DE2337495A1 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SILICON DIOXIDE WITH HIGHLY THICKENING AND THIXOTROPIC PROPERTIES - Google Patents
PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SILICON DIOXIDE WITH HIGHLY THICKENING AND THIXOTROPIC PROPERTIESInfo
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Description
DipL-Ing. Gesthuyitft **' Juli DipL-Ing. Gesthuyitft ** ' July
43 B*»en, The»t»tpUM J 43 B * »en, The» t »tpUM J
LONZA A.G., Gampel/Wallis (Geschäftsleitung: Basel) LONZA AG, Gampel / Wallis (Management: Basel)
Verfahren zur Herstellung von Siliciumdioxid mit stark verdickend und thixotropierend wirkenden Eigenschaften.Process for the production of silicon dioxide with strongly thickening and thixotropic properties.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von grobteiligem Siliciumdioxid oder Siliciumdioxid enthaltenden Materialien mit Hilfe eines Plasmabrenners, unter Vermeidung der Bildung von Silan-Gruppen.The invention relates to a process for the production of highly dispersed silicon dioxide by reacting coarse-particle silicon dioxide Silicon dioxide or materials containing silicon dioxide with the aid of a plasma torch, with avoidance the formation of silane groups.
Es ist bekannt (DOS 1 933 291), hochdisperses Siliciumdioxid durch Umsetzung von aus Siliciumdioxid bestehenden Materialien mit einem Reduktionsmittel bei hohen Temperaturen unter Bildung eines Siliciummonoxid enthaltenden Gasstromes, anschliessender Abkühlung des Gasstromes in Gegenwart oxidierend wirkender Gase und Abtrennung des mit der Abkühlung entstandenen hochdispersen Siliciumdioxides vom Restgas, herzustellen, Auf den Siliciummonoxid enthaltenden heissen Gasstrom wird vor seiner Abkühlung Wasserdampf unter Bildung eines hochdispersen, Silan- und Silanolgruppen enthaltenden Zwischenproduktes zur Einwirkung gebracht und anschliessend das Zwischenprodukt nach Abtrennung aus dem Gasstrom einer thermischen Nachbehandlung unterworfen. Diese thermische Nachbehandlung ist notwendig, um die die Eigenschaften des Endprodukts nachteilig beeinflussenden Silan-Gruppen zu zerstören.It is known (DOS 1 933 291) that highly disperse silicon dioxide is obtained by reacting silicon dioxide Materials with a reducing agent at high temperatures to form a gas stream containing silicon monoxide, Subsequent cooling of the gas stream in the presence of oxidizing gases and separation of the one formed with the cooling highly disperse silicon dioxide from the residual gas, to produce, on the silicon monoxide-containing hot gas stream is before its cooling water vapor with the formation of a highly dispersed intermediate product containing silane and silanol groups for action brought and then subjected the intermediate product to a thermal aftertreatment after separation from the gas stream. This thermal aftertreatment is necessary to remove the silane groups which have a negative impact on the properties of the end product to destroy.
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Es ist auch ein Verfahren bekannt (holländische offengelegte Patentanmeldung 67.16766), welches die Herstellung von Siliciumdioxidteilchen beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass Siliciumdioxid in einem Plasmagenerator verdampft wird und die Endflamme des Plasmagenerators, die das verdampfte siliciumdioxid enthält, gelöscht wird in Anwesenheit einer wasserstoffhaltigen Verbindung. Als wasserstoffhaltige Verbindung sind u.a. Wasser und Ammoniak genannt. Wesentlich ist bei diesem Verfahren, dass die Wasserstoffgas enthaltende Verbindung an einer solchen Stelle in das Plasmasystem eingeführt wird, dass'die Anwesenheit von freiem Wasserstoff während der Formung fester Siliciumdioxidteilchen gesichert ist. *There is also known a method (Dutch laid-open patent application 67.16766) which involves the production of silica particles describes, characterized in that silicon dioxide is vaporized in a plasma generator and the end flame of the plasma generator, which contains the evaporated silicon dioxide, is extinguished in the presence of a hydrogen-containing compound. Hydrogen-containing compounds include water and ammonia. It is essential in this process that the hydrogen gas containing compound at such a point in the plasma system is introduced that the presence of free hydrogen is ensured during the formation of solid silica particles. *
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Produkt mit stark verdickend und thixotrop wirkenden Eigenschaften herzustellen. Dazu ist es notwendig, die sich bildenden Silangruppen • zu zerstören oder deren Bildung zu verhindern, ohne jedoch die Silanolgruppen zu zerstören oder deren Bildung zu verhindern und somit die genannten und erwünschten Eigenschaften der Endprodukte zu erhalten. Insbesondere soll das Verfahren einfach und nicht über mehrere Verfahrenes : itte ausführbar sein.The object of the present invention is to produce a product with strongly thickening and thixotropic properties. To do this, it is necessary to destroy the silane groups that are formed • or to prevent their formation, but without the Destroying silanol groups or preventing their formation and thus the stated and desired properties of the end products to obtain. In particular, the method should be able to be carried out simply and not over several methods.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass man das intermediär im Plasmastrahl gebildete, aus siliciummonoxid bestehende Zwischenprodukt aus dem Bereich des PlasmaStrahls ab- , zieht, auf Temperaturen von 13CX) bis 19000K bringt und anschliessendAccording to the invention this is achieved in that the intermediate formed in the plasma jet, off of silicon monoxide existing intermediate product of the area of the plasma jet, pulls, brings to temperatures of 13CX) 0 to 1900 K and then
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mit einer Mischung von Wasserdampf und einer Verbindung des Typs N-(R1R2R3), wobei R^R3R3 Wasserstoffetome oder organische Reste, die zusammen nicht mehr als 6 C-Atome enthalten, sein können, zu Siliciumdioxid rückoxidiert und abschreckt. Vorzugsweise wird ein Gemisch aus Wasserdampf und Ammoniak verwendet. Als weitere Verbindungen des Typs N- (R1R2R3) kommen zweckmässig Alkylamine, wie Methylamine, Aethylamine, Propylamine, Butylamine, Alkylamine und Hexylamine zur Anwendung.reoxidized to silicon dioxide with a mixture of steam and a compound of the type N- (R 1 R 2 R 3 ), where R ^ R 3 R 3 can be hydrogen atoms or organic radicals which together contain no more than 6 carbon atoms and scares off. A mixture of steam and ammonia is preferably used. Other compounds of the N- (R 1 R 2 R 3 ) type that are advantageously used are alkylamines, such as methylamines, ethylamines, propylamines, butylamines, alkylamines and hexylamines.
Zweckmässig wird für die Rückoxidation und Abschreckung ein Wasserdampf, welcher 1 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 3 bis 5 Oew.%, der Verbindung H- (R^R3R3) enthält, angewendet.For the reoxidation and quenching, it is expedient to use a steam which contains 1 to 10% by weight, preferably 3 to 5% by weight, of the compound H- (R ^ R 3 R 3 ).
Die Rückoxidation leitet man zweckmässig bei Temperaturen von 13OO°K bis 1900°K, vorzugsweise bei 15000K bis 19OO°K# ein. Beim Verfahren der Erfindung wird ein Plasmabrenner angewendet, der gas- als auch flüssigkeitsstabilisiert sein kann. Eine mögliche Ausführungsform eines solchen Brenners ist beispielsweise in der schweizerischen Patentschrift 494 517 beschrieben.The reoxidation is passed advantageously at temperatures of 13OO ° K to 1900 ° K, preferably at 1500 0 K to 19OO ° K # a. In the method of the invention, a plasma torch is used, which can be gas-stabilized as well as liquid-stabilized. One possible embodiment of such a burner is described in Swiss patent specification 494 517, for example.
Als Siliciumdioxid wird vorzugsweise Quarzsand verwendet. So wird beispielsweise ein Sand, der zur Herstellung von Glas geeignet ist, eingesetzt. Die Körnung kann in ziemlich weiten Grenzen gehalten werden, doch ist es zweckmässig, eine Korngrösse von 150 - 200 n£sh nicht zu überschreiten.Quartz sand is preferably used as the silicon dioxide. For example, a sand that is used to produce Glass is suitable used. The grain size can be kept within fairly wide limits, but it is advisable to use a grain size not to exceed 150 - 200 n £ sh.
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Der Eintrag des Siliciumdioxids erfolgt am zweckmässigsten in der Nähe der Anode mit Hilfe eines Trägergases, beispielsweise direkt in den Plasmastrahl. Nach der Einspeisung des Siliciumdioxids werden diese Körnchen vom Plasmastrahl mitgerissen und in der Richtung der Anode beschleunigt. An der Oberfläche der Teilchen beginnt bei simultaner Erhitzung die Reduktion zu gasförmigem Siliciummonoxid.The introduction of silicon dioxide is most expedient in the vicinity of the anode with the aid of a carrier gas, for example directly into the plasma jet. After feeding the silica these granules are carried away by the plasma jet and accelerated in the direction of the anode. On the surface of the When the particles are heated simultaneously, the reduction to gaseous silicon monoxide begins.
Die Temperatur dieses Gasgemisches soll vorzugsweise durch Regulierung der Energiezufuhr zum Brenner über 2300 C gehalten werden, um unerwünschte Nebenreaktionen, wie z.B. Siliciumcarbidbildung, zu vermeiden. Am Ausgang des Reaktionsgefässes kann eine Kühldüse angebracht sein, welphe durch Zufuhr eines nicht oxidierenden Gases (z.B. H2#N2#Ar,CO) den Gasstrom auf Temperaturen von 13OO bis 19000K abkühlt.The temperature of this gas mixture should preferably be kept above 2300 ° C. by regulating the energy supply to the burner in order to avoid undesirable side reactions, such as the formation of silicon carbide. At the exit of the reaction vessel, a cooling nozzle may be attached, a non-oxidizing gas (such as H2 # N2 # Ar, CO) welphe by supplying the gas stream to a temperature of 13OO to 1900 0 K cools.
Nach dem allenfalls erforderlichen Kühlprozess wird das Reaktionsgemisch in den Rückoxidations- und Abschreckungsreaktor geleitet und mit dem Gemisch Wasserdampf-Verbindung N-(R,R3R3) behandelt. Es bildet sich nun das gewünschte hochdisperse Siliciumdioxid, das durch die stark verminderte Silangruppenkonzentration und durch die grosse Anzahl Silanolgruppen hervorragende Eigenschaften bezüglich Verdickuhgswirkung und Thixotropie aufweist.After the cooling process, which may be necessary, the reaction mixture is passed into the reoxidation and quenching reactor and treated with the mixture of water vapor compound N- (R, R 3 R 3 ). The desired highly disperse silicon dioxide is now formed, which has excellent properties in terms of thickening effect and thixotropy due to the greatly reduced silane group concentration and the large number of silanol groups.
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VerqleichsbeispieleComparative examples
Mit Hilfe eines Plasmabrenners, wie z.B. in der schweizerischen Patentschrift 494 517 beschrieben, der ein Kohlenwasserstoffpiasina erzeugt, wurde Quarzsandverdampft und karbothermisch reduziert.With the help of a plasma torch, such as in the Swiss Patent 494 517 described, which generates a hydrocarbon pasina, quartz sand was evaporated and carbothermally reduced.
Das gebildete gasförmige SiO wurde abgezogen, mit H2 auf 1500The gaseous SiO formed was drawn off, with H 2 to 1500
bis 1900°K gekühlt und anschliessend mit der dreifachen stöchiometrischen Menge Wasserdampf oxidiert und gleichzeitig abgeschreckt.Cooled to 1900 ° K and then with three times the stoichiometric Amount of water vapor oxidized and quenched at the same time.
Das so erhaltene Produkt erwies sich als sehr feinteiliges amorphes >2The product thus obtained turned out to be very finely divided amorphous > 2
2 SiO0 mit einer spezifischen Oberfläche von 120 m /g. An der Oberfläche wurden 2-3 Silangruppen pro 100 Ä und 4.0 Silanolgruppen2 SiO 0 with a specific surface area of 120 m 2 / g. On the surface there were 2-3 silane groups per 100 Å and 4.0 silanol groups
o2 " »o2 "»
pro 100 A festgestellt. Eine 3 %ige Dispersion in Dioctylphthalat ergab eine Viskosität von 171 cP und eine nur geringe Thixotropie.per 100 A. A 3% dispersion in dioctyl phthalate resulted in a viscosity of 171 cP and only slight thixotropy.
Beispiel 2 (qemäss Erfindung) Example 2 (according to the invention)
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde Quarzsand im Plasmabrenner verdampft. Das gebildete gasförmige SiO wurde abgezogen, mit H2 auf 15OO - 1900 K gekühlt und anschliessend mit Wasserdampf, dem 2 Gew.% Ammoniakgas, bezogen auf den Wasserdampf, beigemischt wurde, abgeschreckt. Es bildete sich ein sehr feines amorphes SiO2, dessen Silangruppen gänzlich verschwunden waren. Dagegen konnte eine Öberflächen-Silanolkonzentration von 6.8/100 A gemessen werden. Eine 3 %ige Dispersion in Dioctylphthalat ergab eine Viskosität von 680 cP und eine ausgeprägte Thixotropie.As described in Example 1, quartz sand was evaporated in a plasma torch. The gaseous SiO formed was drawn off, cooled to 1500-1900 K with H 2 and then quenched with steam to which 2% by weight ammonia gas, based on the steam, was added. A very fine amorphous SiO 2 was formed , the silane groups of which had completely disappeared. In contrast, a surface silanol concentration of 6.8 / 100 A could be measured. A 3 % strength dispersion in dioctyl phthalate gave a viscosity of 680 cP and pronounced thixotropy.
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Es wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben, gearbeitet, aber das gasförmige SiO wurde bei einer Temperatur oberhalb 20000K oxidiert und abgeschreckt, so hatte das erhaltene feinteilige amorphe S1O2 eine spezifische Oberfläche von 38O m /g und die Sxlanolgruppenkonzentratxon betrug 3.2 OH-Gruppen pro 1OO Ä , die Viskosität einer 3 %igen Dispersion in Dioctylphtha la t lag aber nur bei 195.It was prepared as described in Example 2, working, but the gaseous SiO is oxidized at a temperature above 2000 0 K and quenched, the finely divided amorphous S1O2 obtained had a specific surface area of 38O m / g and the Sxlanolgruppenkonzentratxon was 3.2 OH groups per 100 Å, but the viscosity of a 3% dispersion in dioctylphthalate was only 195.
Beispiel 1 2 3_ Example 1 2 3_
Oberfläche ra2/g 120 22O 380Surface area ra 2 / g 120 22O 380
Silangruppen Si-H/100 R 2-3 Silane groups Si-H / 100 R 2-3
Silanolgruppen SiOH/lOO R2 4 6.8 3.2 Verdickung cP 171 68O 195Silanol groups SiOH / 100 R 2 4 6.8 3.2 Thickening cP 171 68O 195
(3 % SiO2in DOP)(3 % SiO 2 in DOP)
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Im gleichen Verfahren wie unter (1) beschrieben, wurde dem Wasserdampf 5 Gew.-% Ammoniakgas,bezogen auf den Wasserdampf beigemischt. Als Ergebnis wurde ein Produkt erhalten, das sich weder analytisch noch in seiner Anwendung von demjenigen des Beispiels(3) unterschied.In the same process as described under (1), 5% by weight of ammonia gas, based on the water vapor, was added to the water vapor mixed in. As a result, a product was obtained which was neither analytically nor in its application from the of example (3) differed.
Im gleichen Verfahren wie unter (1) beschrieben, wurde dem Wasserdampf 10 Gew.-% Ammoniakgas (bezogen auf den Wasserdampf) beigemischt. Mit Hilfe der IR-SpektralanaIyse konnte gezeigt werden, dass weder NH3 (durch physikalische Absorption) noch chemisch an das Si-Atom gebundenen NH^-Gruppen an der Partikeloberfläche gefunden werden konnte. Im übrigen waren die Eigenschaften des SiO_ die gleichen, wie sie bereits im Beispiel 3 aufgeführt wurden.In the same process as described under (1), 10% by weight of ammonia gas (based on the water vapor) was added to the water vapor. With the help of the IR spectral analysis it was possible to show that neither NH 3 (through physical absorption) nor NH 4 groups chemically bonded to the Si atom could be found on the particle surface. Otherwise, the properties of SiO_ were the same as those already listed in Example 3.
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