Les composés de silicium sont le composant le plus abondant de la croûte terrestre. Le sable est la principale source de silicium en raison de son abondance, de la simplicité de son extraction et de sa transformation. Le quartzite, une roche métamorphique, est une autre source potentielle. Le silicium (Si) est classé comme semi-métallique ou métalloïde en raison de ses propriétés métalliques. Le gel de silice a été découvert dans les années 1640 comme une curiosité scientifique. Pendant la Première Guerre mondiale, il était utilisé pour absorber les vapeurs et les gaz des masques à gaz. Walter A. Patrick, professeur de chimie à l'Université Johns Hopkins, a breveté le procédé de fabrication du gel de silice synthétique en 1918.
La silice peut être appelée sable de silice ou sable de quartz. Elle est composée de dioxyde de silicium, également appelé silice. Il est naturellement présent en abondance sous forme de sable et sert de matière première à plusieurs composés précieux, notamment le silicone et les silicates. On le trouve également comme sous-produit de plusieurs usines chimiques. Le silicium n'est jamais présent à l'état naturel ; Français plutôt, il existe sous la forme de l'ion silicate SiO44- dans les roches riches en silice telles que l'obsidienne, le granite, la diorite et le grès. Le feldspath et le quartz sont les minéraux silicatés les plus importants. Les alliages de silicium contiennent une variété de métaux tels que le fer, l'aluminium, le cuivre, le nickel, le manganèse et le ferrochrome. La silice (SiO2) possède des qualités remarquables en raison de la capacité de ses briques élémentaires, les tétraèdres SiO4, à s'assembler pour former une large gamme de solides cristallins amorphes qui peuvent être microporeux, mésoporeux ou macroporeux. La silice qui a été polie et créée pour fournir une fonctionnalité spécialisée est connue sous le nom de silice amorphe synthétique (SAS). La SAS est classée en quatre types : colloïdale, pyrogénée, précipitée et gel de silice.
Silice colloïdale :
Les particules de silice colloïdale sont incroyablement minuscules, mesurant de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. De ce fait, elles présentent une surface spécifique extrêmement importante, ce qui les rend hautement réactives grâce aux groupes silanol présents à leur surface. Ces groupes silanols créent des liaisons ioniques et hydrogène avec des groupes fonctionnels polymères, des ions métalliques, différentes surfaces et même les particules de silice elles-mêmes. Cela fait de la silice colloïdale un agent de modification de surface, de réticulation, de liant et de renforcement utile dans de nombreuses applications industrielles.
• Augmentation de la densification du béton : Les fines particules de silice colloïdale pénètrent profondément dans le béton et réagissent avec l’hydroxyde de calcium pour former du silicate de calcium hydraté, augmentant ainsi la résistance du béton.
• Création et amélioration de catalyseurs : Outre sa pureté élevée pour les catalyseurs, la silice colloïdale améliore également la résistance à l’attrition, la durabilité et l’adhérence aux substrats.
• Amélioration de la résilience des peintures et des revêtements : La silice colloïdale forme de fortes liaisons ioniques et hydrogènes avec les polymères et les substrats de revêtement pour améliorer l'adhérence et la résistance à l'abrasion et au blocage.
• Renforcement des réfractaires : Les fibres céramiques utilisées dans les réfractaires sont liées et traitées avec de la silice colloïdale pour augmenter la résistance aux chocs thermiques et à l'exposition aux produits chimiques.
• Surfaces de papier antifriction : La silice colloïdale augmente le coefficient de frottement sur les surfaces de papier et de carton afin de réduire les glissements et les dérapages.
Silice pyrogénée :
La silice pyrogénée est une poudre légère et floconneuse composée de particules de silice amorphe, obtenue par agglomération d'agrégats de silice en chaîne et de particules primaires par hydrolyse à la flamme. Les particules de silice pyrogénée sont extrêmement petites, généralement de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Cependant, elles présentent une grande surface et une réactivité élevée. La surface des particules de silice pyrogénée peut être modifiée pour leur conférer un caractère hydrophobe ou introduire des groupes fonctionnels. Lorsqu'elles sont incorporées dans des formulations, ces particules doivent être correctement mélangées et des précautions doivent être prises pour éviter tout risque d'inhalation.
• Amélioration de la consistance des aliments et des boissons : Le fort pouvoir liant de la silice pyrogénée contribue à prévenir l'agglomération dans les produits alimentaires et à épaissir les boissons.
• Modification de la rhéologie des peintures et des revêtements : La silice pyrogénée contrôle la rhéologie et confère des propriétés anti-sédimentation et anti-coulure lorsqu'elle est ajoutée aux peintures et aux revêtements.
• Amélioration de l'écoulement dans la production de comprimés : La silice pyrogénée améliore les propriétés d'écoulement des poudres utilisées dans la production de comprimés pharmaceutiques, prévenant ainsi les irrégularités et améliorant la qualité.
• Contrôle de l’apparence des cosmétiques : l’ajout de silice fumée aux cosmétiques peut améliorer leur apparence en créant une apparence plus lisse et mate.
Silice précipitée :
La silice précipitée est un produit solide composé de particules de silice amorphe qui se forment lors d'une réaction de précipitation de sels de silicate. La granulométrie de la silice précipitée est nettement supérieure à celle de la silice pyrogénée, qui est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Cette taille plus importante permet d'exploiter la porosité de la silice amorphe pour développer des propriétés adsorbantes. Les fabricants réglementent la granulométrie et la porosité de la silice précipitée afin de créer des grades distincts, mieux adaptés à des applications spécifiques. La silice précipitée doit être soigneusement mélangée aux formulations liquides pour former une suspension.
• Amélioration du nettoyage bucco-dentaire : La silice précipitée assure le polissage et le nettoyage, et permet l'épaississement des produits de soins bucco-dentaires, tels que les dentifrices.
• Amélioration de la consistance des aliments et des produits pharmaceutiques : L'ajout de silice précipitée empêche l'agglomération et l'agglutination dans les produits alimentaires en poudre et les formulations pharmaceutiques.
• Renforcement des matériaux : L'incorporation de silice précipitée dans des matériaux tels que le caoutchouc peut apporter un renforcement et une résistance.
• Modification de l’apparence du film : la silice précipitée réduit la brillance et donne un effet mat aux revêtements, peintures et encres.