DE2610207C3 - Fein zerteilte modifizierte Kieselsäure, ihre Herstellung und Verwendung - Google Patents
Fein zerteilte modifizierte Kieselsäure, ihre Herstellung und VerwendungInfo
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Description
Es ist bekannt, feinverteifte kieselsäure oder SiOi-Teilchen durch Ansäuern einer wäßrigen Alkalisilicatlö-
•5 sung mit einer Säure wie Schwefelsäure herzustellen. Solche Produkte sind im Handel erhältlich and durch folgende
Eigenschaften charakterisiert: hohe Struktur, hoher Wassergehalt des feuchten Filterkuchens, hohe
Ölaufnahme, niederer Abrieb nach Valley, hohe spezifische Oberfläche und geringe Schüttdichte. Aufgrund
ihrer Eigenschaften wie hohe Ölaufnahme wurden derartige Stoffe oder Pigmente mit Erfolg als verstärkende
Füllstoffe in Kautschuk verwendet. Nachteilig sind jedoch der hohe Wassergehalt desfeuckipn Filterkuchens,
jii weil dadurch die Trocknungs- und Filtriergeschwindigkeiten stark beeinträchtigt werden.
Gemäß der US-PS 29 40 830 erhält man fein zerteilte Kieselsäure, die sich als Füllstoff für Kautschuk eignet
und eine Primärteilchengröße von 0,015 bis 0,04 *&pgr;&igr; sowie eine spezifische Oberfläche von 25 bis 200 nr/g aufweist,
wenn man unter gesteuerter Geschwindigkeit eine Alkalimetallsilicatlösung mit Säure versetzt und die
erhaltene Aufschlämmung konstant bei einem pH-Wert über 7 hält. Bei dem Verfahren der US-PS 32 35 331 zur
Herstellung einer gefällten Kieselsäure, die ebenfalls als Füllstoff für Kautschuk Verwendung findet, werden die
wäßrige Alkalimetallsilicatlösung und die Säure gleichzeitig in einen Reaktionsbehälter eingebracht. Diese
gleichzeitige Zugabe wird fortgesetzt, bis die Viskosität der Reaktionsmasse ein Maximum erreicht und dann auf
einen wesentlich niedrigeren Wert abfällt. Die Menge an Ansäuerungsmittel und Alkalimetallsilicat werden so
aufeinander abgestimmt, daß der pH-Wert der erhaltenen Aufschlämmung während des größten Teils der Reaktionszeit
konstant im Bereich von 10 bis 12 bleibt. Die Fällung wird bei einer Temperatur von 80 bis 900C durchgeführt
und das getrocknete Endprodukt ist eine Kieselsäure mit einer spezifischen Oberfläche von 260 nr/g.
Bei dem in der US-PS 34 45 189 beschriebenen Verfahren wird die fein verteilte Kieselsäure durch gleichzeitige
Zugabe von Lösungen eines Alkalisilicates und einer starken anorganischen Säure zu Wasser bei cinerTemperatur
von 70 bis 9O0C und einem pH-Wert von 7 bis 9 erhalten. Das Reaktionsprodukt ist eine fein zerteilte
nicht gelatinöse Kieselsäure, die als Füllstoff für natürliche und synthetische Kautschuke geeignet ist. Die
Druckschrift gibt an, daß sehr eingehende Untersuchungen dazu geführt haben, daß eine fein zerteilte Kieselsäure,
die gute Verstärkungseigenschaften für Kautschuk haben soll, eine spezifische Oberfläche von 100 bis '
250 nr/g und eine Ölaufnahme von mehr als 2 ml/g oder 200 ml/100 g besitzen muß. Bei dem Verfahren der
US-PS 37 30 749 zur Herstellung einer Kieselsäure, die als Füllstoff zur Verstärkung von Kautschuk und Elasto-
Mi nieren verwendet wird, wird die beim Ansäuern der wäßrigen Alkalimetallsilicatlösung auftretende Viskositätszunahme
durch Zugabe einer gesteuerten Menge eines Alkalimetallsilicats zurückgedrängt. Gemäß den Beispielen
I, Il und III dieser Druckschrift hat der Kieselsäure-Filterkuchen einen Feststoffgehalt von 18,5 bzw. 24,9
bzw. 25,1%.
Die Strukturzahl einer Kieselsäure hängt zusammen mit den Kautschukeigenschaften - eine Kieselsäure mit
Die Strukturzahl einer Kieselsäure hängt zusammen mit den Kautschukeigenschaften - eine Kieselsäure mit
(»5 höherer Strukturzahl besitzt bessere Kautschukeigenschaften als eine Kieselsäure mit niedererer Strukturzahl.
Allgemein werden gelallte Kieselsäuren durch Entstabilisieren und Ausfällen von Kieselsäure aus löslichem
Silicat durch Zugabc einer Mineralsäure und/oder sauren Gasen hergestellt. Die Reaktionspartner sind ein
Alkalimetallsilicat und eine Mineralsäure wie Schwefelsäure oder ein säurebildendes Gas wie CO->. Beim Ver-
Jl setzen der Alkalimetallsilicatlösung mit dem ansäuernden Mitte! beginnt an einem gewissen Punkt des Verfah-
J> rens die Kieselsäure auszufallen. Die Zugabe des ansäuernden Mittels wird fortgesetzt, bis der M2O-Gehalt des
;S Alkalimetallsilicate (M = Alkalimetall) weniger als etwa 1 Gew.-% beträgt. Aligemein gilt, daß das ansäuernde
0: M ittel zu dem Alkalimetallsilicat gegeben wird, um den an das Silicatanion gebundenen Alkaliteil zu neutrali-
■'i sieren. Die erhaltene Aufschlämmung wird filtriert und gewaschen, bis sie frei ist von Reaktionsprodukten, d. h.
ig von dem AlkalisaJz des ansäuernden Mittels. Der Filterkuchen wird getrocknet und zu dem gewünschten Fein-
i'J, heitsgrad der Kieselsäure vermählen.
W Vor dem Trocknen enthält der Kieselsäure-Filterkuchen allgemein einen überraschend hohen Anteil Wasser.
äi Der im nassen Filterkuchen vorhandene prozentuale Wasseranteil wird abgekürzt mit»% WCM« bezeichnet.
ä Einhundert minus % WCM ergibt den Feststoffgehalt des Filterkuchens. Der prozentuale FeststofTgehalt des
'·}-, nassen Filterkuchens wird abgekürzt mit »% FCS« bezeichnet
^U Der Begriff »Struktur« bedeutet im Sinne dieser Beschreibung die Fähigkeit der Kieselsäure im feuchten Filterkuchen
Wasser zurückzuhalten. Kieselsäuren, die weniger als 70% oder etwa 50 bis 70% Wasser zurückhalten,
&iacgr;&Lgr; werden als Kieselsäuren mit niederer Struktur bezeichnet. Die Menge des gesamten strukturellen Wassers kom-
£ biniert mit 100 kg Kieselsäuregehalt des Filterkuchens wird als »Strukturzahl« bezeichnet, abgekürzt S.I.
-: Mathematisch:
J . (KWCM)
xl00 xl00
(100-%WCM) %FCS ,,
■.■■·..·. .-. ■ ■■ ■ ·
Die bekannten gefällten Klesölsäuren (US-PS 29 40 830, 32 35 33 i, 34 45 189, 37 30 749) sind Kieselsäuren
von hoher Struktur mit hohen S. I. Werten, die z. B. 80 bis 95% Wasser im Filterkuchen enthalten. Diese Kieselsäuren
sind als Füllstoffe zum Verstärken von Elastomeren und Kautschuk geeignet.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine gefällte Kieselsäure mit hoher Struktur zur Verfügung zu stellen,
die sich durch eine einzigartige Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften wie verringertcr
Wassergehalt des feuchten Filterkuchens, hohe spezifische Oberfläche und hohe Ölaufnahme, verbesserte
Oberflächenaktivität und Zerreibbarkeit sowie verbesserte benetzende Eigenschaften gegenüber dem
Stand der Technik auszeichnet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine Nachbehandlung von suspendierten
feinen Kieselsäureteilchen unter den im Anspruch 2 genannten Bedingungen nicht nur-die Eigenschaften
der Kieselsäure verändert, sondern auch verbessert.
Gegenstand der Erfindung ist die im vorstehenden Patentanspruch 1 näher bezeichnete feinteilige modifizierte
amorphe gefällte Kieselsäure; sie eignet sich aufgrund ihrer .erhöhten Oberflächenaktivität und Ölaufnähme
vor allem als Dickungsmittel und Poliermittel in Zahnpasten, außerdem als verstärkender Füllstoff für
Kautschuk und kann weiterhin in Anstrichmitteln, Papier, Detergentien, Kosmetika, Molekularsieben und
polymeren Massen verwendet werden.
Die Kieselsäure wird «dein den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben hergestellt. ■·■·.·-■.·.-...
Die Kieselsäure nach dem Stand der Technik läßt sich für Zahnpflegemittel nicht verwenden, Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäß erzeugte Kieselsäure für Zahnpflege- oder Zahrireinigangszwecke
außerordentlich brauchbar ist. Für die Verwendung in klaren gelartigen Zahnpasten wurde der Brechungsindex
dergefällten Kieselsäure auf einen Wert von 1,45 bis 1,46 eingestellt, indem die Säure für die Nachbehandlung
mit einem Zusatz von Alaun oder Aluminiumsulfat, sowie Calcium-, Magnesium- und Zinkverbindüngen
vermischt wurde. -
Der Stand der Technik lehrt allgemein, daß beim Ansäuern einer Alkalimetallsilicatlösung die Viskosität des
Reaktionsgemisches ein Maximum durchläuft, wenn etwa 25 bis 60% (theoretisch) des vorhandenen Alkalisilicates
neutralisiert worden sind. Es wird angenommen, daß die Viskositätszunahme zu der Bildung von Aggregaten
beiträgt, deren Teilchengröße in einem weiten Bereich liegen und ungeeignet sind für die Verwendung in
Kautschuk und Papiermassen.
Das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren zur Herstellung eines Kieselsäurepigmentes führt zu einem verminderten!
Wassergehalt des feuchten Filterkuchens, ohne daß die kautschukverstärkenden Eigenschaften und
andere vorteilhafte Eigenschaften des Kieselsäurepigmentes dadurch in Mitleidenschaft gezogen werden.
Es wurden folgende Verfahrensstufen eingehalten:
1) Ein bekanntes Volumen einer Alkalisilicatlösung (von öeäannter oder festgelegter Zusammensetzung)
wird im Rsaktionsgefäß vorgelegt.
2) Die Säure wird allmählich zugegeben, bis mindestens 99% der theoretischen Menge der Kieselsäure ausgefällt
ist.
3) Die Reaktionstemperatur wird während des gesamten Ansäuerungs-Vorganges bei 60 bis 95°C gehalten.
4) Die erhaltene Aufschlämmung von ausgefällter Kieselsäure wird mit bestimmten Mengen einer Alkalisilicatlösung
nachbehandelt.
5) Darauf wird in ausreichender Menge eine Säure zugegeben, um mit dem in Stufe 4 zugesetzten Silicat zu
reagieren.
6) Die Reaktionsmasse wird auf den vom angestrebten Verwendungszweck abhängigen End-pH-Wert eingestellt.
7) Die Aufschlämmung wird filtriert, frei von Reaktionsnebenprodukten gewaschen, getrocknet und gegebenenlalls
auf die gewünschte Korngröße vermählen. .
Die crfimlungsgcmüße Nachbehandlung der Kieselsäureaufschlämmung führt zu einer Verringerung der
Stmklurziihl und der spezifischen Oberfläche, jedoch zu einer Zunahme der Öiaufnahme und des Teilchen-
Porenvolumens des Endproduktes. Dieses Ergebnis, nämlich die Herabsetzung der Strukturzahl ohne entsprechende
Verringerung der Ölaufnahme ist überraschend. Der Stand der Technik lehrt, daß in dem MaUe, in dem
der Wassergehalt des feuchten Filterkuchens abnimmt, ebenfalls die Ölaufnahme der Kieselsäure abnimmt. Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, die Ölaufnahme eines Kieselsäure-Pigmentes /u
erhöhen, ohne gleichfalls den Wassergehalt des feuchten Filterkuchens oder die Strukturzahl der Kieselsäure zu
erhöhen. Mit anderen Worten gesagt: das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, die Ölaul'nahme
von SiO2 zu erhöhen, ohne den Wassergehalt des feuchten Filterkuchens und entsprechend die Produktionskosten
eines Pigmentes zu erhöhen. Tatsächlich führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Kieselsäurepigment
mit höherer Ölaufnahme bei geringeren Produktionskosten als bisher.
&Mgr; Es wird angenommen, daß beim Ansäuern der Silicatlösung unterhalb eines bestimmten pH-Wertes, vorzugsweise
um den Neutralpunkt, eine große Anzahl von Keimen gebildet werden. Die Nachbehandlung der Kieselsäureaufschlämmung
mit Silicatlösung führt dazu, daß die Teilchen wachsen und gleichmäßiger oder gleichför- *;
miger werden. Infolge der Gleichförmigkeit der Teilchen nehmen Ölaufnahme und Porenvolumen zu. Dies 'A
erklärt auch die Zunahme der Zerreibbarkeit.
kleiner Teilchen und Wiederausfä'Uen in Form von großen Teilchen zurückgeführt. Das Ergebnis ist ein Kiesel- '■;
säureprodukt mit überwiegend gleichförmigerer Teilchengröße als beim Stand der Technik. Weil bei der Nach- ·
behandlung einige Keime verloren gehen, nimmt die spezifische Oberfläche ab.
oder Kalium steht und &lgr;- eine beliebige Zahl von 2 bis 4 ist. Bevorzugt wird aus wirtschaftlichen Gründen ':
Natriumsilicat. Als Ansäuerungsmittel dienen verschiedene Mineralsäuren und andere schwache Ansäuerungsmittel
wie CO: sowie organische Säuren. Beispiele für Mineralsäuren, die sich als besonders geeignet ~-
erwiesen haben, sind Phosphorsäure, Salpetersäure, Salzsäure und Schwefelsäure. Bevorzugt werden unter diesen
Salzsäure und Schwefelsäure und insbesondere Schwefelsäure, weil sie die billigste Säure ist. .;
Wird als Mineralsäure eine zweibasische Säure wie Schwefelsäure eingesetzt, so soll die Konzentration der v[
Säurelösung im Bereich von 8 bis 22 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 10 bis 15 Gew.-% liegen. Bei anderen Sau- &rgr;
ren wie einbasischen oder dreibasischen Säuren wird die Konzentration entsprechend der Normalität (n) äquiva- &ohacgr;
lent der zweibasischen Säure eingestellt. Es wird angenommen, daß die niedrige Konzentration an Mineralsäure |j
dazu beiträgt, lokalisierte Reaktionen von hoher Konzentration der Alkalisilicatlösung auf ein Minimum her- |,!
abzudrücken.
Die AJkalisilicatlösung wird im Reaktor vorgelegt und unter kontinuierlichem Rühren auf eine Temperatur im
Bereich von 60 bis 95°C, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 80°C erhitzt. Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn
als Reaktionstemperatur 800C eingehalten werden. Unterhalb 600C kann dieses Verfahren nicht durchgeführt
werden.
3S Es entsteht dann ein weißes, durchscheinendes gelartiges Produkt, das keine brauchbaren Pigmenteigenschaften
aufweist. Die Konzentration der Alkalisilicatlösung soll 8 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 15 Gew.-% betragen.
Die Säure, beispielsweise Schwefelsäure, wird darauf zugegeben, bis die Fällung praktisch vollständig ist, d. h.
bis mindestens 99% der theoretischen Menge Kieselsäure ausgefallen sind. Die Temperatur der Säure kann 32
bis 650C betragen. Beste Ergebnisse wurden mit einer Säuretemperatur von 38°C erzielt. Nach dem Ausfällen
wird der Niederschlag in Suspension gehalten, beispielsweise durch Rühren und die Aufschlämmung nachbehandelt,
indem zunächst eine Alkalisilicatlösung zugegeben wird. Die Zusatzmenge soll 10 bis 70 Gew.-% der
ursprünglich vorgelegten Silicatlösung betragen. Dann wird Säure zugesetzt, die mit der zweiten, in der Nachbchandlungsstufe,
zugegebenen Silicatlösung reagiert. Vorteilhafterweise wird die zweite Alkalisilicatlösung in
einer Menge von 30 bis 50 Vol.-% der vorgelegten ersten Alkalisilicatlösung eingesetzt.
Das bei der Nachbehandlung verwendete Silicat kann die gleiche oder eine andere Konzentration wie das
ursprünglich eingesetzte und bis zu einem End-pH-Wert 7 angesäuerte Silicat besitzen. Die Silicatlösung für die
Nachbehandlung wird in Abhängigkeit von der Zeit oder aber so schnell wie möglich der Aufschlämmung zugesetzt.
Die Temperatur der Silicatlösung, die bei der Nachbehandlung der Kieselsäureaufschlämmung zugesetzt
so wird, kann 37 bis 75°C betragen. Die optimale Temperatur der Silicatlösung, bevor die KieselsäureaufsrNämmung
mit ihr behandelt wird, soll 65°C betragen.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte sind neu und besitzen eine neuartige Kombination von physikalischen
und chemischen Eigenschaften. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu Produkten mit einer Ölaufnahme
im Bereich von 190 bis 212 ml/100 g und mit korrespondierenden Strukturzahlen im Bereich von 506 bis
365. In den nachfolgenden Beispielen wird gezeigt, daß in dem Maße, in dem die prozentuale Nachbehandlung
über 10% zunimmt, die Strukturzahl abnimmt und gleichzeitig die Ölaufnahme zunimmt Dieser Effekt ist überraschend
und die Kombination von verstärkter Ölaufnahme mit vermindertem Wassergehalt des feuchten Filterkuchens
ist neu. Weitere Eigenschaften der erfindungsgemäßen Produkte sind eine spezifische Oberfläche im
Bereich von 120 bis 220 irrVg, ein Porenvolumen von 3,55 bis 4,44 ml Hg/g SiO2 und eine Zerreibbarkeit bis zu
98%. Gemäß einer besonderen Ausfühningsform erhält man eine Kieselsäure mit einem Wassergehalt des
feuchten Filterkuchens von 79,8 bis 83,5%, einer Strukturzahl von 359 bis 506, einer Ölaufnahme von 190 bis 202
ml/100 g SiO2, einem Gesamtporen volumen von 3,55 bis 4,14 ml Hg/g SiO2, einer spezifischen Oberfläche nach
eines wasserlöslichen Salzes von Aluminium oder Erdalkalimetallen oder Zink gesteuert bzw. eingestellt Diese
Nachbehandlung vermindert die spezifische Oberfläche des Reaktionsproduktes gegenüber einer nicht nachbehandelten
Vergleichsprobe. Ein Minimum der spezifischen Oberfläche wird mit einer Nachbehandlung im
Bereich von 30 bis 50% erreicht. Man nimmtan, daß diese Verringerung der spezifischen Oberfläche auf der Aus-
schaltung der Mikroporosität beruht. Es kann aber auch der Brechungsindex erhöht und die spezifische Oberfläche
des luichbchandelten Produktes vergrößert werden. Dazu wird die Säure zunächst mit der Lösung des Salzes
z. B. Aluminiumsulfat vermischt und das Säure-Metallsalzgcmisch dann zum Ansäuern der wäßrigen Alkalisilicatlösung
verwendet. Die spezifische Oberfläche und der Brechungsindex des Verfahrensproduktes werden
erhöht, ohne daß die anderen Eigenschaften wesentlich beeinflußt werden. Besonders geeignet sind unter den
Erdalkalisalzcn die Magnesium- und Calciumsalze.
Puren diese Nachbehandlung werden beträchtliche Vorteile bei der späteren Verarbeitung bzw. Verwendung
erveiiht.
Das Reaktionsgefäß soll mit Heizvorrichtungen, beispielsweise einem Heizmantel versehen sein, damit die
gewünschte Reaktionstemperatur eingehalten werden kann, sowie mit entsprechenden Rührvorrichtungen,
damit ein starker Rückfluß in der Gesamtmenge der Flüssigkeit erreicht und Zonen hoher Konzentration der
einspeisenden Reaktionspartner vermieden werden. Vorratsbehälter für die Reaktionspartner sind mit dem
Reaktionsbehälter verbunden und die Zuleitungen zweckmäßigerweise mit Durchflußmessem versehen. Von
dem Reaktionsbehälter führt eine Abzugsleitung zu einem Filter üblicher Bauart. Der Filterkuchen wird gewaschen
und getrocknet. Dies kann in Vorrichtungen üblicher Bauart erfolgen.
Fig. 5 die prozentuale Änderung der Zerreibbarkeit der Kieselsäure als Funktion der Silicat-Nachbehandlung,
I' i g. 6 die Änderung der Strukturzahl der Kieselsäuren mit geregeltem Brechungsindex als Funktion der SiIical-Nachbchandlung,
Fig. 7 die Änderung der Ölaufnahme der Kieselsäure mit geregeltem Brechungsindex als Funktion der SiIicat-Nachbchandlung,
Fig. 8 die Änderung des Porenvolumens der Kieselsäuren mit geregeltem Brechungsindex als Funktion der
Silicat-Nachbehandlung,
Fig. 9 die Änderung der spezifischen Oberfläche der Kieselsäure mit geregeltem Brechungsindex als Funktron
der Silicat-Nachbehandlung, 3u
Fig. 10 die Änderung der prozentualen Zerreibbarkeit der Kieselsäure mit geregeltem Brechungsindex als
Funktion der Silicat-Nachbehandlung,
Fig. 11 die Änderung der Modul-Werte von Kautschukmassen enthaltend gelallte Kieselsäure gemäß den
Beispielen 1 bis S als Funktion der Silicat-Nachbehandlung,
Fig. 12 eine Mikrophotographie des erfindungsgemäßen Produktes mit 10% Nachbehandlung, ohne weiteren
Zusatz,
Fig. 13 die Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Produktes mii 30% Nachbehandlung, ohne weiteren
Zusatz,
Fig. 14 die Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Produktes mit 70% Nachbehandlung, ohne weiteren
Zusatz, w
Fig. 15 die Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Produktes mit 20% Nachbehandlung, mit Zusatz,
und zwar Aluminiumsulfat und
Fig. 16 ein Produkt nach dem Stand der Technik ohne Nachbehandlung, erhalten durch Ansäuern von
Natriumsulfat mit Schwefelsäure.
Die Ölaufhahme wurde in den Beispielen mit Hilfe der Ausreibemethode bestimmt. Diese beruht darauf, daß
man Lcinsamenöl und Kieselsäure mit einem Spatel auf einer glatten Oberfläche verreibt, bis sich eine steile
kittartige Paste bildet. Man mißt die Menge Öl, die für ein Pastengemisch, das sich nach dem Ausbreiten
krümmt, benötigt wird und berechnet hieraus die Ölaufnahmezahl der Kieselsäure - eine Zahl bzw. ein Wert,
die (der) das Volumen Öl angibt, das je Gewichtseinheit Kieselsäure benötigt wird, um die sorptive Kapazität; der
Kieselsäure zu sättigen. Die Berechnung der Ölaufnahme erfolgt nach folgender Gleichung:
Ölaufnahme = &khgr; = ö
(SiO2-GeWiCrIt, g)
Die spezifische Oberfläche des Endproduktes wurde durch die Stickstoffabsorptionsmethode von Brunauer.
Emett und Teller (BET) gemäß »Journal of the American Chemical Society«, Bd. 60, Seite 309 (1938) bestimmt.
Das Teilchen-Teilchen Porenvolumen der Kieselsäure wurde mit Hilfe des Aminco-Winslow Porosimeters
bestimmt. Dieses Instrument ist eine hydraulische Maschine, die zur Bestimmung der Porenstruktur verschiedener
Stoffe verwendet wird. Quecksilber wird in die Leer- oder Hohlräume gepreßt (in Abhängigkeit von
Druck) und bei jeder Druckmessung das veränderte Quecksilbervolumen je g Probe berechnet. Die Einzelzunahmen
des Volumens (ml/g) bei jeder Druckmessung werden gegen die entsprechenden Porenweiten-Einzelwerte
aufgetragen.
':- :
Eine konzentrierte Natriumsilicatlösung mit Feststoffgehalt 38,2% und der Zusammensetzung 10,7% Na;0
und 27.5% SiO;. wurde mit ausreichend Wasser verdünnt, um eine verdünnte Natriumsilicatlösu.ig enthaltend
3,78% Na:0 und 9,52% SiO2 herzustellen. Das spezifische Gewicht dieser verdünnten Silicatlösung betrug &iacgr;, 121.
Eine handelsübliche 93,0%ige Schwefelsäure aus dem Vorratstank wurde mit ausreichend Wasser auf eine
Schwefelsäurekonzentration von 11,4% verdünnt; das spezifische Gewicht der verdünnten Lösung betrug 1,076/
2O0C. Die beiden verdünnten Lösungen wurden zur Herstellung der gefällten Kieselsäure (Pigment) entsprechend
folgenden Bedingungen verwendet:
Volumen der Natriumsilicatlösung 37,85 1
Natriumsiücatzusammensetzung 3,78% Na2O
9,52% SiO2
Spezifisches Gewicht der verdünnten Silicatlösung 1,121/200C
in Konzentration der verdünnten Schwefelsäure 11,4%
Temperatur der Schwefelsäure 38°C
Zulaufgeschwindigkeit der Schwefelsäure 400 ml/min
Reaktionstemperatur 8O0C
Die Natriumsilicatlösung wurde in einem ummantelten 130-1-Reaktor aus rostfreiem Stahl vorgelegt und auf
80°C erhitzt. Darauf wurde die Schwefelsäurelösung zugegeben. Die Säurezugabe wurde bis zu einem End-pl 1-Wert
von 5,8 bis 6,0 fortgesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde 20 min auf 1000C erhitzt und der End-pH-Wen
erneut auf 5,8 bis 6.0 eingestellt, nie erhaltene Aufschlämmung enthielt 8% Kieselsäure und wurde auf einer Filterpresse
filtriert. Der Filterkuchen wurde mit Wasser gewaschen, bis er frei war von Reaktionsnebenprodukten
(Natriumsulfat).
Ein Teil des Filterkuchens wurde bei 1050C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, um den prozentualen Wassergehalt
des feuchten Filterkuchens und die Strukturzahl des Kieselsäurepigmentes zu bestimmen.
Der verbleibende Filterkuchen wurde im Ofen getrocknet und das trockene Material auf die gewünschte Kornfeinheit
vermählen. Mit dem trockenen feinteiligen Kieselsäurepulver wurden verschiedene physikalisch-chemische
Tests durchgeführt, mit folgenden Ergebnissen:
Wassergehalt des feuchten Filterkuchens 86,0%
Strukturzahl S.I. 614
Ölabsorption bzw. Ölaufnahme 172 ml/100 g
Teilchen-Teilchen Porenvolumen 2,95 ml Hg/g SiO2
BET-Oberfläche 164 nrVg
Zerreibbarkeit 10%
Für das Teilchen-Teilchen Porenvolumen ergaben sich folgende Daten:
Tabelle 1
Porendurchmesser | mlHg/g SiO2 | mil lg/g SiO, |
um | kummulatives Volumen | Einzelvolumen |
102 | 0,00 | 0,00 |
51 | 0,05 | 0,05 |
26 | 0,23 | 0,18 |
13 | 0,48 | 0,25 |
6 | 0,71 | 0,23 |
3 | 0,96 | 0,25 |
1,6 | 1,32 | 0,36 |
0,8 | 1,62 | 0,30 |
0,4 | 1,83 | 0,21 |
0,2 | 2,01 | 0,18 |
0,1 | 2,18 | 0,17 |
0,05 | 2,44 | 0,26 |
0,025 | 2,95 | 0,51 |
4, 1.209
2,099
3,806
7,603
15,117
30,450
60,939
121,644
243,876
488,342
Die Tabelle zeigt, daß in dieser entsprechend dem Stand der Technik hergestellten Kieselsäure Porenweiten
von 0,025 ;j.m bis 51 ;*m vorhanden sind. Das Gesamtvolumen Teilchen-Teilchen in den Hohl- oder Leerräumen
beträgt 2,95 ml Hg/g SiO3. Die folgenden Beispiele 1 bis 4 zeigen, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Gesamtporenvolumen auf Werte über 2,95 erhöht werden kann.
Es wurde wie im Vergleichsbeispiel 1 gearbeitet mit der Abwandlung, daß die in der ersten Stufe erhaltene
Kieselsäureaufschlämmung mit Silicatlösung nachbebandelt wurde!
Hierzu wurde die erhaltene Kieselsäureaufschlämmung mit pH-Wert 7 mit Silicatlösung nachbehandelt. Die
Zugabemenge entsprach 10 Gew.-% der in der Aufschlämmung enthaltenen gefällten Kieselsäure: Es wurden
3.785 1 Natriumsilicatlösung innerhalb von 5 Minuten zugegeben. Dabei stieg der pH-Wert des Reaktionsgemisches
an. Darauf wurde Schwefelsäure zugegeben, um den End-pH-Wert der Reaktionsaufschlämmung auf
unterhalb 6,0 zu bringen. Die erhaltene Aufschlämmung wurde bei 1000C 20 min lang gekocht und dann auf
einer Filterpresse filtriert. Der Filterkuchen wurde mit Wasser gewaschen, bis er keine Reaktionsnebenprodukte
(Natriumsulfat) mehr enthielt.
Ein Teil des Filterkuchens wurde bei 1050C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, um den prozentualen Wassergehalt
des feuchten Filterkuchens sowie die Strukturzahl der Kieselsäure zu bestimmen.
Die übrige Kieselsäure wurde im Ofen getrocknet und auf die gewünschte Kornfeinheit vermählen. Mit dem
trockenen feinteiligen Kieselsäurepulver wurden verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften
bestimmt, mit folgendem Ergebnis:
Wassergehalt des feuchten Filterkuchens 83,5% Ui
Strukturzahl 506
Ölauihahme 190 ml/100 g
Teilchen-Teilchen Porenvoiumen 3,55 ml Hg/g SiO:
BET-Oberlläche 141 nr/g.
Zerreibbarkeit 20%
Ein Vergleich der obigen Ergebnisse mit den Ergebnissen aus Vergleichsbeispiel 1 zeigt deutlich, daß die
erfindungsgemäße Nachbehandlung der gefällten Kieselsäureaufschlämmung zu einem höheren Porenvolumen,
höherer Ö !aufnahme, besserer Zcrrcibbarkeii, niedererer Strukturzah! und geringerer spezifischer Oberfläche
des Endproduktes führt. 2i\
Beispiele 2, 3 und 4
Das Verfahren gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt mit der Abwandlung, daß die erhaltene Kieselsäureaufschlämmung
vor dem Filtrieren mit Silicatlösung und Säure in folgender Weise nachbehandelt wurde:
Silicatzusatz von 30% (Beispiel 2), 50% (Beispiel 3) und 70% (Beispiel 4). Folgende Volumina Silicatlösung wurden
für die Nachbehandlung benötigt:
Volumen der Silicatlösunj!. 1
2 30 11,35
3 50 18,92 5S
4 70 26,50
Die Ergebnisse hinsichtlich der Eigenschaften der Kieselsäure-Endprodukte in Abhängigkeit von dem Silicatzusatz
bei der Nachbehandlung sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengefaßt
Beispiel | % Silicat bei | % WCM | Strukturzahl | Ölaufnahme | Silicat bei der | Poren | BET- | Zeweib- | 45 | 10 | 55 | offenbar bei |
der Nach | S. I. | 2) Die Ölaumahme nimmt mit zunehmendem Silicatanteil bei der Nai | volumen | Oberliüche | barkeit. ' | 20 | ||||||
behandlung | ml/100 g SiO2 | mlHg/g SiC | >; m:/g | 98 Si· | ||||||||
Vergleich I | 0 | 86,0 | 614 | 172 | 2,95 | 164 | 60 | |||||
1 | 10 | 83,5 | 506 | 190 | 3,55 | 141 | 40 | |||||
2 | 30 | 82,0 | 455 | 202 | 4.14 | 123 | ||||||
3 | 50 | 81,9 | 452 | 200 | 4.07 | 120 | ||||||
4 | 70 | 79,8 | 395 | 197 | 4,05 | 153 | ||||||
Aus Tabelle 2 ergeben sich folgende | ! Schlußfolgerungen: | |||||||||||
I) Die Strukturzahl nimmt mit zunehmendem Anteil | Nachbehandlung ab. | |||||||||||
:hbehandh | ||||||||||||
ane zu und geht |
Behandlung mit 30% Silicat durch ein Maximum.
3) Das Porenvolumen zwischen den einzelnen Teilchen folgt dem gleichen Trend wie die Ölaufnahme. Das
Porenvolumen nimmt mit dem Silicatanteil bei der Nachbehandlung zu und geht offenbar durch ein Maxi- (x)
mum bei Behandlung mit etwa 30% Silicat.
4) Die BET-Oberfläche nimmt ab, geht durch ein Minimum bei Behandlung mit 50% Silicat und nimmt dann
wieder zu.
5) Die prozentuale Zerreibbarkeit verändert sich in gleicher Weise wie die Ölaufnahme. Sie nimmt mit dem
Silicatanteil bei der Nachbehandlung zu und geht durch ein Maximum bei Behandlung mit 30% Silicat.
Die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäß erhaltenen Kieselsäure sind in Fig. 1 bis 5 der beigefügten
Zeichnung erläutert.
IO
15
20
Beispiele 5 bis 8 und Vergleichsbeispiel 2
Die Nachbehandlung wurde mit einer Mischung aus 10011 l,4%iger Schwefelsäure mit 71 einer 15%igen AIuminiumsuifatlösung
ausgeführt, um eine Kieselsäure mit gesteuertem Brechungsindex zu erhalten. Im übrigen
wurde wie im Vergleichsbeispiel 1 und den Beispielen 1 bis 4 gearbeitet.
Nachbehandlung
% Silicat bei der
Nachbehandlung
Volumen der Silicatlösung. I
Vergleichs- | 0 | 0 |
beispiel 2 | ||
5 | 10 | 3,78 |
6 | 30 | 11,35 |
7 | 50 | 18,92 |
8 | 70 | 26,50 |
Die Eigenschaften der erhaltenen Endprodukte sind in der Tabelle 3 aufgeführt. Die Tabelle 3A zeigt den
Effekt des Zusatzes bei der Nachbehandlung im Hinblick auf die spezifische Oberfläche und den Brechungsindex
der Kieselsäuren.
% Silicat bei der Nachbehandlung
·- WCM
Strukturzahl
S-I.
Ölaufcahmc
Porenvolumen
BET-Oberflächc
ml/100 g SiO2 mil lg/g SiO, nr/g
Zerrcibbarkeil. %
40
45
Vergleich 2 5 6 7 8 |
0 10 30 5Ü 70 |
85,6
83,2 81,3 78,7 77,9 |
595
495 435 370 365 |
185
201 212 205 193 |
3,03
4,00 4,44 3,67 3.19 |
239
220 153 185 198 |
Tabelle 3 A | ||||||
"■ Silicat bei | der | Kieselsäure mit Zusatz | Kieselsäure ohne | Zusatz | ||
Nachbehandlung |
spez. Oberfläche Brechungsindex spez. Oberfläche
(Tab. 3) (Tab. 2) |
Brechungsindex |
0 28 93 78 45
nr/g
m2/g
Zunahme der spezifischen Oberfläche infolge Nachbehandlung mit Zusatz
m2/g
0
10
30
50 50
70
239 220 153 185 198
1,455
1,456
1,460
1,461
1,455
164
141
123
120
153
141
123
120
153
1,440 1,442 1,442 1,441 1,441
75 79 30 65 45
1) Mit zunehmendem Anteil Silicat bei der Nachbehandlung nimmt die Strukturzahl der Kieselsäuren mit
gesteuertem Brechungsindex gemäß den Beispielen 5 bis 8 ab.
2) Die Ölaufnahme der Kieselsäuren mit gesteuertem Brechungsindex nimmt mit zunehmendem Silicatanteil
bei der Nachbehandlung zu. Die maximale Ölaufnahme wurde bei einer Nachbehandlung mit etwa 30%
Silicat erreicht.
3) Das Teilchen-Teilchen Porenvolumen der Kieselsäure mit gesteuertem Brechungsindex nimmt in Abhängigkeit
von der Silicatmenge bei der Nachbehandlung zu. Ein Maximum wurde bei einer Behandlung mit
30% (Silicat) beobachtet.
4) Die spezifische Oberfläche nimmt in Abhängigkeit von der Silicatmenge bei der Nachbehandlung ab. Bei
allen Kieselsäuren der Beispiele 5 bis 8 wurde ein Minimum der spezifischen Oberfläche bei einer Behand
lung mit 30% (Silicat) beobachtet. Dabei muß bemerkt werden, daß allgemein die spezifischen Oberflächen
der Kieselsäuren der Beispiele 5 bis 8 und des Vergleichsbeispiels 2 höher liegen als die entsprechenden
Werte in den Beispielen I bis 4 und in Vergleichsbeispiel 1. Diese Zunahme der spezifischen Oberfläche
beruht auf der Anwesenheit einer kleinen Menge Aluminiumsulfatlösung, die vor der Nachbehandlung
mit der Säure vermischt wurde, um die Kieselsäuren mit gesteuertem Brechungsindex der Beispiele 5 bis 8
zu erhalten. Es ist kritisch, daß die Aluminiumsulfatlösung mit der Säure vorgemischt wird. Geschieht dies
nicht, so werden keine Kieselsäuren mit gesteuertem Brechungsindex erhalten.
5) Die prozentuale Zerreibbarkeit der Kieselsäure mit gesteuertem Brechungsindex nimmt mit der Silicatmenge
bei der Nachbehandlung zu. Ein Maximum wurde bei einer Nachbehandlung mit 30% (Silicat)
beobachtet
Die verbesserten Eigenschaften der modifizierten Kieselsäuren gemäß den Beispielen 5 bis 8 sind in F i g. 6 bis
10 der beigefügten Zeichnung graphisch dargestellt
Beispiele 9 bis 14 und Vergleichsbeispiele 3 bis 8
Die Silicatlösung A entsprach der Zusammensetzung 3,77% Na2O und 12,23% SiO1; spezifisches Gewicht
1,139;
Siiicatiösung B enthielt 3,30% Na2O und 10,7% SiO2; spezifisches Gewicht 1,120;
Silicatlösung C enthielt 2,82% Na2O und 9,18% SiO2; spezifisches Gewicht 1,101.
Beispiel | % Silicat bei | Silicat | % WCM | Strukturzahl | BET- | Ölaufnahme | Porenvolumen |
der Nach | lösung | S.I. | Oberfläche | ||||
behandlung | m2/g | ml/100 g | mIHg/g | ||||
Vergleich 3 | 0 | A | 84,4 | 540 | 200 | 195 | 3.33 |
9 | 20 | A | 82,8 | 482 | 186 | 208 | 4,01 |
Vergleich 4 | 0 | B | 85,1 | 570 | 208 | 206 | 3,09 |
10 | 20 | B | 83,6 | 510 | 200 | 221 | 3,92 |
Vergleich 5 | 0 | C | 86,8 | 656 | 247 | 175 | 2,57 |
Ii | 20 | 85,0 | 567 | 226 | 187 | 2,71 |
Die Angaben in der Tabelle 4 zeigen erneut, daß die erfindungsgemäße Nachbehandlung der Kieselsäureaufschlämmung
eine Herabsetzung der Strukturzahl und eine Verringerung der spezifischen Oberfläche, jedoch
eine Zunahme der Ölaufnahme und des Gesamtporenvolumens der Kieselsäuren zur Folge hat.
Die obigen Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden wiederholt mit der Abwandlung, daß eine berechnete
Menge Aluminiumsulfatlösung (wie in den Beispielen 5 bis 8) mit der für die Nachbehandlung vorgesehenen
Säure vermischt wurde.
Beispiel | % Silicat bei | Silicat | % WCM | Strukturzahl | BET- | Ölaufnahme | Porenvolumen |
der Nach | lösung | S.I. | Oberfläche | ||||
behandlung | nr/g | ml/100 g | rirlHg/g | ||||
Vergleich 6 | 0 | A | 84,6 | 550 | 224 | 194 | 3,31 |
12 | 20 | A | 82,2 | 462 | 174 | 219 | 3.98 |
Vergleich 7 | 0 | B | 85,5 | 590 | 249 | 188 | 2,84 |
13 | 20 | B | 82,8 | 482 | 210 | 221 | 3,44 |
Vergleich 8 | 0 | C | 86,4 | 645 | 322 | 177 | 2,57 |
14 | 20 | C | 84,3 | 536 | 243 | 187 | 3,01 |
Die Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden mit Bezug auf unterschiedliche Zusammensetzung
des Silicats und unterschiedliche Konzentration der Silicatlösung untersucht Die Nachbehandlung der
Kieselsäureaufschlämmung aus der ersten Verfahrensstufe wurde mit einer Menge entsprechend 20% Silicat
durchgeführt Drei verschiedene Silicatlösungen, nachfolgend mit A, B und C bezeichnet, wurden in diesen Beispielen
und Vergleichsbeispielen verwendet.
20
30
40
45
Tabelle 5 zeigt, daß die spezifischen Oberflächen der Kieselsäuren mit gesteuertem Brechungsindex größer
sind als die spezifischen Oberflächen der Kieselsäuren gemäß Tabelle 4. Man nimmt an, daß dies auf die Mikroporösität
zurückzuführen ist, die in den Kieselsäureteilchen durch Zugabe des Aluminiumsulfats erzeugt wird.
Anwendungsbeispiei
In einem üblichen Zahnpflegemittel (vgl. Sagarin »Cosmetics: Science & Technology«, Seite 500) folgender
Rezeptur
Entwässertes Kieselsäuregel 14,00%
Kieselsäure-Aerogel 7,50%
Natriumcarboxymethylcelluiose 0,60%
Sorbitlösung, 70%ig 67,82%
Glycerin 5,74%
Natriumlaurylsulfat 1,26%
Farbstoff, Geschmacksstoffe 2,77%
Natronlauge, 50%ig 0,31%
&iacgr;&ogr; wurde das Kieselsäure-Aerogel durch die erfindungsgemäß modifizierten Kieselsäuren der Beispiele 5 bis &dgr;
ersetzt mit ausgezeichnetem Erfolg hinsichtlich der Dickungseigenschaften. Die erfindungsgemäß modifizierten
Kieselsäuren der Beispiele 1 bis 4 sowie 5 bis 8 können auch als sehr brauchbare Dickungsmittel in opaken
Za^npflegemitteln bzw. Zahnpasten eingesetzt werden.
Hierzu 16 Blatt Zeichnungen
10
Claims (6)
1. Feinzerteilte modifizierte amorphe gefällte Kieselsäure mit einer Ölaufnahme von 190bis212 ml/lOOg
SiO1. einem Porenvolumen von 3,19 bis 4,40 ml Hg/g SiO2, einer spezifischen Oberfläche nach BET von
12(fbis 220 m'/g und mit einem Wassergehalt des feuchten Filterkuchen von 77,9 bis 83,5%, erhalten durch
Ausfallen aus einer Lösung eines Alkalisilicats der allgemeinen Formel M2O(SiO2).,, in der M für Natrium
oder Kalium steht und &khgr; eine Zahl von 2 bis 4 ist, mit Säure unter Rühren, Abfiltrieren, Waschen und
Trocknen und gegebenenfalls Vermählen des Niederschlags, dadurchgekennzeichnet,daß zunächst
aus einer Alkalisilicatlösung, die 8 bis 25 Gew.-% Silicat enthält, bei 60 bis 95°C mindestens 99% der Kie-
ID seisäure ausgefüllt worden sind, die erhaltene Aufschlämmung dann bei 32 bis 75°C mit einerzweiten wäE
rigen Alkalisilicatlösung in einer Menge von 10 bis 70 Gew.-% der ersten Alkalisilicatlösung versetzt und
diese mit Säure in mindestens der theoretisch benötigten Menge gegebenenfalls unter Zusatz eines wasser-
!Sslichen Salzes von Aluminium oder Erdalkalimetallen oder Zink erneut ausgefällt worden ist.
2. Verfahren zur Herstellung der modifizierten Kieselsäure nach Anspruch 1 durch Auslallen aus einer
.15 Lösung eines Alkalisilicats der allgemeinen Formel M2O(SiO2),., in der M für Natrium oder Kalium steht
und .v eine Zahl von 2 bis 4 ist, mit Säure unter Rühren, Abfiltrieren, Waschen und Trocknen und gegebenenfalls
Vermählen des Niederschlags, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Alkalisilicatlösung verwendet,
die 8 bis 25 Gew.-% Silicat enthält und nach Ausfällen bei 60 bis 950C von mindestens 99% der Kieselsäure
bei 32 bis 75°C die erhaltene Aufschlämmung mit einer zweiten wäßrigen Alkalisilicatlösung in einer
Men^eyon 10 bis 70 Gew.-% der ersten Alkalisilicatlösung versetzt und diese mit Säure in mindestens der
theoretisch benötigten Menge gegebenenfalls unter Zusatz eines wasserlöslichen Salzes von Aluminium
oder Erdalkalimetallen oder Zink erneut ausfällt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die erste und zweite Ausfällung mit
einer 8- bis 22%igen zweibasischen Säure durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder3, dadurch gekennzeichnet, daß man in der ersten und zweiten Silicatlösung
etwa die gleiche ,Konzentration einhält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die'^weite Alkalimetallsilicatlösung in
einer Menge von 30 bis 50 Vol.-% der vorgelegten ersten Alkalisilicatlösung einsetzt.
6. Verwendung der Kieselsäure nach Anspruch 1 als Dickungs- und Poliermittel in Zahnpasten,
.in
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