DE1014084B - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von amorphem Siliciumdioxyd - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von amorphem Siliciumdioxyd in reinem Zustande aus Sauerstoff und aus elementarem Silicium.

Für zahlreiche Zwecke braucht man Siliciumdioxyd oder Kieselsäure in amorphem, also pulverförmigem Zustand, beispielsweise als Füllstoff für Gummimischungen oder als Pigment oder als Eindickungsmittel für Silikonschmierstoffe, sowie für die Herstellung feuerfester Erzeugnisse und schließlich auch als einen Überzugsstoff, der Licht zerstreut, beispielsweise für Mattscheiben oder für matte Glühbirnen it. dgl.

Bisher hat man amorphes Siliciumdioxyd der gewünschten Feinheit durch Verbrennen organischer und anorganischer Siliciumverbindungen hergestellt, die Silicium enthalten. Die Verbrennungsprodukte hat man dann erfaßt. Für diesen Zweck verwendete Verbindungen bestanden beispielsweise aus Tetraäthylorthosilicat, das im Handel unter der Bezeichnung Äthylsilicat erhältlich ist, sowie Siliciumtetrachlarid. Diese Verbindungen hat man mit Brennstoffen vermischt und dann in einem Düsenbrenner verbrannt, um auf diese Weise das amorphe Siliciumdioxyd zu erzeugen. Indessen haben sich diese bekannten Verfahren nicht in jeder Hinsicht bewährt. Ihre Wirtschaftlichkeit läßt zu wünschen übrig, und bei der praktischen Durchführung erfordern sie eine besonders sorgfältige technische Überwachung und Steuerung. Auch muß man das Erzeugnis für seine Verwendung durch schwierige Reinigungsverfahren und Trennverfahren aufbereiten. Tetraäthylester der Orthokieselsäure sind verhältnismäßig teuer, und Siliciumtetrachlorid erzeugt ein. unerwünschtes Nebenprodukt, das feucht ist und Chlor enthält. Auch ergab sich bei der Verbrennung elementaren Siliciums in der bisher bekanntgewordenen Weise kein Siliciumdioxyd der gewünschten Reinheit. Verbrennt man in der bekannten Weise elementares Silicium mit Hilfe eines Düsenbrenners, so enthält das auf diese Weise gewonnene Siliciumdioxyd stets Verunreinigungen in Gestalt unverbrannten Siliciums. Wenn nachstehend von reinem Siliciumdioxyd die Rede ist, so wird darunter ein Erzeugnis verstanden, das kein freies Silicium mehr enthält. Mit Hilfe der bekannten Düsenbrennerverfahren war es jedenfalls nicht möglich, pulverförmiges Silicium vollständig zu verbrennen, so daß der dabei entstehende Rauch aus reinem Siliciumdioxyd bestand.

Bei dem bekannten, mit Hilfe von Düsenbrennern durchgeführten Verfahren verbleibt das Silicium oder die pulverförmige Siliciumverbindung zu kurze Zeit in der Verbrennungszone. Infolgedessen erreicht der pulverförmige Stoff keine Temperatur, die groß genug Verfahren und Vorrichtung

zum Erzeugen von amorphem

Siliciumdioxyd

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, Berlin-Steglitz, Borstellstr. 51,
und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal), Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Februar 1955

Alexander John Yerman, Schenectady, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

wäre, um eine vollständige Verbrennung zu erzielen. Da der mit dem pulverförmigen Silicium oder der pulverförmigen Siliciumverbindung gemischte Brennstoff gewöhnlich gasförmig war, ergab sich in der Brennzone des Brenners eine hohe Strömungsgeschwindigkeit. Dies ist der Grund, weshalb das Pulver der Einwirkung der Flammzone nur eine verhältnismäßig kurze Zeit ausgesetzt wurde.

Schließlich ist ein Verfahren zum Erzeugen von amorphem Siliciumdioxyd durch Oxydation von feinverteiltem Silicium mit Sauerstoff bekannt. Auch die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein solches Verfahren. Erfindungsgemäß wird ein Gemisch von Siliciumpulver und reinem Sauerstoff durch eine von außen beheizte Zone über einen längeren Weg bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 1350° mit solcher Strömungsgeschwindigkeit geleitet, daß die Siliciumteilchen in der beheizten Zone für einen Zeitraum von etwa 1,6 bis etwa 3,7 Sekunden verbleiben und das dabei gebildete Siliciumdioxyd hinter der Heizzone gesammelt wird.

In der Zeichnung ist an Hand eines Längsschnittes eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung enthält ein Mischgerät 1 mit einem Flügelrad 2 und mit Sauerstoffeinlässen 3, die in seinem unteren Teil vorgesehen sind. Der Behälter 1 wird mit feingemahlenem elementarem Silicium 4 beschickt. Dann wird das Flügelrad in Gang gesetzt und Sauerstoff in den Behälter durch die Einlasse 3 hineingedrückt. Auf diese Weise wird das

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Silicium in reinem Sauerstoff zerstäubt, und der staubhaltige Sauerstoff wird dann durch die Leitung 5 einem verhältnismäßig langen, von außen beheizten Reaktionskanal 6 zugeführt. Dieser Kanal wird von einem Rohr gebildet, das durch den Brennraum 7 eines aus feuerfesten Ziegeln gemauerten Ofens hindurch verläuft. Der Brennraum wird durch Gasbrenner 8 beheizt, die in mehreren Reihen angeordnet sind. Der Ofenraum 7 hat einen Auslaß 9 für die Verbrennungsabgase. Am Ausgangsende des Kanals 6 ist eine Einrichtung zum Erfassen des aus ihm austretenden Siliciumdioxyds vorgesehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Einrichtung aus einer Sammelplatte 10. An dieser schlägt sich der aus dem Rohr 6 austretende Rauch nieder, der aus reinem Siliciumdioxyd besteht. Der Kanal 6 wird nämlich durch die Brenner auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß eine vollständige Reaktion des Siliciums und des Sauerstoffs eintritt. Dabei findet diese Reaktion in Abwesenheit jeglicher gasförmiger oder sonstiger Brennstoffe statt. Der Strom des mit Siliciumpulver geschwängerten Sauerstoffs 11 wird mit einer so niedrigen Geschwindigkeit durch die rohrförmige Reaktionskammer 6 geleitet, daß die Reaktion, die in diesem Rohr erfolgt, vollständig ist und daher zur Bildung von im wesentlichen reinem Siliciumdioxyd 12 führt, das sich auf der Platte 10 ansammelt.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Sauerstoff unter Druck den Einlassen 3 zugeleitet, die in dem Mischbehälter 1 dicht an dessen Boden vorgesehen sind und den Sauerstoff in die Siliciumpulverfüllung4 des Behälters hineinströmen lassen. Wenn dabei das Flügelrad 2 mit Hilfe einer Riemenscheibe 13 angetrieben wird, dann werden die Siliciumteilchen in dem reinen Sauerstoff verstäubt. Der stauberfüllte Sauerstoff verläßt dann das Mischgefäß und fließt durch die Leitung 5 dem keramischen Rohr 6 zu. Die geeignete Strömungsgeschwindigkeit in diesem Rohr wird dadurch erreicht, daß man den Zufluß des Sauer-Stoffs in den Behälter entsprechend einstellt.

Das keramische Rohr 6 wird über seine ganze Länge hin von außen durch senkrechte Reihen von Gasbrennern beheizt. Die einzelnen Brennerreihen sind dabei um 90° zueinander um das Rohr herum versetzt angeordnet. Die Brenner werden mit einer Gasmischung aus Leuchtgas und Luft beschickt. Dadurch wird der Ofenraum 7 auf eine Temperatur von etwa 1230 bis 1240° beheizt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs von 3,4 1 pro Minute und bei der angegebenen Temperatur des keramischen Rohres findet in diesem eine vollständige Verbrennung des Siliciums statt, so daß aus dem Ausgangsende des Rohres 14 reines amorphes Siliciumdioxyd in Gestalt von einem Rauch austritt, der sich auf der Platte 10 niederschlägt und auf dieser gesammelt wird.

Für die vollständige Verbrennung des Siliciums mit Sauerstoff muß die Temperatur des keramischen Rohres sich auf mindestens 1000° belaufen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs 2,5 bis 5,5 1 pro Minute beträgt. Verwendet man ein keramisches Rohr von beispielsweise 43' cm Länge, 2,5 cm lichter Weite und 3,2 cm äußerem Durchmesser und erhitzt man dieses auf die gewünschte Temperatur über eine Strecke von etwa 30 cm, so· führt die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs dazu, daß die Siliciumteilchen in der Reaktionskammer etwa 3,7 bis 1,68 Sekunden verbleiben, wenn sich die mittlere Teilchengröße des Ausgangsstoffs auf 5 bis 10 μ beläuft. Dieser Zeitraum wird nachstehend als Aufenthaltsdauer bezeichnet. Temperaturen über 1350° ergeben keine besseren Ergebnisse. Jedenfalls tritt das in dem keramischen Rohr vollständig zu Siliciumdioxyd verbrannte Silicium in Gestalt eines Rauches in reichlicher Menge aus dem Ende des Rohres aus, wenn die im Innern des Rohres erzeugte Temperatur etwa zwischen 1230 und 1240° beträgt, wenn dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs etwa 3,4 1 pro Minute beträgt, entsprechend einer Aufenthaltsdauer von annähernd 2,7 Sekunden.

Dieser Rauch besteht aus Kügelchen von einer Größe von 20 bis 60 μ. Verwendet man dieses Erzeugnis als Pigment für einen Anstrich, so fällt dieser völlig weiß aus.

Aus Silicium bestehende Füllstoffe für Silikon-Gummi werden in drei sich durch die Teilchengröße unterscheidenden Sorten gehandelt, nämlich eine mit der Teilchengröße von 10 bis 20 μ, eine zweite mit 20 bis 100 μ und eine dritte von 100 μ. Das Erzeugnis nach der Erfindung liegt also in dem Bereich der zweiten Sorte und eignet sich daher als Füllstoff für Silikon-Gummi.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung, bei welchem der rohrförmige Reaktionskanal verwendet wird, sind die Mangel des mit Brennern arbeitenden bekannten Verfahrens vermieden, weil beim Verfahren nach der Erfindung die Reaktionskammer von außen beheizt wird und daher die Reaktion des Siliciums mit dem Sauerstoff nicht in der Gegenwart von gasförmigen Brennstoffen stattfindet, die sich schnell ausdehnen. Beim Durchströmen des Kanals legen die Rohstoffe einen so langen Weg zurück, und zwar mit so niedriger Geschwindigkeit, daß sich dabei eine vollständige Reaktion ergibt.

Bei dem besonderen Ausführungsbeispiel, das im vorstehenden beschrieben ist, war der das keramische Rohr umgebende beheizte Ofenraum etwa 30 cm lang, 7,6 cm weit und 7,6 cm tief und an den Enden durch . feuerfeste Platten verschlossen, durch die hindurch das keramische Rohr eingesetzt wurde.

Claims (2)

1. Patentanspruch ε-1. Verfahren zum Erzeugen von amorphem Siliciumdioxyd durch Oxydation von feinverteiltem Silicium mit Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Siliciumpulver und reinem Sauerstoff durch eine von außen beheizte Zone über einen längeren Weg bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 1350° mit solcher Strömungsgeschwindigkeit geleitet wird, daß die Siliciumteilchen in der beheizten Zone für einen Zeitraum von etwa 1,6 bis etwa 3,7 Sekunden verbleiben und daß das dabei gebildete Siliciumdioxyd hinter der Heizzone gesammelt wird.
2. 2. Vorrichtung für die Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von außen beheizten Kanal (6), der durch eine Leitung (5) mit einem Mischgerät zum Zerstäuben pulverförmigen Siliciums in Sauerstoff verbunden ist und an seinem Ausgangsende mit einer Sammeleinrichtung (10) für das anfallende Siliciumdioxyd verbunden ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Gmelin-Krauts Handbuch der anorg. Chemie, 7. Auflage, Bd. III, Abt. 1, S. 115, Abs. 1.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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