DE2620737C2

DE2620737C2 - Verfahren zum Herstellen von hochdispersem Siliciumdioxid

Info

Publication number: DE2620737C2
Application number: DE2620737A
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Chem. Dr. Kratel; Ernst Dipl.-Chem. Dr. 8961 Durach Mühlhofer; Franz 8961 Sulzberg Schreiner
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1982-07-29
Also published as: US4108964A; NL7704373A; JPS52148500A; GB1562966A; JPS5638526B2; FR2351052A1; DE2620737A1; FR2351052B1; BE854392A

Description

Es ist bekannt, Siliciumdioxid (hochdisperse Kieselsäure) durch Umsetzung von gasförmigen Siliciumverbindungen und gegebenenfalls anderen unter Wasserbildung verbrennenden Gasen mit Sauerstoff in der Flamme herzustellen (vgl. zum Beispiel DE-PS 9 00 339). Mit Siliciumtetrachlorid als Ausgangsprodukt werden dabei befriedigende Ergebnisse erzielt. Oftmals ist es jedoch vorteilhaft, von Organosilanen auszugehen. Dabei wurden aber bisher nur dunkle, durch Kohlenstoff verunreinigte Produkte erzielt.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Weg aufzuzeigen, mit dem, ausgehend von Organosilanen, hochdisperse Kieselsäure ohne kohlenstoffhaltige Verunreinigungen durch Flammenhydrolyse hergestellt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von gasförmigen Organosilanen und gegebenenfalls anderen unter Wasserbildung verbrennenden Gasen mit sauerstoffhaltigen Gasen in der Flamme mittels eines Brenners, dadurch gekennzeichnet, daß das Organosilan in einem Verdampfer mit einem konstant gehaltenen Stand an flüssigen Organosilanen unter einem Organosilan-Dampfdruck von 0,2 bis 1,2 atü, vorzugsweise 0,4 bis 0,9 atü, und bei höchstens einer Temperatur von 45° C, vorzugsweise 20 bis 35° C, über dem jeweiligen Siedepunkt des Organosilans verdampft und die Temperatur des Dampfes bis zur Mischung mit den anderen Gasen beibehalten wird, das durch die Mischung entstehende Gasgemisch, in dem ein Sauerstoffüberschuß von mindestens 5 Gew.-% vorliegt, durch eine konusartige Eintrittsöffnung in die Brennkammer eindosiert wird, die Eintrittsöffnung von einer Ringspüldüse zentral umgeben ist, durch diese Ringspüldüse sauerstoffhaltige Gase eingeführt werden und die Brennkammer mittels einer indirekten Zwangskühlung gekühlt wird.

Überraschenderweise zeigt sich, daß das erfindungsgemäß hergestellte Siliciumdioxid im Gegensatz zu dem nach bisher bekannten Verfahren aus gasförmigen Organosilanen hergestellten Siliciumdioxid größte chemische Reinheit aufweist und frei von kohlenstoffhalti-" gen Verunreinigungen ist

Als Organosilane können auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Organosüane eingesetzt werden, die auch bei den bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Siliciumdioxid durch Umsetzung von gasförmigen Organosilanen und gegebenenfalls andern ren unter Wasserbildung verbrennenden Gasen als gasförmigen Organosilanen mit Sauerstoff in der Flamme als gasförmige Organosilane verwendet werden konnten. Es sind dies insbesondere die bei der Umsetzung von Silicium oder Legierungen des Silicium

it mit Methylchlorid erzeugten Organochlorsilane und Tetramethylsilan. Beispiele für Organochlorsilane, die durch Umsetzung von Methylchlorid mit Silicium oder dessen Legierungen erzeugt werden, sind Methyltrichlorsilan, Methyldichlorsilan, Dimethyldichlorsilan und

2(i Trimethylchlorsilan sowie symm.-Dimethyldichlordisilan. Wegen der besonders leichten Zugänglichkeit bzw. weil anders nicht in den anfallenden Mengen verwertbar, ist Methyltrichlorsilan besonders bevorzugt Es können Gemische verschiedener Organosilane eingesetzt werden.

Der Dampfdruck des Organosilans beträgt 0,2 bis 1,2 atü vorzugsweise 0,4 bis 0,9 atü. Die Temperatur des Dampfes liegt bei höchstens 45°C über dem jeweiligen Siedepunkt des Organsilans (bei 760 mm), vorzugsweise

i» bei 20 bis 35⁰C. Diese Temperatur des Organosilans wird beibehalten, bis die Mischung der Silane mit den anderen, unter Wasserbildung brennbaren Gasen erfolgt. Um dies zu erreichen, ist es oftmals zweckmäßig, die Leitung zwischen dem Verdampfer, in den die

s*> gasförmigen Organosilane eingeführt werden, und dem die Flamme erzeugenden Brenner mindestens teilweise durch wärmedämmende Stoffe gegen Wärmeabstrahlung zu schützen oder durch einen Mantel den Inhalt dieser Leitungen auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die Wärmemedien in diesem Mantel können z. B. Heißwasser mit 95 bis 100°Coder Wasserdampf bis zu 1,5 atü sein. Die Beheizung der wärmeabgebenden Flächen in dem Verdampfer, in dem die flüssigen Organosilane in gasförmige Organosilane übergeführt werden, kann ebenfalls durch Heißwasser oder Wasserdampf erfolgen.

Als andere, unter Wasserbildung verbrennende Gase können auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle anderen, unter Wasserbildung verbrennenden Gase, die bei den bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Siliciumdioxid durch Umsetzung von gasförmigen Siliciumverbindungen mit Sauerstoff mitverwendet werden konnten, eingesetzt werden. Es sind dies z. B. Wasserstoff, Wassergas, Leuchtgas, Methan, Propan und gasförmiges Methanol. Dabei müssen zu den Organosilanen soviel unter Wasserbildung verbrennende Gase zugeführt werden, daß zum einen eine Hydrolyse jeder SiCI-Bindung stattfinden kann, und zum anderen in der Reatkionsflamme eine Temperatur von 1100° C erzielt wird.

Als sauerstoffhaltige Gase können Sauerstoff in reiner Form und in Form von Sauerstoffgemischen mit mindestens bis zu 15 Volumenprozent Sauerstoff eingesetzt werden, wobei Inertgase, wie Stickstoff, zugemischt sind. Vorteilhaft ist es oftmals, Luft einzusetzen.

Die Organosilane, die unter Wasserbildung verbrennenden Gase und die sauerstoffhaltigen Gase werden

gemischt, oftmals in einem Apparaturteil, der bereits zum Brenner gehört. Die Mischung wird durch eine konusartige Eintrittsöffnung in die Brennkammer eindosiert. Diese konusaitige Eintrittsöffnung ist zentral von einer Ringspüldüse umgeben (vgL Zeichnung). Die -. lichte Weite der Düse liegt zweckmäßi^-erweise bei etwa 0,2 bis 2 mm. Durch diese Ringspüldüse werden weitere Mengen sauerstoffhaltiger Gase eingeführt Die Abführung der bei der Reaktion von Organosilanen zu hochdisperser Kieselsäure entstehenden großen War- -₍, memenge geschieht mittels einer indirekten Zwangskühlung. Diese kann durchgeführt werden durch Kühlung der Brennkammer von außen, beispielsweise mittels Luft oder auch durch Mantelkühlung.

Die Volumenverhälinisse der einzelnen Gaskompo- ü nenten sind nicht von entscheidender Bedeutung. Der Sauerstoff wird ebenso wie gemäß DE-PS 9 00 339, auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Überschuß von mindestens 5 Gewichtsprozent eingesetzt Im allgemeinen wird ein Überschuß von 10 bis 50 Gewichtsprozent ausreichen. Ein weiterer Überschuß von 5 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise 10 Gewichtsprozent, an sauerstoffhaltigem Gasgemisch wird durch die Ringspüldüse, die die Eintrittsöffnung am Reaktionsraum zentral umgibt, gesondert zugeführt. Die Molverhältnisse von Organosilan zu den bei der Verbrennung wasserbildenden Gasen liegen im allgemeinen im Bereich von 1 : 0 bis 1 :12, vorzugsweise von 1 : 3 bis 1 :4,5.

Das erfindungsgemäß hergestellte Siliciumdioxid hat jo im allgemeinen eine Teilchengröße unterhalb 1 Mikron und eine Oberfläche von meistenteils 50 m²/g bis 400 m²/g. Es eignet sich ausgezeichnet zum Verdicken von polaren und unpolaren Flüssigkeiten sowie als verstärkender Füllstoff, insbesondere für Organopolysil- <j oxanelastomere. Bei diesen Organopolysiloxanelastomeren kann es sich um solche aus durch peroxidische Verbindungen in der Hitze vernetzbaren Massen, aus sogenannten Einkomponentensystemen oder sogenannten Zweikomponentensystemen, die bei Raumtemperatür vernetzen oder aus durch Anlagerung von Si-gebundenem Wasserstoff an aliphatische Mehrfachbindungen vernetzbaren Massen handeln.

Beispiel 1

45

28 kg Methyltrichlorsilan je Stunde werden mittels einer Membrankolbenpumpe mit einem Druck von 1,5 atü in einen Verdampfer gepumpt. Der Verdampfer hat eine wärmeabgebende Fläche, die auch als Heizfläche bezeichnet wird, die mit Wasserdampf von 0,5 atü beheizt wird und 0,5 m² groß ist. Der Strom des Wasserdampfes wird mit einem Regler (Samson-Regler), der durch den Dampfdruck des Methyltrichlorsilans im Verdampfer gesteuert wird, so eingestellt, daß ein gleichbleibender Pegel von flüssigem Organosilan und auch ständig der Druck von 0,5 atü des Methylirichlorsilans aufrechterhalten wird. Die Temperatur beträgt etwa 78° C.

Die Leitung zwischen dem Verdampfer und dem Brenner wird durch einen Mantel, durch den Wasserdampf mit 0,5 atü strömt erwärmt und ist weiterhin mit einer Regeleinrichtung ausgestattet, so daß die Temperatur gehalten werden kann.

Im Brenner werden die 28 kg. Stunde Methyltrichlorsilan mit 105Nm³ Wasserstoff je Stunde und lö5Nm³ Luft je Stunde vermischt und durch eine konusartige Eintrittsöffnung in die Brennkammer eingegeben. Die Breniiermündung ist scharfkantig und dünnwandig. Ihr Innendurchmesser beträgt 50 mm.

Gegen die Brennermündung ist ein Luftstrom von 8 Nm³ je Stunde gerichtet der aus der die Brennermündung umgebenden Ringspüldüse mit einer lichten Weite von 0,5 mm strömt

Die Reaktionskammer, mit einem Durchmesser von 60 cm und einer Länge von 350 cm, ist mit einem Mantel umgeben, der in einem Abstand von 5 cm befestigt ist. Durch diesen Spalt werden stündlich 800 m³ Luft von 20° C angesaugt

Es wird hochtransparentes Siliciumdioxid mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und einer Überfläche, gemessen nach der BET-Methode, von 207 m²/g erhalten.

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt, mit den Abänderungen, daß anstelle der 15Nm³ Wasserstoff 1,2Nm³ Propan je Stunde und anstelle der 105 Nm³125 Nm³ Luft in der Stunde mit den 28 kg/Stunde Methyltrichlorsilan im Brenner vermischt werden, sowie daß der Innendurchmesser der Brennermündung nicht 50 mm, sondern 70 mm beträgt.

Es wird Siliciumdioxid mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und einer Oberfläche, gemessen nach der BET-Methode, von 196 m²/g erhalten.

Beispiel 3

Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt, mit den Abänderungen, daß ansteile der 28 kg/Stunde Methyltrichlorsilan 30 kgDimethyldichlorsilan je Stunde eingesetzt, anstelle der 15Nm³ Wasserstoff 1,2 Nm³ Propan je Stunde und anstelle der 105Nm³ 125Nm³ Luft in der Stunde mit dem gasförmigen Dimethyldichlorsilan im Brenner vermischt werden, sowie daß der Innendurchmesser der Brennermündung nicht 50 mm, sondern 70 mm beträgt.

Es wird Siliciumdioxid mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und einer Oberfläche, geinessen nach der BET-Methode, von 189 m²/g erhalten.

Beispiel 4

Die in Beispiel 3 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt, mit den Abänderungen, daß anstelle der 30 kg Dimethyldichlorsilan ein Gemisch aus 15,5 kg Methyltrichlorsilan und 10 kg Tetramethylsilan je Stunde eingesetzt und anstelle der 125Nm³ 140 Nm^! Luft je Stunde mit dem Gemisch aus Organosilanen im Brenner vermischt werden.

Es wird Siliciumdioxid mit einer Teilchengröße unterhalb 1 Mikron und einer Oberfläche, gemessen nach der BET-Methode, von 123 m²/g erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von gasförmigen Organosilanen und gegebenenfalls anderen unter Wasserbildung verbrennenden Gasen mit sauerstoffhaltigen Gasen in der Flamme mittels eines Brenners, dadurch gekennzeichnet, daß das Organosilan in einem Verdampfer mit einem konstant gehaltenen Stand an flüssigen Organosilanen unter einem Organosilan-Dampfdruck von 0,2 bis 1,2 atü, vorzugsweise 0,4 bis 0,9 atü, und bei höchstens einer Temperatur von 45" C, vorzugsweise 20 bis 35° C, über dem jeweiligen Siedepunkt des Organosilans verdampft und die Temperatur des Dampfes bis zur Mischung mit den anderen Gasen beibehalten wird, das durch die Mischung entstehende Gasgemisch, in dem ein Sauerstoffüberschuß von mindestens 5 Gew.-% vorliegt, durch eine konusartige Eintrittsöffnung in die Brennkammer eindosiert wird, die Eintrittsöffnung von einer Ringspüldüse zentral umgeben ist, durch diese Ringspüldüse sauerstoffhaltige Gase eingeführt werden und die Brennkammer mittels einer indirekten Zwangskühlung gekühlt wird.