de sílica coloidal é um processo de várias etapas. A neutralização parcial de uma solução alcalina-silicato leva à formação de núcleos de sílica. As subunidades de partículas de sílica coloidal estão tipicamente na faixa entre 1 e 5 nm. Dependendo das condições de polimerização, essas subunidades podem ser unidas. Ao reduzir o pH abaixo de 7 ou por adição de sal, as unidades tendem a se fundir em correntes, que muitas vezes são chamadas de géis de sílica. Caso isso, as subunidades permanecem separadas e crescem gradualmente. Os produtos resultantes são frequentemente chamados de sílica sols ou sílica precipitada. Uma suspensão de sílica coloidal é estabilizada pelo ajuste de pH e depois concentrada, por exemplo, por evaporação.
Para saber mais sobre efeitos sonomecânicos em processos de sol-gel, clique aqui!

Risco à saúde da sílica

Dióxido de silicone cristalino seco ou transmitido pelo ar é um carcinógeno pulmonar humano que pode causar doenças pulmonares graves, câncer de pulmão ou doenças autoimunes sistêmicas. Quando o pó de sílica é inalado e entra nos pulmões causa a formação de tecido cicatricial e reduz a capacidade dos pulmões de tomar oxigênio (Silicose). A motação e dispersão do SiO2 em fase líquida, por exemplo, pela homogeneização ultrassônica, elimina o risco de inalação. Portanto, o risco de um produto líquido que contenha SiO2 para causar Silicosis é muito baixo. Por favor, use equipamentos de proteção pessoal adequados ao manusear sílica em pó seco!

Literatura

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

Sílica Spray de Congelar Granulado antes sonicação
sílica antes de sonicação

Dispersão de sílica após sonicação
sílica após sonicação

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