SILICE

La silice (SiO₂) est l’un des matériaux inorganiques les plus abondants et les plus importants sur le plan industriel sur Terre.
Il existe sous de multiples formes structurelles (polymorphes cristallins et phases amorphes) et sous forme de matériaux manufacturés (silice pyrogénée, silice précipitée, silice colloïdale, aérogels, etc.).
Cet article passe en revue la chimie de la silice, son polymorphisme, ses propriétés physiques et de surface, ses voies de production et de synthèse, ses méthodes d'analyse et de caractérisation, ses applications industrielles et de haute technologie, sa fonctionnalisation de surface, son comportement environnemental, sa santé et sa sécurité au travail, ses réglementations et les avancées récentes (notamment la silice à l'échelle nanométrique et les structures mésoporeuses).
L'accent est mis sur les mécanismes reliant la structure et la chimie de surface aux performances technologiques, ainsi que sur la manipulation responsable et les cadres réglementaires de la silice cristalline respirable. Les principales sources faisant autorité sont citées tout au long de l'ouvrage.
CAS (primaire) : 7631-86-9 (Dioxyde de silicium / silice, général).
Autres CAS (formes cristallines représentatives) : α-Quartz 14808-60-7 ; Cristobalite 14464-46-1.

Synonymes (courants / commerciaux / techniques) : silice, dioxyde de silicium, anhydride silicique, anhydride d'acide silicique, gel de silice, silice précipitée, silice pyrogénée (silice), silice colloïdale (Ludox, Nyacol), terre de diatomées / diatomite, quartz (silice cristalline), tridymite, cristobalite, aérogel de silice, DRI-DIE, Aerosil, Cab-O-Sil, Santocel, Vulkasil et de nombreux noms commerciaux
La silice — chimiquement appelée dioxyde de silicium (SiO₂) — est omniprésente dans la croûte terrestre et est utilisée par les humains depuis des millénaires (fabrication de verre, céramique, matériaux de broyage).
Sa combinaison unique d’abondance, de stabilité chimique et de capacité à former des structures étendues et des matériaux à grande surface explique son rôle central dans toutes les industries.
Dans la science moderne, la silice s'étend du quartz fondu en vrac (fenêtres optiques, traitement des semi-conducteurs) aux particules nanométriques conçues utilisées dans les supports de médicaments et les catalyseurs.
Ces dernières décennies ont vu l’explosion des silices amorphes et mésoporeuses conçues pour des applications à haute valeur ajoutée, ainsi qu’une attention renouvelée aux risques pour la santé au travail associés à la silice cristalline respirable.

Identité chimique et nomenclature
Formule chimique : SiO₂ (chaque atome de silicium est coordonné de manière tétraédrique à quatre atomes d'oxygène).
CAS principal (silice générique / dioxyde de silicium) : 7631-86-9. CAS représentatif des polymorphes cristallins : α-quartz 14808-60-7 ; cristobalite 14464-46-1. Les qualités commerciales et les noms commerciaux peuvent avoir des identifiants distincts.
Synonymes courants (abrégés) : dioxyde de silicium, anhydride silicique, gel de silice, silice amorphe, silice pyrogénée, silice précipitée, silice colloïdale, terre de diatomées, quartz, cristobalite, tridymite.

Occurrence naturelle et formes géologiques
Dans la nature, la silice se présente sous les formes suivantes :
Quartz (α-quartz) — le plus abondant, stable dans les conditions de la surface de la Terre.
Tridymite et cristobalite — polymorphes à haute température trouvés dans des contextes volcaniques et à haute température.
Terre de diatomées / silice opaline — dépôts de silice amorphe biogénique provenant de diatomées et de radiolaires.
Formes à haute pression (coésite, stishovite) — formées dans des conditions d'impact ou de subduction.

Le quartz géologique (sable, grès) est la matière première de nombreux produits industriels à base de silice après enrichissement et purification.

Polymorphes cristallins et formes amorphes : structure et propriétés
Polymorphes de silice cristalline : tous partagent la stoechiométrie SiO₂ mais diffèrent en termes d'ordre à longue portée, de symétrie, de densité et de stabilité thermique. α-quartz (hexagonal/trigonal), β-quartz (haute température), tridymite, cristobalite (variantes tétragonales/cubiques) et rares phases à haute pression.
Les formes cristallines présentent des propriétés mécaniques et optiques anisotropes, un comportement de fusion/transition de phase défini et constituent la principale source de danger de la silice cristalline respirable lorsqu'elle est broyée en poussière respirable.

Silice amorphe : manque d'ordre à longue portée ; les exemples incluent le gel de silice, la silice précipitée, la silice pyrogénée, la silice colloïdale et les aérogels.
Les silices amorphes ont généralement une surface spécifique plus élevée, une plus grande porosité et une chimie de surface distincte (densité élevée de groupes silanols) par rapport au quartz cristallin ; leur profil toxicologique diffère : la silice amorphe est généralement moins associée à la silicose et au risque de cancer par rapport aux formes cristallines, bien que la silice nanométrique artificielle soulève des questions de toxicité spécifiques.

Chimie de surface : silanols, hydrophilie et réactivité
Les groupes silanol de surface (Si–OH) dominent la chimie de surface de la silice.
Ils déterminent la mouillabilité, la liaison hydrogène, la stabilité colloïdale et la capacité à être fonctionnalisés (silanisation) avec des organosilanes.
Types de groupes silanols : isolés, vicinaux (liés à l'hydrogène) et géminés ; leur densité dépend de la synthèse et de l'histoire thermique.
La déshydroxylation (chauffage) réduit la densité du silanol et modifie la réactivité de surface. L'acidité/basicité de surface et la charge (point de charge zéro ~ pH 2–4 pour de nombreuses surfaces de silice) sont essentielles à l'adsorption, à la catalyse et au comportement colloïdal.
La silanisation (par exemple avec des chlorosilanes, des alcoxysilanes) introduit une fonctionnalité organique sur mesure pour la compatibilité avec les polymères, les ligands biologiques ou les revêtements hydrophobes.

Propriétés physiques et chimiques
Densité : Quartz cristallin ≈ 2,65 g·cm⁻³ ; silice amorphe varie avec la porosité.
Comportement de fusion/phase : Le quartz se transforme à haute température en cristobalite/tridymite en fonction du chemin thermique ; la silice fondue (synthétique) a un point de ramollissement très élevé et une faible dilatation thermique.
Dureté : Mohs ≈ 7 pour le quartz.
Propriétés optiques : Les aérogels de silice fondue/translucides de haute pureté ont des utilisations optiques importantes ; indice de réfraction ~ 1,46 (silice en vrac).
Surface spécifique : Large gamme : quartz en vrac faible (<1 m²/g) par rapport à la silice précipitée/fumée jusqu'à plusieurs centaines de m²/g ; aérogels à porosité et surface spécifique extrêmement élevées.
Solubilité : Essentiellement insoluble dans l'eau ; soluble uniquement dans les solutions alcalines fortes (formation de silicates) ou par attaque d'acide fluorhydrique.

Méthodes de fabrication et de synthèse
Extraction et purification du quartz
La silice à grande échelle (sable, quartz) est extraite et enrichie (lavage, séparation magnétique, flottation, lixiviation acide) pour produire des matières premières pour le verre et la silice fondue.
La silice fondue de haute pureté nécessite une purification poussée pour réduire les traces d'impuretés (Fe, Al, Na) pour les applications optiques/électroniques.

Silice précipitée (sol-gel / acidification)
Produit industriellement en neutralisant des solutions de silicate de sodium avec des acides (par exemple, H₂SO₄).
Le gel de silice hydraté obtenu est lavé, filtré, séché et broyé pour produire de la silice précipitée dont la granulométrie, la structure des pores et la surface spécifique sont contrôlées. Réaction (idéalisée) : Na₂SiO₃ + H₂SO₄ → SiO₂ (précipité) + Na₂SO₄ + H₂O.
La silice précipitée est largement utilisée comme agent de renforcement dans le caoutchouc, comme abrasif et comme agent d'écoulement libre dans les poudres.

Silice pyrogénée (hydrolyse à la flamme)
Produit par hydrolyse à la flamme du tétrachlorure de silicium ou de composés de silicium vaporisés ; de très petites particules sphériques fusionnent en agrégats à chaîne ramifiée avec une porosité et une surface élevées.
La silice pyrogénée est utilisée comme modificateur de rhéologie, agent thixotrope et dans les composites hautes performances.

Silice colloïdale (Stöber et autres voies)
La silice colloïdale (sphères monodisperses) est produite par hydrolyse contrôlée et condensation d'alcoxysilanes (par exemple, TEOS) dans des milieux alcoolisés (procédé Stöber), ou par précipitation contrôlée à partir de solutions de silicate.
La silice colloïdale trouve des utilisations comme boues de polissage (CMP), supports de chromatographie et catalyseurs.

Silice mésoporeuse (MCM-41, SBA-15 etc.)
Les synthèses sol-gel dirigées par modèle créent des silices mésoporeuses ordonnées avec des tailles de pores uniformes (2 à 50 nm).
Les modèles tensioactifs (CTAB, copolymères séquencés) dirigent la structure ; l'élimination (calcination ou extraction par solvant) produit une surface spécifique élevée, des architectures de pores réglables pour la catalyse, l'adsorption et l'administration de médicaments.

Aérogels de silice
Gels de faible densité et hautement poreux obtenus par séchage supercritique d'alcogels (ou séchage à pression ambiante avec modification de surface).
Une isolation thermique exceptionnelle et un faible indice de réfraction rendent les aérogels intéressants pour l'isolation, l'optique et l'adsorption.

Caractérisation et techniques analytiques
Techniques clés et ce qu’elles révèlent :
Diffraction des rayons X (DRX) : identification de la phase cristalline (quartz, cristobalite, tridymite).
Adsorption d'azote Brunauer–Emmett–Teller (BET) : surface spécifique et distribution de la taille des pores (méso/microporosité).
Microscopie électronique à balayage/transmission (MEB, MET) : morphologie, structure des particules/agrégats ; distribution des tailles à l'échelle nanométrique.
Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) : bandes silanol vs siloxane, groupes fonctionnels de surface.
RMN du solide (²⁹Si) : espèces structurales Qn (connectivités Q⁴, Q³ Si) et degré de condensation.
Analyse thermogravimétrique (ATG) & DSC : eau adsorbée, déhydroxylation, stabilité thermique.
Spectroscopie de photoélectrons X (XPS) : composition de surface et états chimiques.
Diffusion dynamique de la lumière (DLS), potentiel zêta : comportement colloïdal et charge de surface dans les suspensions.
ICP-MS / AAS : analyse des traces d'impuretés pour la silice de haute pureté.

Modification de surface et silanisation
La fonctionnalisation des surfaces de silice est essentielle à la compatibilité avec les polymères, à la bioconjugaison et au contrôle de la mouillabilité. Stratégies courantes :
Organoalcoxysilanes (R–Si(OR')₃) pour liaisons siloxanes covalentes et fonctionnalités organiques greffées (amino, époxy, méthacryloxy, fluoroalkyle).
Conditions de silylation : solvant, catalyseur (acide/basique), température et teneur en eau contrôlent la couverture de surface et la condensation.
Greffage vs co-condensation : la silice préformée peut être greffée ; alternativement, l'organosilane peut être co-condensé pendant la synthèse sol-gel pour une distribution uniforme.
Les techniques de greffage de polymères et de « greffage à partir de » produisent des particules de type cœur-coquille et améliorent la dispersion dans les composites.
Voies plasma et thermiques pour introduire une fonctionnalité ou induire la fixation de polymères.

INFORMATIONS DE SÉCURITÉ CONCERNANT LA SILICE

Mesures de premiers secours :
Description des mesures de premiers secours :
Conseils généraux :
Consultez un médecin.
Montrez cette fiche de données de sécurité au médecin traitant.
Sortez de la zone dangereuse :
 
En cas d'inhalation :
En cas d’inhalation, déplacer la personne à l’air frais.
En cas d'arrêt respiratoire, pratiquer la respiration artificielle.
Consultez un médecin.
En cas de contact avec la peau :
Retirez immédiatement les vêtements et les chaussures contaminés.
Laver avec du savon et beaucoup d'eau.
Consultez un médecin.
 
En cas de contact avec les yeux :
Rincer abondamment à l'eau pendant au moins 15 minutes et consulter un médecin.
Continuer à rincer les yeux pendant le transport à l’hôpital.
 
En cas d'ingestion :
NE PAS faire vomir.
Ne jamais rien donner par voie orale à une personne inconsciente.
Rincer la bouche avec de l'eau.
Consultez un médecin.
 
Mesures de lutte contre l'incendie :
Moyens d'extinction :
Moyens d'extinction appropriés :
Utiliser de l’eau pulvérisée, de la mousse résistante à l’alcool, un produit chimique sec ou du dioxyde de carbone.
Dangers particuliers résultant de la substance ou du mélange
Oxydes de carbone, oxydes d'azote (NOx), gaz chlorhydrique
 
Conseils aux pompiers :
Portez un appareil respiratoire autonome pour lutter contre l'incendie si nécessaire.
Mesures à prendre en cas de déversement accidentel :
Précautions individuelles, équipement de protection et procédures d'urgence
Utiliser un équipement de protection individuelle.
 
Évitez de respirer les vapeurs, les brouillards ou les gaz.
Évacuer le personnel vers des zones sûres.
 
Précautions environnementales :
Empêcher toute fuite ou tout déversement supplémentaire si cela peut être fait en toute sécurité.
Ne pas laisser le produit pénétrer dans les égouts.
Il faut éviter tout rejet dans l’environnement.
 
Méthodes et matériaux de confinement et de nettoyage :
Absorber avec un matériau absorbant inerte et éliminer comme déchet dangereux.
Conserver dans des récipients appropriés et fermés pour l'élimination.
 
Manipulation et stockage :
Précautions à prendre pour une manipulation sans danger :
Éviter l’inhalation de vapeurs ou de brouillards.
 
Conditions de stockage sûr, y compris d’éventuelles incompatibilités :
Conserver le récipient bien fermé dans un endroit sec et bien aéré.
Les récipients ouverts doivent être soigneusement refermés et maintenus en position verticale pour éviter les fuites.
Classe de stockage (TRGS 510) : 8A : matières dangereuses combustibles et corrosives
 
Contrôles de l'exposition/protection individuelle :
Paramètres de contrôle :
Composants avec paramètres de contrôle du lieu de travail
Ne contient aucune substance présentant des valeurs limites d’exposition professionnelle.
Contrôles d'exposition :
Contrôles techniques appropriés :
Manipuler conformément aux bonnes pratiques d’hygiène industrielle et de sécurité.
Lavez-vous les mains avant les pauses et à la fin de la journée de travail.
 
Équipement de protection individuelle :
Protection des yeux/du visage :
Lunettes de sécurité bien ajustées.
Écran facial (8 pouces minimum).
Utilisez un équipement de protection oculaire testé et approuvé selon les normes gouvernementales appropriées telles que NIOSH (États-Unis) ou EN 166 (UE).
 
Protection de la peau :
Manipuler avec des gants.
Les gants doivent être inspectés avant utilisation.
Utiliser des gants appropriés
technique de retrait (sans toucher la surface extérieure du gant) pour éviter le contact de la peau avec ce produit.
Jetez les gants contaminés après utilisation conformément aux lois en vigueur et aux bonnes pratiques de laboratoire.
Se laver et se sécher les mains.
 
Contact complet:
Matériau : caoutchouc nitrile
Épaisseur minimale de la couche : 0,11 mm
Temps de percée : 480 min
Matériau testé : Dermatril (KCL 740 / Aldrich Z677272, taille M)
Contact par éclaboussures
Matériau : caoutchouc nitrile
Épaisseur minimale de la couche : 0,11 mm
Temps de percée : 480 min
Matériau testé : Dermatril (KCL 740 / Aldrich Z677272, taille M)
Cela ne doit pas être interprété comme une approbation pour un scénario d’utilisation spécifique.
 
Protection du corps :
Combinaison complète de protection contre les produits chimiques. Le type d'équipement de protection doit être sélectionné en fonction de la concentration et de la quantité de la substance dangereuse sur le lieu de travail spécifique.
Protection respiratoire :
Lorsque l'évaluation des risques montre que les respirateurs à purification d'air sont appropriés, utilisez un respirateur complet avec des cartouches respiratoires combinées polyvalentes (US) ou de type ABEK (EN 14387) comme solution de secours aux contrôles techniques.
 
Si le respirateur est le seul moyen de protection, utilisez un respirateur à adduction d’air complet.
Utilisez des respirateurs et des composants testés et approuvés conformément aux normes gouvernementales appropriées telles que NIOSH (États-Unis) ou CEN (UE).
Contrôle de l'exposition environnementale
Empêcher toute fuite ou tout déversement supplémentaire si cela peut être fait en toute sécurité.
Ne pas laisser le produit pénétrer dans les égouts.
Il faut éviter tout rejet dans l’environnement.
 
Stabilité et réactivité :
Stabilité chimique :
Stable dans les conditions de stockage recommandées.
Matériaux incompatibles :
Agents oxydants forts :
Produits de décomposition dangereux :
Des produits de décomposition dangereux se forment en cas d'incendie.
Oxydes de carbone, oxydes d'azote (NOx), gaz chlorhydrique.
 
Considérations relatives à l’élimination :
Méthodes de traitement des déchets :
Produit:
Proposez les solutions excédentaires et non recyclables à une entreprise d’élimination agréée.
Contactez un service professionnel agréé d’élimination des déchets pour éliminer ce matériau.
Emballage contaminé :
Éliminer comme produit non utilisé