Pyrogenes Siliciumdioxid

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Pyrogenes Siliciumdioxid mit einer Oberfläche von 130 m2/g

Pyrogenes Siliciumdioxid (historisch, aber falsch auch pyrogene Kieselsäure,[1] englisch fumed silica) ist ein synthetisch hergestelltes, kolloides Material mit definierten Eigenschaften und Teilchengröße, welches als Füllstoff in Kunststoffen verwendet wird. Es besteht vollständig aus amorphen Siliciumdioxid-Partikeln (SiO2), die zu größeren Einheiten aggregiert sind. Ähnliches gilt für gefälltes Siliciumdioxid (historisch: gefällte Kieselsäure), dieses unterscheidet sich aber in Herstellungsweise und Eigenschaften.

Herstellungsweise und Eigenschaften[Bearbeiten]

Die Prozesse zur Herstellung von gefälltem und pyrogenem Siliciumdioxid werden in der folgenden Abbildung verglichen:

Herstellung von pyrogenem und gefälltem SiO2.

Sowohl für gefälltes wie auch für pyrogenes Siliciumdioxid dient Sand (kristallines Siliciumdioxid) als Ausgangsstoff.

Zur Herstellung von pyrogenem Siliciumdioxid wird der Sand zunächst mit Kohlenstoff reduziert und das entstandene Silicium anschließend mit Chlor zu Siliciumtetrachlorid umgesetzt. Der letzte Schritt ist die Flammpyrolyse des Siliciumtetrachlorid mit Knallgas (H2 + O2).[2] Als Nebenprodukt bildet sich dabei Salzsäure. In der Flamme entstehen zunächst tröpfchenartige Siliciumdioxid-Partikel, die sich kettenartig aneinanderlagern und so über Verzweigungen dreidimensionale Sekundärpartikel bilden. Diese lagern sich wiederum zu Tertiärpartikeln zusammen. Dies ist in der nächsten Abbildung gezeigt:

Fumed silica process.svg

Es entsteht ein weißes Pulver mit extrem niedriger (Schütt-)dichte und hoher Oberfläche. Wenn es als Füllstoff verwendet wird, wirkt es durch seine dreidimensionale Struktur stark verdickend, thixotropisch und schützt vor Sedimentation.[3] Es wird vermutet, dass die Beweglichkeit von Polymerketten durch starke Adsorption an die Siliciumdioxid-Partikel herabgesetzt wird. Die Thixotropie wird demnach durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Primärpartikeln verursacht, die jedoch durch Scherung temporär zerstört werden.[4] Die Partikel haben einen Durchmesser von 5–50 nm, eine Oberfläche von 50–600 m2/g, eine Dichte von 160–190 kg/m3 und sind nicht porös.

Gefälltes Siliciumdioxid wird in wesentlich größerem Umfang als pyrogenes Siliciumdioxid hergestellt. Das Verfahren geht von Wasserglas aus, das durch Aufschließen von Quarzsand mit Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat zugänglich ist. So erzeugtes SiO2 nennt man je nach Prozessbedingungen auch Fällungskieselsäuren, Kieselsolen oder Kieselgele.

Wichtige Hersteller von synthetischem Siliciumdioxid sind Evonik Industries (früher Degussa, Handelsname: Aerosil), Wacker Chemie (HDK), Rhodia und W. R. Grace.

Einteilung[Bearbeiten]

Die verschiedenen Varianten des Siliciumdioxids (alle SiO2) können eingeteilt werden in natürliches, kristallines Siliciumdioxid, wie Quarzmehl; natürliches, amorphes Siliciumdioxid, wie Kieselgur (= Diatomeenerde) und synthetisches, amorphes Siliciumdioxid wie gefälltes (CAS-Nr.: 112926-00-8) und pyrogenes (CAS-Nr.: 112945-52-5 und 60842-32-2) Siliciumdioxid.

Quarzhaltige Füllstoffe zeichnen sich durch ihre besondere Härte und chemische Beständigkeit aus (Quarz-Anteil mindestens 95 % nach DIN 55926). Natürliches, amorphes Siliciumdioxid wird als preiswerte Möglichkeit zur Verbesserung von Mattheit, Trocknung und Schleifbarkeit in Lacken verwendet. Pyrogene Kieselsäuren werden meist als Thixotropierungsmittel und nicht als Füllstoff verwendet.[5]

Eigenschaften[Bearbeiten]

In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften von pyrogenem und gefälltem Siliciumdioxid verglichen.[6]

Eigenschaft Pyrogenes Siliciumdioxid Gefälltes Siliciumdioxid
Spez. Oberfläche nach BET in m2·g−1 50–600 30–800
Primärteilchengröße in nm 5–50 5–100
Aggregat- bzw. Agglomeratgröße in µm 0,1–100 1–40
Dichte in g·cm−3 2,2 1,9–2,1
Stampfvolumen in ml/100 g 1000–2000 200–2000
Trocknungsverlust in % ≤ 2,5 3–7
Glühverlust in % 1–3 3–7
pH-Wert 3,6–4,3 5–9
Porendurchmesser in nm nicht porös bis ca. 300 > 30

Verwendung gefällter Kieselsäuren[Bearbeiten]

  • Aerogel
  • Folien für Batterieseparatoren.
  • Zusätze zu Reifen, Schuhsohlen und anderen Gummiartikeln um Abriebsfestigkeit zu erhöhen und Nassrutschverhalten und Rollwiderstand zu verbessern.
  • Zusätze, die das Fließverhalten von Futtermitteln, Suppen- und Getränkepulvern verbessern.
  • Als Pulver in Feuerlöschern
  • Beschichtungen für Inkjetpapiere, die schnelles Trocknen und eine bessere Druckqualität ermöglichen.
  • Entschäumer in Waschmitteln.
  • Proteinadsorber bei der Bierherstellung.
  • Mattierungsmittel für Lacke besonders Klarlacke im Holzbereich und Automobil-Innenbereich
  • Filtrationshilfsmittel, um die Filtrierbarkeit von Flüssigkeiten zu verbessern.
  • Aktivpuder
  • Als Abbindebeschleuniger für Portlandzemente in Baustoffen
  • Zur Sohlabdichtung für Baugruben und Dichtungsinjektionen im Bergbau. Verwendet werden hier vor Ort frisch gefällte, wasserhaltige Kieselgele aus ortho-Kieselsäure.
  • In verpresster (mit Keramikfaser gebundener) Form als thermischer Isolationskörper (z.B. in Strahlungsheizkörpern für Glaskeramikkochmulden)

Gesundheitsgefahren[Bearbeiten]

Siliciumdioxid ist (gelöst als Kieselsäure) Bestandteil jedes Menschen (etwa 1 g). Da Siliciumdioxid (in sehr geringen Mengen) wachstumsfördern wirkt, scheint es eine biologische Funktion zu besitzen. Kieselsäure ist nur in hohen Konzentrationen (≥ 100 mg/kg) für den Menschen toxisch.[7] Festes Siliciumdioxid, das aufgenommen wird, kann sich lösen und als Kieselsäure ausgeschieden werden.

Anders als Stäube von Mineralien, wie von Quarz und Cristobalit, besteht für die amorphen Produkte kein Verdacht auf Auslösung von Lungenerkrankungen (Silikose). Für pyrogenes und nassgefälltes Siliciumdioxid besteht daher nur der nicht auf bestimmte Stoffe bezogene Staubgrenzwert (Arbeitsplatzgrenzwert) von 4 mg/m3.[8]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Beschichtungsstoffe: Begriffe aus DIN-Normen. 1. Auflage. Vincentz [u.a.], Hannover 2001, ISBN 3-87870-721-5, S. 157 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. P.R. Garrett: Defoaming. Theory and Industrial applications. CRC Press, USA 1992, ISBN 0-8247-8770-6, S. 239–240.
  3. Otto W. Flörke, et al.: Silica. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2008, Weinheim: Wiley-VCH, doi:10.1002/14356007.a23_583.pub3.
  4.  Detlef Gysau: Füllstoffe: Grundlagen und Anwendungen. Vincentz Network, 2005, ISBN 3878703376, S. 131 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5.  Thomas Brock, Michael Groteklaes, Peter Mischke: Lehrbuch der Lacktechnologie. 2. Auflage. Vincentz Network, Hannover 2000, ISBN 3-87870-569-7, S. 161 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  6. Hans-Frieder Eberhardt: Wie entsteht ein Vakuum-Isolations-Paneel? (Vortrag: VIP-Bau: 2. Fachtagung „Erfahrungen aus der Praxis“. 16./17. Juni 2005, Wismar).
  7.  Hans-Dieter Belitz, Werner Grosch, Peter Schieberle: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 6., vollständig überarbeitete Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-73201-3, S. 438 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8. Eintrag zu Siliciumdioxid, kolloidal in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 16. Februar 2008 (JavaScript erforderlich).