EP2580173A2 - Verfahren zur herstellung eines kieselsol-materials - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kieselsol-materials

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EP2580173A2
EP2580173A2 EP11725672.7A EP11725672A EP2580173A2 EP 2580173 A2 EP2580173 A2 EP 2580173A2 EP 11725672 A EP11725672 A EP 11725672A EP 2580173 A2 EP2580173 A2 EP 2580173A2
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EP
European Patent Office
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silica sol
reaction
sol material
temperature
carried out
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11725672.7A
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English (en)
French (fr)
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Ekkehard Barth
Rolf Bachmann
Arne Braun
Maren Heinemann
Sebastian Schmidt
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Bayer Innovation GmbH
Original Assignee
Bayer Innovation GmbH
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Publication date
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    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids, or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
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    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/441—Alkoxides, e.g. methoxide, tert-butoxide

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of a biodegradable and / or resorbable silica sol material, which is particularly advantageous in terms of the reproducibility of the material, the rate of synthesis and the ability to produce the silica sol material on an industrial scale.
  • Another object of the invention relates to a biodegradable and / or resorbable silica sol material which can be prepared by the inventive synthesis method.
  • biodegradable and / or resorbable silica sol materials and their preparation are described in the prior art.
  • misting may occur in the reaction vessel.
  • the particles that are in such a mist can subsequently be removed only via a filtration step. If the particles are not removed via a filtration step, they can, for example, in the further processing of the silica sol material to a silica gel fiber by means of a spinning system, clog the spinning nozzles of the spinning plant. The spinning process must then be interrupted and the nozzles must be cleaned. On the other hand, an additional filtration step is to be avoided if possible, since the filtration loses synthesis material which can no longer be converted to the silica sol material. , -
  • WO2008 / 086970A1 relates to a similar silica sol material but in which the hydrolysis-condensation step is carried out over a period of at least 16 hours.
  • the hydrolysis-condensation reaction is preferably carried out batchwise in a stirred tank.
  • the Si compound and the solvent are preferably charged. This is followed by the rapid addition of an acid, preferably in the form of HNO 3 . It is described that the hydrolysis-condensation reaction proceeds rapidly due to the acid strength and the contents of the container heat up by about 40 ° C.
  • the subsequent removal of the solvent occurs to a viscosity of the mixture of 0.5 to 2 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C.
  • filtration is not required, followed by ripening at a temperature of preferably 2 ° C to 4 ° C to effect further condensation under kinetically controlled conditions to suppress formation of a three-dimensional polymeric gel network
  • the product of ripening preferably has a viscosity of 35 to 45 Pa ⁇ s (shear rate 10 s -1 at 4 ° C) at a loss factor (at 4 ° C, 10 s -1 , 1% deformation) of 2.5 to 3.5.
  • WO2008 / 148384A1 relates to a similar silica sol material.
  • a gas-diffusion-tight container preferably a rotary evaporator, is used during evaporation.
  • the hydrolysis-condensation step involves the immediate addition of a mixture of H 2 O and HNO 3 to a mixture of TEOS and ethanol.
  • the kinetically controlled ripening is carried out in particular by vibration-free storage of the reaction mixture in a closed gas-diffusion-tight vessel.
  • WO2009 / 077104A relates to a similar silica sol material, in which, compared to WO2008 / 148384A1, evaporation in a closed apparatus is optionally carried out by continuously supplying a chemically inert drag gas stream.
  • All of the above-mentioned prior art processes comprise at least three steps: hydrolysis-condensation, solvent-removal and maturation. The steps are obviously carried out in different vessels. The times for the individual steps sometimes vary considerably. The individual steps are completed when a preferred viscosity has been set; that is, it is obviously necessary to follow the viscosity of the reaction mixtures in order to complete one step in the presence of the desired (intermediate) product.
  • the end of the silica sol material production process at the beginning of the preparation can only be predicted within a range of ⁇ 2 days.
  • the above-described imponderables counteract a meaningful economic planning and production.
  • the object of the present invention was therefore to address the disadvantages of the prior art and to provide an improved process for the preparation of silica sol materials.
  • the method should allow a reproducible production of silica sol materials.
  • the method should be scalable to an industrial scale and allow a more accurate prediction of the end of the reaction.
  • the change of reaction vessels between the individual steps should be avoided.
  • the object is achieved by a method for producing a silica sol material, which comprises the following steps:
  • step (c) ripening the single-phase solution obtained in step (b) into a silica sol material having a viscosity between 30 and 100 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C and a loss factor of 2 to 5.
  • the combination preferably takes place over a period of at least 15 minutes, more preferably at least 30 minutes, and even more preferably at least 1 hour. The shorter the period of time for metering, the more likely additional equipment will be required to remove the heat generated during the reaction and maintain the temperature of the reaction mixture within a predetermined range.
  • controlled pooling has significant advantages, particularly with regard to a process operated on an industrial scale, for example in the compliance with safety regulations, in the process control and in the reproducibility. It is conceivable to carry out the combination in step (a) of the method according to the invention at a constant rate. It is also conceivable to carry out the combination in such a way that the temperature of the reaction mixture develops within a predetermined range. In the latter case, therefore, there is a control loop in which the combination of the components is controlled by the temperature and / or temperature change in the reaction mixture. In a preferred embodiment of the process according to the invention, the combination in step (a) takes place under quasi-isothermal conditions.
  • the reaction under quasi-isothermal conditions would preferably be within a sump temperature range (ie, measured within the reaction mixture) of ⁇ 5 ° C, preferably from ⁇ 2 ° C, particularly preferably run from ⁇ 0.5 ° C.
  • the components are combined in step (a) so that the heat released by the hydrolysis-condensation reaction is used to heat up the synthesis approach. It can thus be avoided overheating of the synthesis approach, for example, to low-performance or inert heat exchangers and the hydrolysis-condensation reaction can be performed in a controlled manner at the desired temperature.
  • step (a) The hydrolysis-condensation reaction in step (a) is preferably carried out with stirring.
  • hydrolyzable silicon compound preferably refers to a Si compound of the formula (I) SA, (I) wherein the radicals X are the same or different and are hydroxy, hydrogen, halogen, amino, alkoxy, acyloxy, acylcarbonyl and or alkoxycarbonyl and derived from alkyl radicals which optionally represent substituted straight-chain, branched or cyclic radicals having 1 to 20 carbon atoms, preferably having 1 to 10 carbon atoms, and by oxygen or sulfur atoms or by amino
  • X in the formula (I) is an optionally substituted straight-chain, branched and / or cyclic alkoxy radical having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms
  • X in the formula (I) is an optionally substituted straight-chain and / or branched C 1 -C 5 -alkoxy radical preferred are substituted, but preferably unsubstituted, straight-chain and / or
  • aqueous acid solution describes mixtures and / or solutions which have a pH of from 0 to ⁇ 7, preferably from 0 to 2.
  • the aqueous acid solution may comprise one or more further substances which Preferably, a water-soluble solvent is added, particularly preferably ethanol,
  • a water-soluble solvent is added, particularly preferably ethanol
  • the aqueous acid solution preferably comprises water and ethanol in a molar ratio of 1 to 1.27 to 1 to 1.59, particularly preferably in a molar ratio of 1 to 1.41.
  • Nitric acid is preferably used as proton donor. - -
  • aqueous or alcoholic preferably an aqueous dilute ethanolic solution of a physiologically tolerated acid (eg citric, succinic, acetic or ascorbic acid) and at least one essential (eg L-arginine), particularly preferred; L-valine, L-leucine, L-isoleucine, L-phenylalanine, L-thyroxine, L-methionine, L-lycin or L-tryptophan) or non-essential amino acid (eg L-glutamine, L-glutamic acid, L-asparagine, L-aspartic acid, L-cysteine, L-glycine, L-alanine, L-proline, L-histidine, L-tyrosine).
  • a physiologically tolerated acid eg citric, succinic, acetic or ascorbic acid
  • essential eg L-arginine
  • non-essential amino acid eg L-glutamine, L-glutamic acid
  • Such mixtures and / or solutions form in a physiological environment with molecular oxygen enzymatically (by means of a nitroxide synthase, NOS) nitric oxide (NO).
  • NOS nitroxide synthase
  • organic nitrates or nitrate esters such as. Ethyl nitrate, which form NO with the help of an organic nitrate reductase, are used.
  • Thiol groups (cysteine) are required for this enzymatic release of NO.
  • the molar ratio of S1X 4 water in the range of 1: 1, 5 to 1: 2.5, preferably in the range of 1: 1, 7 to 1 : 1, 9, more preferably in the range of 1: 1, 7 to 1: 1.8.
  • step (a) can take place in various ways. It is conceivable to introduce the hydrolyzable silicon compound in the reactor and to add the aqueous acid solution. It is conceivable to present the hydrolyzable silicon compound in a suitable solvent (for example ethanol in the case of TEOS).
  • a further preferred embodiment relates to a process for producing a silica sol material in which both the acid and the hydrolyzable silicon compound are added in a controlled manner to a solvent in parallel.
  • the hydrolyzable silicon compound is pre-mixed with a portion of the solvent, preferably 35 to 38% of the solvent. Overall, the amount of solvent thus preferably does not change.
  • the acid and the hydrolyzable silicon compound can be metered in independently of each other (for example via different reaction vessel openings and pump systems) over different periods of time.
  • the same period of time for metering is selected in proportion to the volume flow.
  • the added hydrolyzable silicon compound quantity or the added amount of acid is preferably constant per unit time.
  • This embodiment of the invention is preferably carried out under quasi-isothermal conditions. - - leads.
  • the hydrolyzable silicon compound or acid is metered in over a period of at least 15 minutes, preferably at least 30 minutes and more preferably at least 1 hour.
  • Another object of the present invention is directed to a process for the preparation of a silica sol material in which a hydrolyzable silicon compound is added to an acid present in a solvent.
  • This controlled combination also referred to below as "inverse dosing"
  • inverse dosing surprisingly leads to a novel sol which is reproducible and can be prepared in a controlled manner but whose physical properties differ from those described in the prior art Sol can be spun into a fiber and is also biodegradable and / or resorbable.
  • This sol has a lower viscosity at the same loss factor as compared to those described in the prior art.
  • the loss factor is the quotient of the viscous to elastic portion of the dynamic viscosity. Too low a loss factor means too much elasticity of the material, e.g. prevents the formation of a stable thread during spinning (gelling, tearing of the thread). If the loss factor is too high, the material is so fluid that stable thread formation is not possible (drop formation).
  • the loss factor is an important parameter for determining the quality of the silica sol material for its further use (see below for more details). If the viscosity at the same loss factor is lower than in the case of the silica sol material resulting from the inverse addition, such a material is easier to process and is accordingly advantageous.
  • the hydrolyzable silicon compound is preferably not previously or only in a small part of a solvent, preferably 0 to 5%, dissolved. Overall, the amount of solvent thus preferably does not change. However, at the beginning of the reaction, there is no or proportionately less solvent in the reaction vessel to which the silicon compound or the mixture of a part of the solvent and the hydrolyzable silicon compound is metered in in a controlled manner.
  • the inverse dosage is preferably carried out under quasi-isothermal conditions.
  • the amount of hydrolyzable silicon compound added per unit time is preferably constant or approximately constant.
  • the hydrolyzable silicon compound is metered in over a period of at least 15 minutes, preferably at least 30 minutes and more preferably at least 1 hour.
  • Another object of the invention is directed to a silica sol material prepared by a controlled metered addition of a hydrolyzable silicon compound to an in-solvent acid, followed by evaporation to a single-phase solution having a viscosity in the range 0.5 to 1.5 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C, and ripening of this single-phase solution to a silica sol material having a viscosity of 30 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C, a loss factor of third
  • reaction mixture is preferably stirred for some time until a dynamic equilibrium has been established.
  • the duration of the reaction depends on the selected temperature and the period of the controlled metered addition. For example, the reaction, at a temperature of 55 ° C and a controlled metered addition of the acid to the hydrolyzable silicon compound present in the solvent over a period of one hour, takes a total of about 5 hours on a laboratory scale. At a temperature of 37 ° C and otherwise the same conditions, the reaction lasts 18 hours.
  • the hydrolysis condensation is preferably carried out without pressure (i.e., without overpressure at about 101325 Pa), preferably at a temperature of 0 ° C to 78 ° C. By appropriate pressure regulation, it is also possible to carry out the reaction at temperatures above the boiling point of ethanol (i.e., 78 ° C).
  • Reactive evaporation in step (b) to give a single-phase solution is carried out as described in the prior art up to a dynamic viscosity ( ⁇ ) of the mixture at 0.5 to 30 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C , preferably 0.5 to 2 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C., more preferably 1 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C.
  • step (b) is carried out in a closed apparatus in which mixing is possible and at the same time the solvent (ie, water, ethanol) can be evaporated.
  • the bottom temperature is maintained by pressure regulation (temporally variable adjustment between preferably 500 to 120 mbar) constant (ie ⁇ 5 ° C, preferably of ⁇ 2 ° C), so that continuously solvent under , , light boiling from the batch to the above viscosity is removed.
  • the reaction temperature may be selected as described in the prior art, ie preferably between 30 ° C to 78 ° C, and more preferably between 60 ° C and 75 ° C.
  • step (b) is carried out with careful mixing of the reaction system.
  • the single-phase solution resulting from step (b) is subjected to ripening in step (c).
  • the single-phase solution is preferably stirred in this maturation process. Mixing the system with agitation causes the ripening to be slightly accelerated. In addition, the mixing of the single-phase solution leads to a degradation of temperature gradients, which in turn causes a better temperature control and thus an easier scalability of the process.
  • the speed of the stirrer is chosen so that no bubbles can arise in the single-phase solution. Speeds of 4 to 50 rpm, especially of less than 25 rpm, in particular those of less than 10 rpm, have proven to be expedient.
  • active substances are defined as substances which produce a specific action, a reaction, in a small dose in an organism
  • Temperature-sensitive active substances or pharmaceutical substances are those whose degradation is markedly accelerated at temperatures below 8 ° C., preferably below 2 ° C.
  • step (c) An important factor influencing maturation (step (c)) is the temperature.
  • the ripening can be carried out at temperatures of up to -80 ° C to 78 ° C and with regulation of the pressure also above it.
  • a sol known in the art may be prepared.
  • the production time at these temperatures is significantly shortened (from 2 to 3 weeks when ripening is carried out at 4 ° C compared to 2 days when the reaction is carried out at 31 ° C).
  • the maturation should ideally not exceed a temperature of 45 ° C, otherwise the ripening of the maturation - can not be guaranteed at the below target values for viscosity and loss factor, the reaction continues to run and a material is obtained, which is not desirable, that is no longer biodegradable or exceeds the gel point and is no longer spinnable.
  • the silica sol material obtained in step (c) preferably has a viscosity between 30 and 100 Pa ⁇ s (shear rate 10 s -1 at 4 ° C.), preferably from 35 to 70 Pa ⁇ s (shear rate 10 s -1 at 4 ° C) with a loss factor (at 4 ° C, shear rate 10 s -1 , 1% deformation) of 2 to 5, preferably from 2.5 to 3.5, and more preferably from 2.8 to 3.2
  • a loss factor at 4 ° C, shear rate 10 s -1 , 1% deformation
  • the silica sol material produced by the process according to the invention can be further processed into a fiber, a fleece, a powder, monolith and / or a coating. Further processing is known to the person skilled in the art.
  • all preparation steps (a) to (c) are carried out in one and the same reaction vessel.
  • all preparation steps (a) to (c) are carried out with moderate stirring.
  • the reaction vessel is preferably a stirred tank, which comprises the following features: 1) It is closable and pressure-resistant to at least 10 bar and at least from -20 ° C to 80 ° C tempered. The pressure and temperature are recorded, displayed and can be regulated. 2) It has an access to the metering of the respective liquid components, a bottom outlet valve for taking out the product and a gas access for pressure application or to remove part of the gaseous alcohol and the aqueous acid by distillation from the reaction mixture.
  • reaction vessel It is conceivable to equip the reaction vessel with probes for measuring the viscosity of the reaction mixture.
  • Other probes such as IR or Raman probes, can be used to monitor the concentrations of reaction components.
  • the method according to the invention overcomes the disadvantages of the prior art. Controlled merging of the starting materials makes the production process overall easier to control. The reproducibility is increased and the manufacturing process becomes scalable. Further improvements result from the additional measure of stirring the single-phase solution in the ripening step (c), preferably at a temperature of 25 ° C to 35 ° C. In particular, carrying out the ripening at the described preferred temperatures also causes a considerable acceleration of the entire production process without having to accept the required product properties of the silica sol material. By the influencing variables described in the invention, the total synthesis time could be reduced by almost 90%. A prediction method now also makes it possible, among other things due to the improved manufacturing process, to predict the end of the silica sol material production process at the beginning of production within a range of ⁇ 2 hours.
  • Figure 1 shows the schematic structure of a synthesis boiler and its immediate periphery for the production of spinnable and biodegradable silica sol material.
  • EXAMPLE 1 As starting materials for the hydrolysis condensation, 5.4 mol of TEOS (tetraethoxysiloxane) in ethanol were initially charged with 6.8 mol in a closed reaction vessel. 9.6 mol of water in the form of a 0.006 N HN0 3 solution were mixed in advance and then metered into the ethanol / TEOS mixture over a period of 1 hour at a constant temperature (isothermal procedure) of 37 ° C. The reaction solution is stirred for 17 hours until reaching an ethanol concentration of about 68% by weight. Thereafter, the single-phase solution was successively evaporated at a constant bottom temperature of 62 ° C.
  • TEOS tetraethoxysiloxane
  • Ethanol (2.6 mol, 100%) was placed in a closed reaction vessel.
  • the remaining ethanol (4.2 mol, 100%) was metered in together with 5.4 mol of TEOS via an access to the ethanol in the reaction vessel over a period of one hour in a controlled manner.
  • 9.6 mol of water in the form of a 0.006 N HN0 3 solution over a period of one hour were added via another access to the reaction vessel.
  • the reaction was carried out so that the bottom temperature in the reaction vessel during the entire reaction is 37 ° C (isothermal mode).
  • the further process steps were carried out as described in the first embodiment, with the exception of the ripening temperature.
  • the ripening temperature was 4 ° C.
  • EMBODIMENT Ethanol (6.8 mol, 100%) was charged together with 9.6 mol of water in the form of a 0.006 N HNO 3 solution in a closed reaction vessel.
  • TEOS tetraethoxysiloxane
  • the reaction was carried out so that the bottom temperature in the reaction vessel during the entire reaction was 37 ° C (isothermal mode).
  • the further procedural steps were carried out as described in the first exemplary embodiment. The maturation of the - - -
  • Silica sol material was stirred at a temperature of 7 ° C to a viscosity of 30 Pa ⁇ s at a shear rate of 10 s -1 at 4 ° C and a loss factor of 3.1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines biologisch degradierbaren und/oder resorbierbaren Kieselsol-Materials, welches insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Materials, der Schnelligkeit der Synthese und der Möglichkeit das Kieselsol- Material im großtechnischen Maßstab herstellen zu können, vorteilhaft ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein biologisch degradierbares und/oder resorbierbares Kieselsol-Material, welches durch das erfindungsgemäßes Syntheseverfahren hergestellt werden kann.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kieselsol-Materials
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines biologisch degradierbaren und/oder resorbierbaren Kieselsol-Materials, welches insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Materials, der Geschwindigkeit der Synthese und der Möglichkeit, das Kieselsol-Material im großtechnischen Maßstab herstellen zu können, vorteilhaft ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein biologisch degradierbares und/oder resorbierbares Kieselsol-Material, welches durch das erfindungsgemäßes Syntheseverfahren hergestellt werden kann.
Biologisch degradierbare und/oder resorbierbare Kieselsol-Materialien und deren Herstellung sind im Stand der Technik beschrieben. In der DE 196 09 551 Cl sind biologisch degradierbare/ biologisch resorbierbare Faserstrukturen beschrieben, die in einem Sol-Gel-Prozess dadurch erhalten werden können, dass man aus einer Spinnmasse Fäden zieht und diese gegebenenfalls trocknet. Die Herstellung des Sol-Materials um- fasst einen Hydrolyse-Kondensationsschritt, bei dem die Edukte Tetraethoxysilan (TEOS), Ethanol, Wasser und Salpetersäure im molaren Verhältnis 1 : 1,26 : x : 0,01 (mit x = 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 oder 2,0) vermischt werden. In DE 196 09 551 Cl ist beschrieben, dass man zu der zu hydrolisierenden Siliziumverbindung (TEOS) das erforderliche Wasser/Säure-Gemisch bei Raumtemperatur oder unter leichter Kühlung direkt zugibt und die resultierende Mischung daraufhin ein bis mehrere Stunden rührt. Nach beendeter Hydrolyse wird aus der resultierenden Mischung solange Lösemittel entfernt, bis die Mischung bei Raumtemperatur und einem Schergefälle von 20 s"1 eine Viskosität zwi- sehen 0,05 und 50 Pa · s aufweist. Vorzugsweise wird anschließend filtriert. Das Filtrat wird in einem geschlossenen Gefäß bei einer Temperatur von 3 °C und einer Reifezeit von 6 Stunden bis 6 Monaten zum Kieselsol-Material gereift. Danach kann das Kieselsol-Material zu einer Faser versponnen werden.
Bei der Zugabe einer wässrigen Säure zu der sich in einem Lösungsmittel befindlichen Si- Verbindung kann es zur Nebelbildung im Reaktionsgefäß kommen. Die Partikel, die sich in einem solchen Nebel befinden, können nachfolgend nur über einen Filtrationsschritt entfernt werden. Falls die Partikel nicht über ein Filtrationsschritt entfernt werden, können diese, beispielsweise bei der Weiterverarbeitung des Kieselsol-Materials zu einer Kieselgelfaser mittels einer Spinnanlage, die Spinndüsen der Spinnanlage verstopfen. Der Spinnprozess muss dann unterbrochen werden und die Düsen müssen gereinigt werden. Ein zusätzlicher Filtrationsschritt ist hingegen möglichst zu vermeiden, da mit der Filtration Synthesematerial verlorengeht, welches nicht mehr zum Kieselsol-Material umgesetzt werden kann. . -
WO2008/086970A1 betrifft ein ähnliches Kieselsol-Material, bei dem jedoch der Hydrolyse- Kondensationsschritt über einen Zeitraum von mindestens 16 Stunden durchgeführt wird. Die Hydrolyse-Kondensationsreaktion wird vorzugsweise diskontinuierlich in einem Rührwerksbehälter durchgeführt. Die Si- Verbindung und das Lösungsmittel werden vorzugsweise vorgelegt. Anschließend erfolgt die zügige Zugabe einer Säure, vorzugsweise in Form von HNO3. Es ist beschrieben, dass die Hydrolyse-Kondensationsreaktion aufgrund der Säurestärke schnell abläuft und sich der Inhalt des Behälters um etwa 40°C erwärmt. Die anschließende Entfernung des Lösemittels erfolgt bis zu einer Viskosität des Gemisches von 0,5 bis 2 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C. Eine Filtration ist angeblich nicht erforderlich. Es folgt die Reifung bei einer Temperatur von vorzugsweise 2 °C bis 4 °C, um unter kinetisch kontrollierten Bedingungen eine weitere Kondensation herbeizuführen, wobei die Ausbildung eines dreidimensionalen polymeren Gelnetzwerks unterdrückt werden soll. Das Produkt der Reifung weist vorzugsweise eine Viskosität von 35 bis 45 Pa · s (Scherrate 10 s"1 bei 4 °C) bei einem Verlustfaktor (bei 4 °C, 10 s"1, 1 % Deformation) von 2,5 bis 3,5 auf.
WO2008/148384A1 betrifft ein ähnliches Kieselsol-Material. Bei der Herstellung dieses Materials wird beim Eindampfen ein gasdiffusionsdichter Behälter, vorzugsweise ein Rotationsverdampfer verwendet. Der Hydrolyse-Kondensationsschritt umfasst die unmittelbare Zugabe eines Gemisches aus H20 und HNO3 zu einem Gemisch aus TEOS und Ethanol. Die kinetisch kontrollierte Reifung wird insbesondere durch erschütterungsfreies Lagern des Reaktionsgemisches in einem geschlossenen gasdiffusionsdichten Gefäß durchgeführt.
WO2009/077104A betrifft ein ähnliches Kieselsol-Material, b ei dem im Vergleich zur WO2008/148384A1 das Eindampfen in einem geschlossenen Apparat optional durch kontinuierliche Zufuhr eines chemisch inerten Schleppgasstroms erfolgt. Alle genannten Verfahren aus dem Stand der Technik umfassen mindestens drei Schritte: Hydrolyse- Kondensation, Lösemittelentfernung und Reifung. Die Schritte werden offensichtlich in unterschiedlichen Gefäßen durchgeführt. Die Zeiten für die einzelnen Schritte variieren teilweise erheblich. Die einzelnen Schritte sind beendet, wenn sich eine bevorzugte Viskosität eingestellt hat; das heißt, es ist offensichtlich erforderlich, die Viskosität der Reaktionsgemische zu verfolgen, um einen Schritt bei Vorliegen des gewünschten (Zwischen-)Produkts beenden zu können.
Bei den genannten Verfahren aus dem Stand der Technik erfolgt die Hydrolyse-Kondensations- Reaktion unter rascher Zusammenführung der zu hydrolisierenden Siliziumverbindung und der Säure. Wie jeweils beschrieben kommt es aufgrund der Exothermie der Reaktion zu einer beträchtlichen Temperaturerhöhung. Eine solche Temperaturerhöhung ist insbesondere bei einem Up-Scaling auf eine industrielle Produktion im großtechnischen Maßstab unter anderem aus sicherheitstechnischen Gründen zu vermeiden. Darüber hinaus kann es infolge von Temperaturinhomogenitäten im Reaktionsansatz gerade im großtechnischen Maßstab zu Produktinhomogenitäten kommen. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Reifung vorzugsweise erschütterungsfrei bei einer Temperatur von -20 °C bis 10 °C und sie kann 6 Stunden bis 6 Monaten dauern. Ein solches Verfahren ist nicht skalierbar und deshalb für eine großtechnische Produktion nicht geeignet.
Aufgrund der ungenügenden Kontrollierbarkeit der im Stand der Technik beschriebenen Verfahren kann das Ende des Kieselsol-Material-Herstellprozesses zu Beginn der Herstellung nur innerhalb eines Bereichs von ± 2 Tagen vorhergesagt werden. Gerade im Hinblick auf die biodegradierbaren bzw. bioresorbierbaren Eigenschaften der Materialen, welche unter Umständen nur kurze Lagerzeiten erlauben, konterkarieren die oben beschriebenen Unwägbarkeiten eine sinnvolle wirtschaftliche Planung und Produktion.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand deshalb darin, die Nachteile des Standes der Tech- nik zu adressieren und ein verbessertes Verfahren zu Herstellung von Kieselsol-Materialien zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren soll eine reproduzierbare Herstellung von Kieselsol-Materialien erlauben. Das Verfahren soll auf einen industriellen Maßstab skalierbar sein und eine genauere Vorhersage des Reaktionsendes erlauben. Der Wechsel von Reaktionsgefäßen zwischen den einzelnen Schritten ist zu vermeiden. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kieselsol-Materials gelöst, das folgende Schritte umfasst:
(a) kontrolliertes Zusammenführen einer wässrigen Säure-Lösung und einer hydrolysierbaren Silizium- Verbindung,
(b) nachfolgendes Eindampfen zu einer einphasigen Lösung mit einer Viskosität im Bereich von 0,5 bis 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, und
(c) Reifen der in Schritt (b) erhaltenen einphasigen Lösung zu einem Kieselsol-Material mit einer Viskosität zwischen 30 und 100 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C und einem Verlustfaktor von 2 bis 5.
An Stelle der im Stand der Technik beschriebenen zügigen Zugabe (WO 2008/086970 S. 4 Z. 24) einer wässrigen Säure zur hydrolysierbaren Silizium- Verbindung erfolgt bei der vorliegenden Erfindung eine kontrollierte Zusammenführung dieser Komponenten. Unter einer kontrollierten Zusam- menführung wird hier verstanden, dass die Zusammenführung nicht zügig, nicht rasch, sondern über einen vorgegebenen längeren Zeitraum erfolgt. Die Zusammenführung erfolgt so, dass die Temperatur des Gemisches innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs verbleibt.
Vorzugsweise erfolgt die Zusammenführung über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, be- sonders bevorzugt mindestens 30 Minuten und noch bevorzugter von mindestens 1 Stunde. Je kürzer der Zeitraum für die Zudosierung gewählt wird, umso wahrscheinlicher werden zusätzliche apparative Maßnahmen erforderlich, um die bei der Reaktion entstehenden Wärmemengen abführen und die Temperatur des Reaktionsgemisches in einem vorgegebenen Bereich halten zu können.
Überraschend ist, dass es infolge der im Vergleich zum Stand der Technik auf einen längeren Zeit- räum ausgedehnten Zusammenführung von hydrolysierbarer Siliziumverbindung und wässriger Säurelösung nicht zu einer merklich veränderten Massenverteilung der Polymeren kommt. Wird beispielsweise das in WO2008/086970A1 beschriebene Syntheseverfahren erfindungsgemäß so modifiziert, dass die Zugabe der wässrigen Säurelösung zur hydrolysierbaren Siliziumverbindung nicht zügig sondern über einen Zeitraum von 1 Stunde erfolgt, so hat dies keinen merklichen Einfluss auf die am Ende des Verfahrens (nach der Reifung) resultierende Polymerverteilung, beispielsweise gemessen mittels Gelpermeationschromatographie.
Die kontrollierte Zusammenführung hat jedoch insbesondere im Hinblick auf ein im industriellen Maßstab betriebenes Verfahren erhebliche Vorteile, beispielsweise bei der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften, bei der Verfahrenskontrolle und in Bezug auf die Reproduzierbarkeit. Es ist denkbar, die Zusammenführung in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit konstanter Rate durchzuführen. Ebenso ist es denkbar, die Zusammenführung so durchzuführen, dass sich die Temperatur der Reaktionsmischung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs entwickelt. Im letztgenannten Fall liegt also ein Regelkreis vor, bei dem die Zusammenführung der Komponenten durch die Temperatur und/oder Temperaturänderung im Reaktionsgemisch gesteuert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zusammenführung in Schritt (a) unter quasi-isothermen Bedingungen. Unter dem Begriff „quasi-isotherme Bedingungen" wird verstanden, dass eine chemische Reaktion bei möglichst konstanter Temperatur durchgeführt wird. Beim vorliegenden Verfahren bei Schritt (a) würde die Reaktion unter quasiisothermen Bedingungen vorzugsweise innerhalb eines Sumpftemperaturbereichs (d.h. gemessen innerhalb des Reaktionsgemisches) von ± 5 °C, vorzugsweise von ± 2 °C, besonders bevorzugt von ± 0,5 °C ablaufen. In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zusammenführung der Komponenten in Schritt (a) so, dass die durch die Hydrolyse- Kondensationsreaktion freigesetzte Wärme zum Aufheizen des Syntheseansatzes genutzt wird. Es kann somit eine Überhitzung des Syntheseansatzes z.B. bei zu leistungsschwachen bzw. trägen Wärmetauschern vermieden werden und die Hydrolyse-Kondensationsreaktion kann kontrollierter bei der gewünschten Temperatur durchgeführt werden.
Die Hydrolyse-Kondensationsreaktion in Schritt (a) wird vorzugsweise unter Rühren durchgeführt.
Der Begriff„hydrolysierbare Silizium- Verbindung" bezieht sich vorzugsweise auf eine Si- Verbindung der Formel (I) SÄ, (I) in der die Reste X gleich oder verschieden sind und Hydroxy, Wasserstoff, Halogen, Amino, Alkoxy, Acyloxy, AUcylcarbonyl und/oder Alkoxycarbonyl bedeuten und sich von Alkyl-Resten ableiten, die gegebenenfalls substituierte geradkettige, verzweigte oder zyklische Reste mit 1 bis 20 Kohlenstoff- Atomen, bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoff- Atomen, darstellen und durch Sauerstoff- oder Schwe- felatome oder durch Amino-Gruppen unterbrochen sein können. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform steht X in der Formel (I) für einen gegebenenfalls substituierten geradkettigen, verzweigten und/oder zyklischen Alkoxyrest mit 1 bis 20 Kohlenstoff- Atomen, bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoff- Atomen. Besonders bevorzugt steht X in der Formel (I) für einen gegebenenfalls substituierten geradkettigen und/oder verzweigten Ci - C5 Alkoxyrest. Weiter besonders bevorzugt sind substituierte, vorzugsweise aber unsubstituierte geradkettige und/oder verzweigte C2 - C3 Alko- xyreste, wie beispielsweise Ethoxy, N-Propoxy und/oder Isopropoxy. Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt wird Tetraethoxysilan (TEOS) als hydrolysierbare Si- Verbindung in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt.
Der Begriff„wässrige Säure-Lösung" beschreibt Gemische und/oder Lösungen, die einen pH von 0 bis < 7, vorzugsweise von 0 bis 2 haben. Neben Wasser und einem Protonendonator kann die wässrige Säure-Lösung eine oder mehrere weitere Substanzen umfassen, die beispielsweise als Lösungsvermittler dienen. Vorzugsweise wird ein wasserlösliches Lösungsmittel zugesetzt. Besonders bevorzugt ist Ethanol. Die wässrige Säure-Lösung umfasst vorzugsweise Wasser und Ethanol im molaren Verhältnis von 1 zu 1,27 bis 1 zu 1,59, besonders bevorzugt im molaren Verhältnis von 1 zu 1,41.
Als Protonendonator wird vorzugsweise Salpetersäure verwendet. - -
Neben einer vorzugsweise ethanolischen wässrigen Salpersäurelösung sind erfindungsgemäß auch wässrige oder alkoholische (bevorzugt eine wässrig verdünnte ethanolische) Lösung einer physiologisch verträglichen Säure (z.B. Zitronen-. Bernstein-, Wein-, Essig- oder Ascorbinsäure) und mindestens einer essentiellen (z.B. L-Arginin, besonders bevorzugt; L-Valin, L-Leucin, L-lsoleucin, L-Phenylalanin, L-Thyroxin, L-Methionin, L-Lycin oder L-Tryptophan) oder nicht-essentiellen Aminosäure (z.B. L-Glutamin, L-Glutaminsäure, L-Asparagin, L-Asparaginsäure, L-Cystein, L-Glycin, L-Alanin. L-Prolin, L-Histidin, L-Tyrosin) geeignet. Solche Gemische und/oder Lösungen bilden in physiologischer Umgebung mit molekularem Sauerstoff enzymatisch (mittels einer Nitro- xid-Synthase, NOS) Stickstoffmonoxid (NO). Darüber hinaus können auch Organische Nitrate bzw. Nitratester (so genannte NO-Donatoren) wie z.B. Ethylnitrat, die NO mit Hilfe einer organischen Nitrat-Reduktase bilden, eingesetzt werden. Für diese enzymatische Freisetzung von NO werden Thiolgruppen (Cystein) benötigt.
Zur Hydrolyse der Silizium- Verbindung wird eine so große Menge an Wasser eingesetzt, dass das molare Verhältnis von S1X4 : Wasser im Bereich von 1 : 1 ,5 bis 1 : 2,5, bevorzugt im Bereich von 1 : 1 ,7 bis 1 : 1 ,9, besonders bevorzugt im Bereich von 1 : 1 ,7 bis 1 :1,8 liegt.
Die Zusammenführung der Komponenten in Schritt (a) kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es ist denkbar, die hydrolysierbare Silizium- Verbindung in dem Reaktor vorzulegen und die wässrige Säurelösung hinzuzugeben. Dabei ist es denkbar, die hydrolysierbare Silizium- Verbindung in einem geeigneten Lösemittel (beispielsweise Ethanol im Fall von TEOS) vorzulegen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kieselsol- Materials, bei dem sowohl die Säure, wie auch die hydrolysierbare Silizium- Verbindung parallel einem Lösungsmittel kontrolliert zudosiert werden. Vorzugsweise wird die hydrolysierbare Silizium- Verbindung vorab mit einem Teil des Lösungsmittels, vorzugsweise 35 bis 38 % des Lösungsmittels, gemischt. Insgesamt ändert sich die Lösungsmittelmenge damit vorzugsweise nicht. Es befindet sich jedoch zu Beginn anteilig weniger Lösungsmittel in dem Reaktionsgefäß zu dem die Säure und die beschriebene Mischung aus einem Teil des Lösungsmittels und der hydrolysierbaren Silizium- Verbindung kontrolliert zudosiert werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere hinsichtlich eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses (im großtechnischen Maßstab) von Bedeutung. Bei dieser Ausführungsform kann die Säure und die hydrolysierbare Siliziumverbindung unabhängig voneinan- der (beispielsweise über verschiedene Reaktionsgefäßöffnungen und Pumpsysteme) über unterschiedliche Zeiträume zudosiert werden. Vorzugsweise wird jedoch proportional zum Volumenstrom der gleiche Zeitraum für die Zudosierung gewählt. Die zudosierte hydrolysierbare Silizium- Verbindungsmenge bzw. die zudosierte Säuremenge ist pro Zeiteinheit vorzugsweise konstant. Diese Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise unter quasi-isothermen Bedingungen durchge- - - führt. Vorzugsweise wird die hydrolysierbare Silizium- Verbindung bzw. die Säure über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 30 Minuten und noch bevorzugter von mindestens 1 Stunde zudosiert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kieselsol-Materials, bei dem eine hydrolysierbare Silizium-Verbindung zu einer sich in einem Lösungsmittel befindlichen Säure zudosiert wird. Diese im nachfolgenden auch als„inverse Dosierung" bezeichnete kontrollierte Zusammenführung führt überraschenderweise zu einem neuartigem Sol, welches reproduzierbar ist und kontrolliert hergestellt werden kann, dessen physikalische Eigenschaften sich jedoch von denen im Stand der Technik beschriebenen physikalischen Eigenschaften unterscheidet. Das durch die inverse Dosierung erhaltene Sol kann zu einer Faser versponnen werden und ist auch biologisch degradier- und/oder resorbierbar. Dieses Sol weist im Vergleich zu denen im Stand der Technik beschriebenen eine niedrigere Viskosität bei gleichem Verlustfaktor auf.
Der Verlustfaktor ist der Quotient aus viskosem zu elastischem Anteil der dynamischen Viskosität. Ein zu niedriger Verlustfaktor bedeutet eine zu hohe Elastizität des Materials, die z.B. der Ausbil- dung eines stabilen Fadens bei der Verspinnung entgegensteht (Vergelung, Reißen des Fadens). Bei zu hohem Verlustfaktor ist das Material so fließfähig, dass eine stabile Fadenbildung nicht möglich ist (Tropfenbildung).
Daher ist der Verlustfaktor ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der Güte des Kieselsol- Materials im Hinblick auf seine weitere Verwendung (weitere Details hierzu siehe unten). Ist die Viskosität bei gleichem Verlustfaktor geringer wie im Fall des Kieselsol-Materials, das aus der in- versen Zugabe resultiert, so lässt sich ein solches Material leichter verarbeiten und ist dementsprechend vorteilhaft.
Bei der inversen Dosierung wird die hydrolysierbare Silizium-Verbindung vorzugsweise vorab nicht oder nur in einem geringen Teil eines Lösungsmittels, vorzugsweise 0 bis 5 %, aufgelöst. Insgesamt ändert sich die Lösungsmittelmenge damit vorzugsweise nicht. Es befindet sich jedoch zu Beginn der Reaktion kein oder anteilig weniger Lösungsmittel in dem Reaktionsgefäß zu dem die Silizium- Verbindung bzw. die Mischung aus einem Teil des Lösungsmittels und der hydrolysierbaren Silizium-Verbindung kontrolliert zudosiert werden. Auch die inverse Dosierung wird vorzugsweise unter quasi-isothermen Bedingungen durchgeführt. Vorzugsweise ist die zudosierte Menge an hydrolysier- barer Silizium- Verbindung pro Zeiteinheit konstant oder annähernd konstant. Vorzugsweise wird die hydrolysierbare Silizium- Verbindung über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 30 Minuten und noch bevorzugter von mindestens 1 Stunde zudosiert. Überraschenderweise wurde bei der inversen Dosierung im Vergleich zu den anderen im Stand der Technik und den . - bisher beschriebenen Ausfuhrungsformen auch festgestellt, dass sich die Reaktion insgesamt beschleunigt. Bei einer Temperatur von 37 °C und ansonsten gleichen Bedingungen dauert die Reaktion anstatt 18 bei den anderen kontrollierten Zudosierungsmethoden insgesamt nur 4 Stunden. Auch bei der inversen Dosierung beschleunigt sich die Reaktion ebenfalls bei höherer Temperatur. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung richtet sich auf ein Kieselsol-Material, hergestellt durch eine kontrollierte Zudosierung von einer hydrolysierbaren Siliziumverbindung zu einer sich in einem Lösungsmittel befindlichen Säure, nachfolgendem Eindampfen zu einer einphasigen Lösung mit einer Viskosität im Bereich von 0,5 bis 1,5 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, und Reifung dieser einphasigen Lösung zu einem Kieselsol-Material mit einer Viskosität von 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C , einem Verlustfaktor von 3.
Nach der Zusammenführung der Komponenten in Schritt (a) und vor dem Eindampfen in Schritt (b) wird die Reaktionsmischung vorzugsweise noch einige Zeit gerührt, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht eingestellt hat.
Die Dauer der Reaktion hängt von der gewählten Temperatur und dem Zeitraum der kontrollierten Zudosierung ab. Beispielsweise dauert die Reaktion, bei einer Temperatur von 55 °C und einer kontrollierten Zudosierung von der Säure zu der sich im Lösungsmittel befindlichen hydrolysierbaren Silizium- Verbindung über einen Zeitraum von einer Stunde, im Labormaßstab insgesamt etwa 5 Stunden. Bei einer Temperatur von 37 °C und ansonsten gleichen Bedingungen dauert die Reaktion 18 Stunden. Die Hydrolyse-Kondensation wird vorzugsweise drucklos (d.h. ohne Überdruck bei etwa 101325 Pa) bevorzugt bei einer Temperatur von 0 °C bis 78 °C durchgeführt. Durch entsprechende Druckregulierung ist auch die Durchführung der Reaktion bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von Ethanol (d.h. 78 °C) möglich.
Das Reaktiveindampfen in Schritt (b) zum Erhalt einer einphasigen Lösung wird wie im Stand der Technik beschrieben bis zu einer dynamischen Viskosität ( η ) des Gemisches auf 0,5 bis 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, vorzugsweise 0,5 bis 2 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, besonders bevorzugt 1 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s-' bei 4 °C, durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Schritt (b) in einem geschlossenen Apparat, in dem eine Durchmischung möglich ist und bei dem gleichzeitig auch das Lösungsmittel (d.h. z.B. Wasser, Ethanol) verdampft werden kann, durchgeführt. Vorzugsweise wird die Sumpftemperatur durch Druckregulierung (zeitlich variable Anpassung zwischen vorzugsweise 500 bis 120 mbar) konstant (d.h. ± 5 °C, vorzugsweise von ± 2 °C) gehalten, so dass kontinuierlich Lösungsmittel unter . . leichtem Sieden aus dem Ansatz bis zu der oben genannten Viskosität entfernt wird. Die Reaktionstemperatur kann so wie im Stand der Technik beschrieben gewählt werden, d.h. vorzugsweise zwischen 30 °C bis 78 °C, und besonders bevorzugt zwischen 60 °C und 75 °C. Vorzugsweise wird Schritt (b) unter schonender Durchmischung des Reaktionssystems durchgeführt. Die aus der Schritt (b) resultierende einphasige Lösung wird in Schritt (c) einer Reifung unterzogen. Im Gegensatz zum Stand der Technik (WO2008/148384A1 S. 9 Z. 31) wird die einphasige Lösung bei diesem Reifungsprozess vorzugsweise gerührt. Eine Durchmischung des Systems durch Rühren hat zur Folge, dass die Reifung geringfügig beschleunigt wird. Darüber hinaus führt die Durchmischung der einphasigen Lösung zu einem Abbau von Temperaturgradienten, was wiederum eine bessere Temperaturkontrolle und damit eine einfachere Skalierbarkeit des Prozesses bewirkt. Es wird vorzugsweise ein Rührer verwendet, der keine Blasen in der einphasigen Lösung verursacht. Dabei haben sich solche, die auf dem Prinzip einer Wendel basieren, als besonders geeignet erwiesen. Auch die Drehzahl der Rührers wird so gewählt, dass keine Blasen in der einphasigen Lösung entstehen können. Es haben sich Drehzahlen von 4 bis 50 U/min, besonders von kleiner 25 U/min, ganz beson- ders solche die kleiner als 10 U/min sind, als sinnvoll erwiesen.
Durch die Durchmischung der einphasigen Lösung bei der Reifung ist es nun möglich, pharmazeutische Wirkstoffe homogen in das Sol einzubringen. Insbesondere die Einbringung von temperatursensitiven Wirkstoffen eignet sich dafür, da der Schritt des Reaktiveindampfens (verbunden mit den höheren Reaktionstemperaturen, die für das Eindampfen erforderlich sind) bereits abgeschlossen ist. Im Sinne der Erfindung sind„Wirkstoffe" als Substanzen definiert, die in geringer Dosis in einem Organismus eine spezifische Wirkung, eine Reaktion, hervorrufen. Bevorzugt wird als Wirkstoff ein Arzneistoff eingesetzt, besonders bevorzugt ein temperatursensitiver Arzneistoff, d.h. ein Wirkstoff der zu therapeutischen Zwecken am Menschen oder am tierischen Körper angewendet wird. Temperatursensitive Wirkstoffe bzw. Arzneistoffe sind solche, deren Abbau bei Temperaturen von unter 8 °C vorzugsweise von unter 2 °C deutlich beschleunigt ist.
Eine wichtige Einflussgröße bei der Reifung (Schritt (c)) ist die Temperatur. Prinzipiell kann die Reifung bei Temperaturen von bis zu -80 °C bis 78 °C und unter Regulierung des Drucks auch darüber, durchgeführt werden. Bei allen Temperaturen kann ein gemäß dem Stand der Technik bekanntes Sol hergestellt werden. Es hat sich jedoch als besonders günstig erwiesen, wenn die Reifung bei Temperaturen von 25 °C bis 35 °C durchgeführt wird. Zum einen wird die Herstelldauer bei diesen Temperaturen deutlich verkürzt (von 2 - 3 Wochen bei der Durchführung der Reifung bei 4 °C im Vergleich zu 2 Tagen bei der Durchführung der Reaktion bei 31 °C). Zum anderen sollte die Reifung idealerweise eine Temperatur von 45 °C nicht überschreiten, da ansonsten der Abbruch der Reifung - - bei den unten genannten Zielwerten für Viskosität und Verlustfaktor nicht gewährleistet werden kann, die Reaktion noch weiter läuft und ein Material erhalten wird, welches nicht erwünscht ist, d.h. nicht mehr biodegradierbar ist bzw. den Gelpunkt überschreitet und nicht mehr verspinnbar ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist das in Schritt (c) erhaltene Kieselsol-Material eine Viskosität zwischen 30 und 100 Pa · s (Scherrate 10 s"1 bei 4 °C) vorzugsweise von 35 bis 70 Pa · s (Scherrate 10 s"1 bei 4 °C) mit einem Verlustfaktor (bei 4 °C, Scherrate 10 s"1, 1 % Deformation) von 2 bis 5 bevorzugt von 2,5 bis 3,5 und besonders bevorzugt von 2,8 bis 3,2. Diese Bedingungen für die Reifung sind insbesondere bevorzugt, wenn das Kieselsol-Material danach zu einer Faser versponnen werden soll. Für Pulver und Monolithe sind Viskositäten von ab 60 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C bevorzugt.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kieselsol-Material kann zu einer Faser, einem Vlies, einem Pulver, Monolith und/oder einer Beschichtung weiterverarbeitet werden. Die Weiterverarbeitung ist dem Fachmann bekannt.
Spinnprozesse solcher Kieselsol-Materialien zu Fasern bzw. Vliesen sind beispielsweise in der DE 196 09 551 Cl und DE 10 2004 063 599 AI beschrieben worden. Die Herstellung von Pulver, Monolith und/oder einer Beschichtung ausgehend von dem erfindungsgemäßen Kieselsol-Material ist beispielsweise in der WO2008/086970A1, WO2008/148384A1 und der WO2009/077104 beschrieben worden.
Vorzugsweise werden alle Herstellschritte (a) bis (c) in ein und demselben Reaktionsgefäß durchge- führt. Vorzugsweise werden alle Herstellschritte (a) bis (c) unter mäßigem Rühren durchgeführt. Das Reaktionsgefäß ist vorzugsweise ein Rührkessel, der folgende Merkmale umfasst: 1) Er ist verschließbar und druckbeständig bis mindestens 10 bar und mindestens zwischen -20 °C und 80 °C temperierbar. Der Druck und die Temperatur werden erfasst, angezeigt und können geregelt werden. 2) Er verfügt über einen Zugang zur Dosierung der jeweiligen flüssigen Komponenten, ein Bodenab- lassventil zur Entnahme des Produktes und einen Gaszugang zur Druckaufgabe bzw. um einen Teil des gasförmigen Alkohols und der wässrigen Säure destillativ aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen.
Es ist denkbar, das Reaktionsgefäß mit Sonden zur Messung der Viskosität des Reaktionsgemisches ausstatten. Weitere Sonden, wie IR- oder Raman-Sonde können zur Verfolgung der Konzentrationen von Reaktionskomponenten eingesetzt werden.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die einzelnen Reaktionsschritte (a) bis (c) einer einfachen Arrhenius-Gleichung gehorchen. Der präexponentielle Faktor und die Aktivierungsenergie kön- - - nen nach den dem Fachmann bekannten Methoden empirisch ermittelt werden. Damit ist es möglich, entweder für eine vorgegebene Reaktionstemperatur die Zeit vorauszusagen, wann die Reaktion beendet sein wird oder für eine vorgegebene Reaktionszeit die benötigte Reaktionstemperatur zu bestimmen. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Vorhersageverfahren, die nur eine sehr ungenaue Vorhersage erlauben (Vorhersage innerhalb eines Bereichs von ± 2 Tagen), ist es mit dem vorliegenden Verfahren möglich, das Ende der Herstellung des spezifizierten Kieselsol-Materials in einem Bereich von ± 2 Stunden vorhersagen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren überwindet die Nachteile des Standes der Technik. Durch die kon- trollierte Zusammenführung der Edukte wird der Herstellprozess insgesamt besser kontrollierbar. Die Reproduzierbarkeit wird erhöht und der Herstellprozess wird skalierbar. Weitere Verbesserungen ergeben sich durch die zusätzliche Maßnahme des Rühren der einphasigen Lösung beim Reifungsschritt (c) vorzugsweise bei einer Temperatur von 25 °C bis 35 °C. Die Durchführung der Reifung bei den beschriebenen bevorzugten Temperaturen bewirkt insbesondere auch eine erhebliche Beschleunigung des gesamten Herstellprozesses ohne Abstriche bei den erforderlichen Produkteigenschaften des Kieselsol-Materials hinnehmen zu müssen. Durch die erfindungsgemäß beschriebenen Einflussgrößen konnte die Synthesezeit insgesamt um nahezu 90 % reduziert werden. Ein Prognose- Verfahren ermöglicht es nun auch, unter anderem auf Grund des verbesserten Herstellungsverfahrens, das Ende des Kieselsol-Material-Herstellprozesses zu Beginn der Herstellung innerhalb eines Bereichs von ± 2 Stunden vorhersagen zu können.
Die Erfindung wird nachstehend durch Beispiele näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
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Beispiele
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Synthesekessels und seiner unmittelbaren Peripherie zur Produktion von verspinnbarem und biodegradierbarem Kieselsol-Material.
1. Ausfuhrungsbeispiel Als Edukte für die Hydrolyse-Kondensation wurden 5,4 mol TEOS (Tetraethoxysiloxan) in Ethanol 6,8 mol in einem geschlossenem Reaktionsgefäß vorgelegt. 9,6 mol Wasser in Form einer 0,006 N HN03-Lösung wurden vorab gemischt und dann dem Ethanol/TEOS Gemisch über einen Zeitraum von 1 Stunde bei gleichbleibender Temperatur (Isothermenfahrweise) von 37 °C kontrolliert zudosiert. Die Reaktionslösung wird 17 Stunden bis zum Erreichen einer Ethanolkonzentration von etwa 68 Gew.% nachgerührt. Danach wurde die einphasige Lösung bei einer konstanten Sumpftemperatur von 62 °C und einem Druck zwischen 500 bis 120 mbar sukzessiv bis zu einer Viskosität von 1 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C eingedampft. Die Reifung des Kieselsol-Materials erfolgte unter Rühren bei einer Temperatur von 28.1 °C bis zu einer Viskosität von 55 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C und einem Verlustfaktor von 3. 2. Ausführungsbeispiel
Ethanol (2,6 mol; 100 %) wurde in einem geschlossenem Reaktionsgefäß vorgelegt. Das restliche Ethanol (4,2 mol; 100 %) wurde zusammen mit 5,4 mol TEOS über einen Zugang dem Ethanol im Reaktionsgefäß über einen Zeitraum von einer Stunde kontrolliert zudosiert. Gleichzeitig wurden über einen anderen Zugang zum Reaktionsgefäß 9,6 mol Wasser in Form einer 0,006 N HN03-Lösung über einen Zeitraum von einer Stunde zudosiert. Die Reaktion wurde so durchgeführt, dass die Sumpftemperatur im Reaktionsgefäß während der ganzen Reaktion 37 °C beträgt (Isothermenfahrweise). Die weiteren Verfahrensschritte wurden so wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, mit Ausnahme der Reifetemperatur, durchgeführt. Die Reifetemperatur betrug 4 °C.
3. Ausführungsbeispiel Ethanol (6,8 mol; 100 %) wurde zusammen mit 9,6 mol Wasser in Form einer 0,006 N HN03-Lösung in einem geschlossenem Reaktionsgefäß vorgelegt. 5,4 mol TEOS (Tetraethoxysiloxan) wurden dem sich im Reaktionsgefäß befindlichen Gemisch kontrolliert über einen Zeitraum von einer Stunde hinzudosiert. Die Reaktion wurde so durchgeführt, dass die Sumpftemperatur im Reaktionsgefäß während der ganzen Reaktion 37 °C betrug (Isothermenfahrweise). Die weiteren Verfah- rensschritte wurden so wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt. Die Reifung des - -
Kieselsol-Materials erfolgte unter Rühren bei einer Temperatur von 7 °C bis zu einer Viskosität von 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C und einem Verlustfaktor von 3,1.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kieselsol-Materials durch
(a) kontrolliertes Zusammenführen einer wässrigen Säure-Lösung und einer hydrolysierba- ren Silizium- Verbindung, (b) nachfolgendes Eindampfen zu einer einphasigen Lösung mit einer Viskosität im Bereich von 0,5 bis 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, und
(c) Reifen der in Schritt (b) erhaltenen einphasigen Lösung zu einem Kieselsol-Material mit einer Viskosität zwischen 30 und 100 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C und einem Verlustfaktor von 2 bis 5.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontrollierte Zudosierung in Schritt a) über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) unter isothermen Bedingungen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sumpf- temperatur bei Schritt b) durch Druckregulierung konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifung bei Schritt c) unter Rühren der einphasigen Lösung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reifung in Schritt c) bei einer Temperatur von -25 °C bis 78 °C unter einem Normaldruck von 1 atm bzw. auch bei Temperaturen > 78 °C bei Überdruck durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) bis Schritt c) in demselben Reaktionsgefäß durchgeführt wird.
8. Kieselsol-Material, hergestellt durch eine kontrollierte Zudosierung von einer hydrolysierba- ren Siliziumverbindung zu einer sich in einem Lösungsmittel befindlichen Säure, nachfol- gendem Eindampfen zu einer einphasigen Lösung mit einer Viskosität im Bereich von 0,5 bis
2 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C, und Reifung dieser einphasigen Lösung zu einem Kieselsol-Material mit einer Viskosität von 30 Pa · s bei einer Scherrate von 10 s"1 bei 4 °C und einem Verlustfaktor von 3,1.
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