WO2021093961A1 - Modified precipitated silicic acid with reduced moisture content - Google Patents

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WO2021093961A1
WO2021093961A1 PCT/EP2019/081376 EP2019081376W WO2021093961A1 WO 2021093961 A1 WO2021093961 A1 WO 2021093961A1 EP 2019081376 W EP2019081376 W EP 2019081376W WO 2021093961 A1 WO2021093961 A1 WO 2021093961A1
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WO
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precipitated silica
weight
modified precipitated
drying
modified
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Application number
PCT/EP2019/081376
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German (de)
French (fr)
Inventor
Torsten Gottschalk-Gaudig
Sebastian KRÖNER
Original Assignee
Wacker Chemie Ag
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Publication date
Application filed by Wacker Chemie Ag filed Critical Wacker Chemie Ag
Priority to PCT/EP2019/081376 priority Critical patent/WO2021093961A1/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/113Silicon oxides; Hydrates thereof
    • C01B33/12Silica; Hydrates thereof, e.g. lepidoic silicic acid
    • C01B33/18Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B33/113Silicon oxides; Hydrates thereof
    • C01B33/12Silica; Hydrates thereof, e.g. lepidoic silicic acid
    • C01B33/18Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof
    • C01B33/187Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof by acidic treatment of silicates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area

Definitions

  • the invention relates to a modified one
  • Precipitated silicas are oxides of silicon (SiO 2 ) that are produced on an industrial scale using precipitation processes and are used in a wide range of applications. Due to their structural properties and the associated reinforcing effect, they represent an elementary component of both organic rubbers, e.g. for use in tires, and in silicone rubbers or other polymeric materials. Depending on the necessary crosslinking temperature, a distinction is made between cold and room temperature ( RTV) and hot or high temperature curing (HTV)
  • Free-flow additives or anti-blocking agents act as additives in powdery or granular materials to prevent the formation of lumps and thus enable easy packaging, transport and use.
  • WO 2018/019373 A1 discloses a method for producing a modified precipitated silica, which is characterized by an in-situ modification of the silica.
  • WO 2019/161912 A1 discloses a modified one
  • Precipitated silica with little to no coarse fraction and good redispersibility. This is achieved by combining a homogeneous in-situ modification of the silica together with high-performance liquid grinding.
  • WO 2019/129607 A1 discloses a precipitated silica modified by alkyl groups for use as a filler and a method for its production.
  • the precipitated silicas produced by known methods have a very high moisture content of 5 percent by weight (% by weight) or more.
  • Even commercial hydrophobic precipitated silicas such as SIPERNAT ® D17 (Evonik), still have a moisture content of 3 wt .-% or more.
  • a low moisture content is of particular importance for a large number of applications.
  • Precipitated silicas however, as a result of their production process, have a high proportion of moisture, especially in the form of adsorbed water. This water is problematic for many applications. During the extrusion of moldings, this water evaporates, for example, and leads to Bubbles in the extrudate. The quality of the corresponding moldings is impaired.
  • the precipitated silicas produced by known methods also have a high water absorption capacity on storage, in particular under the conditions of high atmospheric humidity.
  • a commercial hydrophilic precipitated silica SIPERNAT ® 288 (EVONIK) absorbs 9.6% by weight of water over 48 hours at 94% relative humidity, and even a commercial hydrophobic precipitated silica such as SIPERNAT ® D17 (Evonik) under the same conditions still 3 , 5% by weight of water.
  • This object is achieved by a modified precipitated silica which has a moisture content of 2.5% by weight or less, and a method that is achieved by a combination a homogeneous in-situ modification of the silica together with dynamic drying.
  • the invention relates to a modified precipitated silica, characterized in that it has a moisture content of 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica.
  • Another aspect of the invention relates to a process for the production of the modified precipitated silica mentioned above, wherein i) the modification in a reaction mixture comprising
  • one or more organosiliconates takes place as modifiers, the modification reaction taking place during or immediately after the preparation reaction of the precipitated silica, ii) the solid phase of the reaction mixture is then separated from the liquid phase, the solid phase being optionally washed, and iii) the solid phase is dynamically dried.
  • modified precipitated silica according to the invention is preferably produced by the process according to the invention, the following description is to be understood in such a way that features described in the context of the precipitated silica are disclosed equally for the process and vice versa Features described in the process are also disclosed for the precipitated silica.
  • the modified precipitated silica according to the invention is distinguished by a low moisture content.
  • the moisture content of the modified precipitated silica according to the invention is 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica.
  • the moisture content is particularly preferably 2.0% by weight or less, particularly preferably 1.8% by weight or less, very particularly preferably between 0.5 to 1.8% by weight.
  • the moisture content can be determined using a drying balance, with 1 g of the modified precipitated silica being dried to constant weight at 105 ° C.
  • the moisture content results as follows:
  • Moisture content 100% * (initial weight of the sample - final weight of the sample) / initial weight of the sample.
  • the modified precipitated silica according to the invention is preferably distinguished by low water absorption during storage.
  • the modified silica according to the invention preferably has a maximum water absorption in the range of less than or equal to 2.75% by weight, preferably from less than or equal to 2.5% by weight to greater than or equal to 0.5% by weight and particularly preferably of less than or equal to 2.25% by weight to greater than or equal to 0.5% by weight, in each case based on the total mass of the modified precipitated silica.
  • the maximum water absorption can be determined using an analytical balance with underfloor weighing and a hygrostat, whereby 500 mg of the modified precipitated silica is first pre-dried at 105 ° C for 2 h (pre-dried state) and then at a temperature of 22 ° C and a relative humidity of 94% is stored for 48 h.
  • the modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that its specific BET surface area is preferably 50 m 2 / g to 400 m 2 / g, particularly preferably 100 m 2 / g to 300 m 2 / g and particularly preferably 150 m 2 / g to 250 m 2 / g.
  • the specific surface can be determined by the BET method according to DIN 9277/66131 and 9277/66132.
  • the modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that its carbon content is preferably 0.1% by weight or more, particularly preferably 0.5% by weight or more to 15% by weight or less, very particularly preferably 1, 0% by weight or more to 10% by weight or less, based in each case on the total mass of the modified precipitated silica.
  • the carbon content is essentially based on the modification of the precipitated silica with organic residues.
  • the carbon content can be determined by means of elemental analysis, ie in a combustion analysis in a suitable analyzer.
  • the modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that the conductivity of its 5% methanolic-aqueous dispersion is preferably at most 500 S / cm, particularly preferably at most 100 S / cm and particularly preferably at most 25 S / cm.
  • the conductivity of a corresponding sample can be determined in a methanol / water mixture.
  • a small amount of sample (5 g of the precipitated silica modified according to the invention) is mixed with 10 g of methanol and only then is diluted with 85 g of deionized water.
  • the batch is alternately mixed well and left to stand for a long time.
  • the conductivity can be measured with any conductivity meter. It is determined for a reference temperature of 20 ° C. Determining the conductivity of a sample is also a very sensitive method for quantifying soluble impurities.
  • the modified precipitated silica is preferably distinguished by a homogeneous surface modification.
  • a homogeneous surface modification has proven to be particularly advantageous for achieving a low moisture content and a low water absorption capacity of the precipitated silica. Without being bound by theory, it is assumed that the high-energy surface areas present in the case of an inhomogeneous modification of the silica preferentially interact with and adsorb polar water molecules.
  • a wetting test in combination with a distribution test between an aqueous and an organic one has proven useful Phase proven.
  • the modified precipitated silica is hydrophilic. If this modified precipitated silica does not cloud the organic phase at the same time in a system consisting of a water and an organic phase, which can be butanol, for example, the modified precipitated silica, which is assessed as hydrophilic, is also lipophobic. In this case there is a homogeneous surface modification.
  • a homogeneous surface modification is also present if a modified precipitated silica is not wetted after intensive mixing with water, i.e. floats on the water phase and forms a separate phase, i.e. is hydrophobic, but at the same time the organic phase in a system consisting of a water and an organic phase Phase is cloudy, i.e. lipophilic.
  • a homogeneous surface modification is also present if a modified precipitated silica is not wetted after intensive mixing with water, i.e. floats on the water phase and forms a separate phase, i.e. is hydrophobic, but at the same time in a system of a water and an organic phase of both Phases is not wetted and forms a third phase rich in solids.
  • An inhomogeneous surface modification occurs when a modified precipitated silica is wetted with water after intensive mixing, that is, sinks into the water phase and makes it cloudy, that is, it is hydrophilic, but at the same time in a system from a water and an organic phase, the organic phase is cloudy, i.e. it is lipophilic.
  • a more precise assessment of the homogeneity of the boundary layer is possible with the help of inverse gas chromatography in finite dilution (IGC-FC).
  • IIC-FC inverse gas chromatography in finite dilution
  • This method allows the determination of the energetic homogeneity of a surface via the adsorption energy distribution function (AEDF).
  • AEDF adsorption energy distribution function
  • the AEDF is a graphical representation of the energy distribution of a surface. For the silicas modified according to the invention, 3 peaks were found in the distribution function.
  • a homogeneous surface modification is preferably characterized in that the relative area fraction F (P3) of the peak P3, which is in the range of approx. 28-32 kJ / mol of the AEDF of the modified precipitated silica determined by means of IGC-FC, is less than 0.2, in particular is preferably less than 0.15 and particularly preferably less than 0.1.
  • Precipitated silicas are produced by methods known to the person skilled in the art, as described, for example, in US Pat. No. 2,657,149, US Pat. No. 2,940,830 and US Pat. No. 4,681,750, from condensable tetra- or higher-functional silanes, alkoxysilanes, alkyl or alkali silicates (water glasses) or colloidal silica particles or solutions.
  • a great advantage of precipitated silicas is that, in contrast to the much more expensive pyrogenic silicas, they represent a cost-effective product.
  • the reaction mixture according to the invention comprises
  • Precipitated silicas and / or [SiO 4/2 ] starting materials are used in the reaction mixture, with alkoxysilanes and / or alkali metal silicates being used as [SiO 4/2] starting materials.
  • alkoxysilanes are used as [S1O4 / 2] starting materials.
  • alkali metal silicates are used as [SiO 4/2 ] starting materials.
  • the modification is preferably carried out comprehensively in a reaction mixture
  • [SiO 4/2 ] units denote compounds in which one silicon atom is bonded to four oxygen atoms, each of which in turn has a free electron for a further bond. Units with Si-O-Si bonds connected via the oxygen atom can be present. In the simplest case, the free oxygen atoms are bound to hydrogen or carbon or the compounds are present as salts, preferably alkali salts. According to the invention, alkoxysilanes or alkali silicates (water glasses) are used as starting material (precursor) for the formation of [SiO 4/2 ] units ([SiO 4/2] starting material). In the context of this invention, the [SiO 4/2 ] units denote the precipitated silica; Alkoxysilanes or alkali silicates serve as [S1O4 / 2] starting materials for their production.
  • the first reaction step involves the formation of soluble and low molecular weight silicas.
  • soluble and low molecular weight silicas For the sake of simplicity, only monomeric structures are described in the following reaction equations, although soluble oligomeric structures can also be involved.
  • alkoxysilanes are used as the starting material for the production of precipitated silicas, the hydrolysis in water can be catalyzed by acids or bases:
  • the hydrolysis is preferably carried out in aqueous solutions of mineral or organic acids, particularly preferably in aqueous sulfuric acid solution, hydrochloric acid solution or carbonic acid.
  • the alkoxysilanes used are preferably tetramethoxysilane and particularly preferably tetraethylorthosilicate (TEOS).
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • Water glasses are particularly preferably used as the [SiO 4/2 ] starting materials.
  • Water glass is the term used to denote solidified, glass-like, i.e. amorphous, water-soluble sodium, potassium and lithium silicates or their aqueous solutions.
  • acid particularly preferably in aqueous sulfuric acid solution, hydrochloric acid solution or carbonic acid, low molecular weight soluble silicas are also formed here:
  • the orthosilicic acid Si (OH) 4 or oligomeric compounds formed in this way react under suitable reaction conditions with condensation and form particulate solids which are essentially composed of SiO 4/2 units: z Si (OH) 4 ⁇ SiO 4z / 2 + 2n H 2 0 where z is any positive number.
  • the condensation is favored in an acidic or especially in an alkaline environment.
  • Mineral acids, organic acids and / or carbon dioxide can be used as the acid.
  • electrolytes and / or alcohols can be added to the reaction mixture.
  • the electrolyte can be a soluble inorganic or organic salt.
  • Preferred alcohols include including methanol, ethanol or i-propanol.
  • only electrolytes and / or alcohols are added to the reaction mixture as further substances in addition to water, alkali silicate, acid and organosiliconate, particularly preferably only electrolytes and particularly preferably no further substances are added to the reaction mixture.
  • the reaction mixture preferably contains water, alkali silicate, acid and organosiliconate, particularly preferably water, alkali silicate, acid and methylsiliconate, particularly preferably water, sodium silicate (sodium water glass), sulfuric acid and sodium monomethylsiliconate.
  • This composition has the advantage that, in addition to the product, only the salt sodium sulfate is obtained as a by-product. This readily water-soluble salt can be separated from the product relatively easily, using separation methods such as filtration, sedimentation and / or centrifugation.
  • the temperature of the reaction mixture is preferably between 50.degree. C. and 105.degree. C., particularly preferably between 75.degree. C. and 95.degree. C. and particularly preferably between 85.degree. C. and 95.degree. In a particularly preferred embodiment, the reaction temperature is kept constant in the further process.
  • the pH is kept constant during the further process.
  • further acid particularly preferably sulfuric acid or hydrochloric acid and particularly preferably concentrated sulfuric acid, is preferably added to the reaction mixture in order to counteract the alkalinity of the waterglass that may have been added.
  • the starting materials such as acid, [SiO 4/2 ] starting materials, modifiers and any other substances are preferably metered in at a constant metering rate.
  • Constant dosing speed means that it changes in the course of the dosing time preferably by a maximum of 15%, particularly preferably by a maximum of 5% and particularly preferably by a maximum of 1% based on the average speed, which is calculated as the quotient of the total dosing amount and time.
  • the metering takes place preferably over a period of 30 minutes to 120 minutes, particularly preferably over a period of 45 minutes to 90 minutes and particularly preferably over a period of 60 minutes to 70 minutes.
  • the total amount of [SiO 4/2 ] starting materials metered in is preferably chosen so that the solids content, calculated as the mass of [SiO 4/2 ] units, is 20% by weight, particularly preferably 10% by weight, based on the total mass of the starting materials does not exceed. Most preferably, the solid content is calculated as mass [Si0 4/2] units between 4 wt .-% and 8 wt. ⁇ %, Based on the total mass of the reaction mixture. The mass of the starting materials is determined gravimetrically.
  • the reactants are mixed by simply stirring. Easily dispersible silica fillers with particularly uniform particle size, specific surface area and "structure" can also be produced by reacting alkali silicate solutions with acids and / or acidic substances, optionally in the presence of neutral salts produce that the precipitation of the silica by rapid and intensive mixing of the reaction components under the action of high shear forces that of a steep
  • the high speed gradient is preferably generated by means of continuously operating dispersers, such as a colloid mill.
  • the reaction for producing a precipitated silica and its modification takes place in the same batch, the modification reaction taking place during or immediately after the reaction for producing the precipitated silica.
  • the modification takes place in the reaction mixture described above, which is used to produce the precipitated silica.
  • this process is also referred to as a one-pot process.
  • the one-pot process is a clear difference to the state of the art, which generally works with multi-stage, separate processes.
  • the modification reaction takes place during or immediately after the reaction for preparing the precipitated silica.
  • "directly” in this context means that the modification in the reaction mixture, which comprises 1. the acid and 2. the precipitated silica and / or [SiO 4/2 ] starting materials and 3. an organosiliconate as a modifier, takes place without prior notice the modification reaction, a process step for separating salts and / or other by-products is carried out.
  • the term “immediately” does not refer to immediate temporal, stirring or allowing to stand between the reaction steps is not excluded. According to the invention before the
  • Dispensing with a previous process step for separating salts and / or other by-products has the great advantage that energy costs, time and resources such as washing solution or washing water and solution or water for resuspension are saved. This procedure makes the use of further units superfluous. It is of particular economic interest since the method according to the invention saves time and thus reduces the system occupancy time.
  • the other by-products include alcohols, among others.
  • the unmodified precipitated silica reacts with a modifier.
  • the modifying agent is also referred to synonymously in the context of this invention with modifying agent, covering agent, covering agent, water repellent or silylating agent.
  • the modified precipitated silica of the present invention is also referred to synonymously with hydrophobized precipitated silica.
  • the degree of modification can be determined by the carbon content according to DIN ISO 10694. This is preferably 0.1% by weight to 15% by weight based on the total mass of the modified precipitated silica. Depending on the desired use of the modified precipitated silica, certain degrees of modification can be particularly preferred.
  • the carbon content is particularly preferably 0.5% by weight to 4% by weight and particularly preferably 1% by weight to 2% by weight, based on the total mass of the modified Precipitated silica.
  • it is particularly preferably 4% by weight to 10% by weight and particularly preferably 5% by weight to 7% by weight, based on the total mass of the modified precipitated silica.
  • the temperature of the reaction mixture during the modification is preferably furthermore between 50.degree. C. and 105.degree. C., particularly preferably between 75.degree. C. and 95.degree. C. and particularly preferably between 85.degree. C. and 95.degree.
  • the reaction temperature is particularly preferably kept constant during process step i, i.e. it fluctuates by a maximum of ⁇ 5 ° C, particularly preferably by a maximum of ⁇ 2 ° C.
  • the pH value is particularly preferably kept constant during process step i, i.e. it fluctuates by a maximum of 0.5 units, particularly preferably by a maximum of 0.2 units.
  • further acid particularly preferably sulfuric acid or hydrochloric acid and particularly preferably concentrated sulfuric acid, is preferably added to the reaction mixture in order to counteract the alkalinity of any siliconate added.
  • This process step preferably takes place with stirring.
  • This process step preferably takes place under the action of high shear forces, which originate from a steep gradient in speed.
  • the high speed gradient is preferably generated by means of continuously operating dispersants such as a colloid mill. This has the advantage that finely divided silica with good dispersing properties is obtained.
  • the modifying agent in preparation of the reaction mixture is preferably added in parallel with the [SiO 4/2] -Ausgangsstoffen and the acid to the reaction mixture. In this case, it is particularly preferred that the end point of dosing [4/2 SiO] -Ausgangsstoffe of the modifying agent is carried out together with the end point of the dosage of the. In another preferred embodiment, the end point of the metering of the modifying agent goes beyond the end point of the metering of the [SiO 4/2 ] starting materials.
  • the dosage of the [SiO 4/2 ] starting materials is gradually reduced, whereas that of the modifier is gradually increased during the overlap period, ie the joint dosage of [SiO 4/2] starting materials and modifying agents.
  • This procedure has the advantage that the modification reaction can be controlled by the controlled addition of the modifying agent. Following a theoretical model of thought on particle structure, the degree of modification in the core of the particles is lower and then increases.
  • the use of the compared to the modifier which is more costly to use with the [S1O4 / 2] starting materials, is particularly efficient in this case.
  • the modifying agent is added to the reaction mixture at different times. This means that acid and [SiO 4/2 ] starting materials are metered in in a targeted manner at a defined temperature and a defined pH value (preferred conditions see above) and the modifying agent is only then metered in sequentially, i.e. staggered in time. This means that the modifying agent is added to the reaction mixture only after the acid and [SiO 4/2] starting materials have been metered in completely.
  • the reaction to produce the precipitated silica and its modification take place in the same approach (one-pot process), but it is a two-step process.
  • the metering takes place preferably over a period of 5-120 min, preferably 5-90 min and particularly preferably 10-30 min.
  • the modifying agent can be added to the reaction mixture in one step or in several small portions, it being possible to add it in each case at a constant metering rate or at a metering rate which is gradually increased.
  • staggered in time refers to the response.
  • the modification reaction starts at a different time.
  • spatially offset in relation to the system design (see below).
  • the infeed in order to achieve a staggered addition, the infeed must be spatially offset. This procedure has the advantage that the addition of the modifier, and thus the modification reaction, takes place in a controlled manner.
  • the core of the produced particles can be formed from the cheaper alkali silicate by this procedure, while the outer part of the particles (shell) may be increasingly modified, that is, a chemically bound, by the Has modifying agent-transferring group.
  • the advantage of this process is that it is predominantly the particle surface that has a major impact on subsequent use reacts with the more cost-intensive modifier.
  • the modifying agents can be added to the reaction mixture in liquid form or as a dry powder.
  • the modifying agents can be added in pure form or as solutions in water or known technically used solvents, for example alcohols such as methanol, ethanol or i-propanol, ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran or dioxane, or hydrocarbons such as hexanes or toluene.
  • alcohols such as methanol, ethanol or i-propanol
  • ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran or dioxane
  • hydrocarbons such as hexanes or toluene.
  • a modifying agent is understood to mean organosiliconates and their solutions.
  • organosiliconates denote compounds of the general formula (I)
  • M is a metal atom selected from the group consisting of metals from the main and subgroups of the Periodic Table of the Elements, X is an anion, p is the oxidation number of the metal atom M, n is a integer from 1, 2 or 3 and y denotes an integer from 0, 1 or 2, and / or
  • R 2 in the compound of the general formula (I) has the meaning of a group of the general formula (H a) several times, for example more than once, then there are corresponding compounds which have two, three, four or more units with Si atoms wear. Therefore, in the event that R 2 more than once denotes a group of the general formula (H a), there are polysiloxanes.
  • organosiliconate has at least one Si-C bond, i.e. at least one residue must be organic in nature.
  • organosiliconates as modifiers are highly water-soluble and therefore particularly suitable for a homogeneous reaction in an aqueous medium.
  • Modifying agents typically used are poorly or not at all water-soluble. Some of them react violently with water and generate a lot of heat, which makes it much more difficult to conduct the reaction safely, uniformly and in a controlled manner (this applies, for example, to the chlorosilanes that are often used).
  • Organosiliconates can also be used according to the invention. Mixtures are preferably used when functional groups (for example vinyl, allyl, or sulfur-containing groups such as, for example, C 3 H 6 SH) are to be introduced.
  • a methyl siliconate, particularly preferably a monomethyl siliconate, is preferably used as the organosiliconate in the process according to the invention.
  • monomethylsiliconates are particularly advantageous beyond what has been said above, because monomethylsiliconates are simple and in good yield from the easily available and inexpensive substances methyltrichlorosilane,
  • Methyltrimethoxysilane or methylsilanetriol can be obtained by reaction with alkaline substances, if necessary in an aqueous medium.
  • the organosiliconate solution used preferably has a density of 1.2-1.4 g / cm 3.
  • the density can be determined in accordance with DIN 12791, for example.
  • the impurities in the organosiliconate solution in alcohols (eg ethanol or methanol) contained in the production process are preferably ⁇ 1% by weight, particularly preferably ⁇ 100 ppm, based on the total mass of the organosiliconate solution.
  • the alcoholic impurities can be determined by quantitative gas chromatography (for example with the 6890 gas chromatograph from Agilent equipped with an FID detector and OV-1 separation column).
  • the solids content of the aqueous organosiliconate solutions is preferably 20% by weight to 70% by weight, particularly preferably 30% by weight to 60% by weight, based on the total mass of the organosiliconate solution.
  • the solids content can be determined with an IR moisture analyzer (for example with the IR moisture analyzer MA 30 from Sartorius) at a measuring temperature of 105 ° C.
  • the active ingredient content calculated as (CH 3 ) SiO 3/2 in the reaction mixture is preferably 15% by weight to 40% by weight, particularly preferably 30% by weight to 35% by weight, based on the total mass of the reaction mixture.
  • the alkali metal content of the organosiliconate solution is preferably 5% by weight to 20% by weight, particularly preferably 9% by weight to 18% by weight, based on the total mass of the organosiliconate solution.
  • the alkali content can be determined, for example, by titration with 0.1 molar hydrochloric acid against the indicator phenolphthalein.
  • the number of groups with a basic reaction corresponds to the number of alkali metal ions.
  • the silicas according to the invention can be modified with only one organosiliconate, but a mixture of two or more compounds from the group of organosiliconates can also be used.
  • the total amount of modifier metered is preferably chosen so that the solids content calculated as [SiO 4/2 ] g [(CH 3 ) SiO 3/2 ] j (with g and j independently of one another as any positive number), ie the solids content of modified [SiO 4/2 ] units in the modified precipitated silica produced does not exceed 25% by weight, particularly preferably 15% by weight, based on the total mass of the reaction mixture.
  • the solids content, calculated as [SiO 4/2 ] m [(CH 3) SiO 3/2 ] n is between 5% by weight and 10% by weight based on the total mass of the reaction mixture.
  • the concentration of modified groups in the primary particles increases from the inside out.
  • reaction mixture is preferably cooled to a temperature of less than 55 ° C and particularly preferably to room temperature, preferably continuing to stir during cooling.
  • the solid phase of the reaction mixture is separated from the liquid phase, the solid phase being optionally washed.
  • This process step serves, among other things, to separate salts that would interfere with the later use of the modified precipitated silica.
  • the solid phase is preferably separated off from the liquid phase by filtering, sedimenting, pressing or centrifuging, particularly preferably by filtering.
  • Water, polar organic solvents or mixtures thereof can be used for washing; washing is preferably carried out with water, particularly preferably with fully demineralized, deionized (VE) water, which is characterized by that it has a conductivity of ⁇ 5 ⁇ S / cm, preferably of ⁇ 3 ⁇ S / cm and particularly preferably of ⁇ 0.1 ⁇ S / cm.
  • VE deionized
  • Washing can be done in several ways.
  • the solid separated by filtration is rinsed with fresh water until a sufficiently low (preferably constant) conductivity value of the wash water of ⁇ 500 ⁇ S / cm, preferably ⁇ 100 ⁇ S / cm, particularly preferably ⁇ 10 ⁇ S / cm is reached.
  • the flow through can take place continuously or in portions.
  • a particularly efficient form of washing is the redispersion of the filter cake in clean water followed by further filtration.
  • the conductivity of water can be measured with a commercially available conductivity meter.
  • An example of a conductivity meter that can be used is given in the analysis methods.
  • the separated solid phase ie for example the filter cake of the reaction mixture
  • the separated solid phase has a solids content of 50% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase, preferably 10% by weight or more to 35% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase, and particularly preferably 20% by weight or more to 30% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase.
  • the separated solid phase of the reaction mixture ie for example the filter cake, is dynamically dried in a further process step (iii).
  • Drying processes are generally differentiated according to the type of energy supply: contact dryers, in which the heat is introduced into the goods to be dried via a heated wall, and convection dryers, in which the heat is introduced into the goods to be dried via a warm to hot gas flow.
  • a convection dryer is preferably used in the method according to the invention.
  • Dynamic drying is understood to mean drying processes with movement of the items to be dried. Due to the high exposed mass transfer surface and the resulting more intensive heat transfer, these generally lead to significantly higher drying speeds than with static drying processes in which the material to be dried is dried without active movement (e.g. drying cabinet, tray dryer, belt dryer, drum dryer).
  • Typical dynamic drying devices are paddle dryers, flow dryers or fluidized bed dryers.
  • the drying can also take place continuously or in portions (batch drying).
  • the drying is preferably carried out continuously.
  • a further acceleration of the drying speed and the avoidance of lump formation in the items to be dried can be achieved by using increased mechanical loads on the items to be dried.
  • a dryer is preferably used which has elements for the mechanical loading of the material to be dried.
  • classifying elements with the return of relatively heavy (moist or agglomerated) particles can be integrated into the drying room.
  • classifying elements are air separators, ascending pipe separators, cyclones, swirl separators or also deflector wheel separators.
  • a dryer is preferably used which has classifying elements.
  • a dryer which contains elements for the mechanical loading of the material to be dried and classifying elements.
  • a convection dryer which contains elements for the mechanical loading of the material to be dried and classifying elements.
  • a flow pipe with a downstream cyclone dryer or a dryer with a spin flash dryer with a deflector wheel sifter is used in the method according to the invention.
  • the material to be dried is exposed to temperatures above the boiling point of the liquid to be removed, so that it can evaporate once the boiling point has been reached (depending on the process pressure). If dry drying gas is used convectively, drying below the boiling point of the liquid is also possible in principle, since the substance of the liquid is also transferred into the gas phase by evaporation.
  • the free liquid between the particles and on the particle surface of the material to be dried is drawn off.
  • the drying speed is mostly only influenced to a small extent by the particulate material to be dried and shows its maximum value in this phase.
  • the evaporation / evaporation is similar to that of the pure liquid.
  • the drying level in the pores drops and there are transport resistances for diffusive removal of the water vapor from the pores as well as conductive heat conduction relevant from the particle surface to the interior of the solid.
  • the drying speed decreases steadily with increasing dryness.
  • the last remaining quantities of the liquid e.g. water of crystallization
  • the last remaining quantities of the liquid can usually only be removed with very small amounts in the last drying step
  • Drying speeds are deducted, since both transport resistances increase and mass transfer forces are reduced.
  • a common measure for characterizing a drying process is the surface-specific drying speed, which is maximum in the second drying section described above and which decreases with increasing dryness of the items to be dried.
  • the surface-specific drying speed in batch drying processes is determined by: m Fl mass of evaporated liquid [kg]
  • a Surface of the dry material [m 2 ] A BET specific BET surface of the dry material [m 2 / kg] X o Moisture content at the beginning of drying [-] X t Moisture content at the end of drying [-]
  • V surface-specific drying speed [kg / (m 2 * s) j or [g / (m 2 * h)]
  • the masses are given by corresponding mass flows ([kg / h]) and the Replace the drying time with the mean residence time of the product in the drying area ([s]).
  • the surface-specific drying speed over the entire drying process is preferably
  • the drying temperature is preferably 70 ° C. or more to 200 ° C. or less, particularly preferably 90 ° C. or more to 170 ° C. or less, very particularly preferably 100 ° C. or more to 150 ° C. or less.
  • the drying temperature is understood to mean the hot gas temperature (supply air temperature to the dryer) and, in the case of contact drying, the temperature of the heating elements (for example, heating jacket, pipe coils, heating strips or similar).
  • the mean residence time (in the case of continuous drying) or drying time (in the case of batch drying) is preferably 5 s or more to 3,600 s or less, particularly preferably 10 s or more to 1,800 s or less.
  • the mean residence time is preferably 5 s or more to 600 s or less, particularly preferably 10 s or more to 300 s or less.
  • the mean residence time of the material to be dried in the continuous drying is calculated from the quotient of the dry matter mass hold-up in the dryer and the mass flow of dry product through the dryer.
  • the dry material can be ground after cleaning.
  • units such as pin mills, classifier mills, hammer mills, countercurrent mills, impact mills or devices for grinding classification can be used.
  • the silica is ground in the liquid phase before dynamic drying.
  • All mills in which the ground material is in a liquid phase can be used for this purpose.
  • Typical examples are horizontal or vertical ball mills and bead mills, in which grinding media are used to comminute the material to be ground.
  • these types of mills also have a large number of grinding media-grinding media and grinding media-apparatus wall impacts that can cause undesirable abrasion and wear and the associated product contamination.
  • dispersing units such as rotor-stator apparatus (colloid mill, toothed ring disperser), the crushing effect of which is essentially due to shear forces from the surrounding fluid, as well as high-pressure homogenizers, the dispersing effect of which can be attributed to stretching flow, shear flow, turbulence and possibly also cavitation is.
  • Roller mills such as roller mills or pan mills are particularly suitable for comminuting more viscous dispersions.
  • Impact or autogenous liquid mills liquid jet dispersers
  • dispersion jets containing the predispersed ground material are directed towards one another with high kinetic energy or are directed towards impact surfaces.
  • the comminution is based on particle-particle impacts, particle-wall impacts as well as turbulence and possibly cavitation of the surrounding fluid.
  • the individual process steps can be carried out as a discontinuous (batch process) or continuous process. For technical reasons, preference is given to carrying out the reaction batchwise. This procedure has the advantage that the systems are very simple and less prone to failure. Standard agitators can be used. From the nucleation of the particles to the finished product, there is a very well-defined, narrow distribution of the "growth time", an important prerequisite for the manufacture of homogeneous products.
  • the batch process water is provided and heated. Then the starting materials such as acid, [SiO 4/2 ] starting materials and, if necessary, other substances are metered in.
  • the modifying agent is metered in in parallel or at different times. After process step i) has taken place, the entire reaction mixture is removed, the solid phase is separated from the liquid phase, the solid phase optionally being washed, (ii), the solid phase being dynamically dried (iii) and optionally grinding.
  • the method steps take place in a continuous process.
  • the continuous process includes:
  • organosiliconates as modifiers in parallel with the starting materials from (a) or spatially offset with respect to the system (in order to achieve a time-delayed addition with respect to the reaction mixture) into the reaction zone;
  • a reactor for carrying out continuous chemical processes is a tube or tank reactor.
  • WO 2011/106289 describes, for example, the continuous production of silica in a loop reactor, which can also be used in this process.
  • a Taylor-Couette reactor as described, for example, in DE 10151777, is particularly preferably used. This usually consists of two coaxial concentrically arranged cylinders, the outer hollow cylinder resting and the inner solid cylinder rotating. The volume that is formed by the gap between the cylinders serves as the reaction space.
  • the Taylor number is 50-50,000, preferably 500-20,000, particularly preferably 3,000-10,000, and the Reynolds number (axial) 0.0724 to 7.24, preferably 0.1348-2.69, particularly preferably 0.4042-1.35.
  • the mean residence time in the Taylor reactor can be between 5 and 500 minutes.
  • the reactor is preferably operated in a vertical position with a flow from bottom to top or top to bottom.
  • the advantage of the process according to the invention in which the production and modification of the precipitated silica are carried out in one pot, is that the process is particularly inexpensive, quick and easy to use, as well as works in a way that conserves resources.
  • a particular advantage of the method is that compositions can be produced which have a high chemical purity.
  • non-volatile water-soluble impurities such as sodium, potassium and sulfur can easily be removed in process step (ii). It is particularly advantageous that a good separation of ionic impurities can be achieved even under normal washing conditions, ie with small amounts of the washing medium or in a few washing steps, which is expressed, for example, in a constant low conductivity of the washing medium.
  • Sulfuric acid was obtained in a concentration of 50% in technical purity from Brenntag.
  • the aqueous sodium silicate solution used was commercial water glass 38/40 from Wöllner with a density at 20 ° C according to the manufacturer's instructions of approx. 1.37 g / cm 3 .
  • the potassium methyl siliconate solution was aqueous
  • the fully demineralized (deionized) water (deionized water) used had a conductivity of ⁇ 0.1 ⁇ S / cm. Unless otherwise mentioned, the process steps up to the filtration and washing step are carried out with stirring. Analysis methods:
  • the specific surface was determined by the BET method according to DIN 9277/66131 and 9277/66132 using an SA TM 3100 analyzer from Beckmann-Coulter.
  • the elemental analysis for carbon was carried out in accordance with DIN ISO 10694 using a CS-530 elemental analyzer from Eitra GmbH (D-41469 Neuss).
  • IIC-FC finite dilution
  • the gas chromatograph was a common commercial device with an FID detector.
  • the sample was degassed for 16 h at 110 ° C. and a gas flow rate of 12 ml / min.
  • the subsequent measurement was carried out at 50 ° C. and a gas flow rate of 20 ml / min.
  • 1.5 to 3.0 ml isopropanol purity at least GC quality
  • the amount of sample injected had to be determined iteratively.
  • the aim was to have a maximum peak height at a relative pressure of 0.1 to 0.25. This could only be determined from the overall chromatogram.
  • methane was injected together with isopropanol.
  • the isotherm for determining the BET constant C BET was calculated according to Conder ("Physicochemical measurement by gas chromatography”. JR Conder and CL Young. Wiley (Chichester), 1979).
  • the adsorption energy distribution functions (AEDF) were determined according to Balard (H. Balard; "Estimation of the Surface Energetic Heterogeneity of a Solid by Inverse Gas Chromatography”; Langmuir, 13 (5), pp 1260-1269, 1997).
  • Software from Adscientis, "In-Pulse” ® and “FDRJ07.5.F” ® was used to calculate the isotherm and the physical parameters derived from it or the AEDF.
  • the distribution function was broken down into the individual peaks by means of peak deconvolution.
  • the raw data from the AEDF was read into the ORIGIN program and a deconvolution was carried out assuming a Gaussian distribution of the individual peaks.
  • the best fit was obtained assuming 3 peaks with peak positions of PI approx. 17-19 kJ / mol, P2 approx. 21-25 kJ / mol and P3 approx. 28-32 kJ / mol.
  • a (P3) / [A (P1) + A (P2) + A (P3)] in the range 28 - 32 kJ / mol, where A (Px) with x 1, 2 or 3 is the area of the peaks P1, P2 and P3 is.
  • the initial weight corresponds to the initial weight and the final weight corresponds to the weight of the sample after it has been dried to constant weight.
  • the water absorption during storage was determined using an analytical balance with underfloor weighing (Mettler Toledo LW1956).
  • the scale is set up on a scale table with an integrated draft shield above a hygrostat (desiccator).
  • the sample carrier is hung through the lock inside the hygrostat.
  • a saturated KNO 3 solution sets a constant relative humidity depending on the ambient temperature.
  • the hygrostat can be lowered on a lifting table and the lock with the sample carrier is released.
  • the construction of the suspension and the lock allows the hygrostat to be lowered for several hours and the balance to be kept engaged.
  • the balance is read out by a computer via the interface built into the balance. The measured values are saved and their progress is shown in an Excel spreadsheet.
  • a temperature and humidity sensor in the hygrostat record the temperature and humidity curve during the measurement and output them in the Excel spreadsheet.
  • the measuring device is set up in a climatic room with a constant temperature of 22 ° C (+/- 0.5 ° C).
  • the cleaned sample dish with holder is dried for 30 minutes at 105 ° C. and then cooled in a desiccator with a drying agent for 30 minutes.
  • the sample pan with holder is then placed in the hygrostat, the sample holder is attached and weighing is started. After reaching constant weight, the scale is set to tare.
  • the silica sample to be determined is then weighed into the sample dish (approx. 500 mg), dried at 105 ° C in a drying cabinet with nitrogen flushing (300 l / h) for 2 h, cooled in a desiccator for 30 min for 30 min, placed in the measuring device and the measurement started.
  • the filter cake with 75% moisture content was brought to dryness by means of a flow tube and a downstream cyclone dryer at a temperature of 105 ° C., a gas flow rate of 15,000 m 3 / h and an average residence time of the dry material of 25 s.
  • the circulating air flow implemented in the cyclone dryer by the built-in components ensures that heavy or residual moist particles are retained for further drying, so that only Silica particles with a moisture content of ⁇ 2% by weight could leave the dryer. (:; Classifier 20,000 min- 1: 16,000 min- 1 mill)
  • the product was ground to a ZPS50 separator mill from Hosokawa-Alpine. The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
  • the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates, washed pH-neutral and blown dry with nitrogen. The filter cake was statically dried to constant weight on metal sheets in a drying cabinet at 150 ° C.
  • Example 3 (:; Classifier 20,000 min- 1: 16.000 min 1 mill) After cooling to room temperature, the product was ground to a ZPS50 separator mill from Hosokawa-Alpine. The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
  • Example 3 Example 3:
  • the filter cake with a moisture content of 75% by weight was brought to dryness by means of a flow tube and a downstream cyclone dryer at a temperature of 105 ° C., a gas flow rate of 15,000 m 3 / h and an average residence time of the dry material of 25 s.
  • the circulating air flow created in the cyclone dryer by the internals ensures that heavy or residual moisture particles are retained for further drying, so that only silica particles with a moisture content of ⁇ 2% by weight could leave the dryer.
  • the product was ground in a ZPS50 classifier mill from Hosokawa-Alpine (mill: 20,000 min -1 ; classifier: 16,000 min -1 ). The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
  • the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates, washed pH-neutral and blown dry with nitrogen. The filter cake was statically dried to constant weight on metal sheets in a drying cabinet at 150 ° C.

Abstract

The invention relates to a modified precipitated silicic acid with a moisture content of 2.5 wt.% or less, relative to the total mass of the modified precipitated silicic acid, and to a method suitable for producing the modified precipitated silicic acids and characterized by a combination of a homogeneous in-situ modification of the silicic acid together with dynamic drying.

Description

Modifizierte Fällungskieselsäure mit reduziertem Feuchteanteil Modified precipitated silica with reduced moisture content
Gegenstand der Erfindung ist eine modifizierteThe invention relates to a modified one
Fällungskieselsäure mit einem Feuchteanteil von 2,5 Gew.-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure, sowie ein Verfahren, das zur Herstellung dieser modifizierten Fällungskieselsäuren geeignet ist und sich durch eine Kombination einer homogenen in-situ-Modifizierung der Kieselsäure zusammen mit einer dynamischen Trocknung auszeichnet. Precipitated silica with a moisture content of 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica, as well as a process which is suitable for the production of these modified precipitated silicas and is made up of a combination of a homogeneous in-situ modification of the silica characterized by dynamic drying.
Stand der Technik State of the art
Bei Fällungskieselsäuren handelt es sich um Oxide des Siliciums (SiO2), die großtechnisch über Fällungsprozesse hergestellt und in einem breiten Anwendungsfeld eingesetzt werden. Aufgrund ihrer strukturellen Beschaffenheit und der damit verbunden Verstärkungswirkung stellen sie einen elementaren Bestandteil sowohl von organischen Kautschuken, z.B. für den Einsatz in Reifen, als auch in Siliconkautschuken oder anderen polymeren Materialien dar. Nach der notwendigen Vernetzungstemperatur unterscheidet man zwischen Kalt- bzw. Raumtemperatur- (RTV) und Heiß- bzw. Hochtemperatur-vernetzenden (HTV)Precipitated silicas are oxides of silicon (SiO 2 ) that are produced on an industrial scale using precipitation processes and are used in a wide range of applications. Due to their structural properties and the associated reinforcing effect, they represent an elementary component of both organic rubbers, e.g. for use in tires, and in silicone rubbers or other polymeric materials. Depending on the necessary crosslinking temperature, a distinction is made between cold and room temperature ( RTV) and hot or high temperature curing (HTV)
Siliconkautschuken. Silicone rubbers.
Sie finden darüber hinaus aber auch Verwendung beispielsweise als Free-Flow-Additiv, verstärkender Füllstoff, Carrier, Filterhilfsmittel, zur Rheologiesteuerung oder aufgrund ihrer abrasiven Eigenschaften. Free-Flow-Additive oder Antiblockmittel (Antibackmittel, "anticaking agent") verhindern als Additive in pudrigen oder granulären Materialien Klumpenbildung und ermöglichen dadurch einfaches Verpacken, Transport und Gebrauch. In addition, they are also used, for example, as a free-flow additive, reinforcing filler, carrier, filter aid, for rheology control or because of their abrasive properties. Free-flow additives or anti-blocking agents (anti-caking agents) act as additives in powdery or granular materials to prevent the formation of lumps and thus enable easy packaging, transport and use.
Je nach gewünschtem Effekt in der Zielanwendung müssen durch die Herstellung bestimmte Eigenschaftsprofile erreicht werden. So wird in zahlreichen Patentanmeldungen beschrieben, dass durch exakte Kontrolle bestimmter Prozessparameter wie z.B. Temperatur, pH-Wert, Dosiergeschwindigkeiten, Kieselsäuren mit einer bestimmten Kombination an Produkteigenschaften hergestellt werden können, die sich wiederum vorteilhaft in den Zielanwendungen auswirken. Depending on the desired effect in the target application, certain property profiles must be achieved through production. In numerous patent applications it is described that through precise control of certain process parameters such as temperature, pH value, dosing speeds, silicas can be produced with a certain combination of product properties, which in turn have an advantageous effect in the target applications.
WO 2018/019373 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer modifizierten Fällungskieselsäure, die sich durch eine in-situ- Modifizierung der Kieselsäure auszeichnet. WO 2018/019373 A1 discloses a method for producing a modified precipitated silica, which is characterized by an in-situ modification of the silica.
WO 2019/161912 Al offenbart eine modifizierteWO 2019/161912 A1 discloses a modified one
Fällungskieselsäure mit geringem bis fehlenden Grobanteil und guter Redispergierbarkeit. Diese wird durch Kombination einer homogenen in-situ-Modifizierung der Kieselsäure zusammen mit einer Hochleistungs-Flüssigvermahlung erhalten. Precipitated silica with little to no coarse fraction and good redispersibility. This is achieved by combining a homogeneous in-situ modification of the silica together with high-performance liquid grinding.
WO 2019/129607 Al offenbart eine durch Alkyl-gruppen modifizierte Fällungskieselsäure für den Einsatz als Füllstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. WO 2019/129607 A1 discloses a precipitated silica modified by alkyl groups for use as a filler and a method for its production.
Die nach bekannten Methoden hergestellten Fällungskieselsäuren weisen jedoch einen sehr hohen Feuchtegehalt von 5 Gewichtsprozent (Gew.-%) oder mehr auf. Selbst kommerzielle hydrophobe Fällungskieselsäuren, wie beispielsweise SIPERNAT® D17 (Evonik), weisen noch einen Feuchtegehalt von 3 Gew.-% oder mehr auf. However, the precipitated silicas produced by known methods have a very high moisture content of 5 percent by weight (% by weight) or more. Even commercial hydrophobic precipitated silicas such as SIPERNAT ® D17 (Evonik), still have a moisture content of 3 wt .-% or more.
Für eine Vielzahl an Anwendungen ist ein geringer Feuchtegehalt von besonderer Bedeutung. Fällungskieselsäuren weisen jedoch in Folge ihres Herstellungsverfahrens einen hohen Feuchteanteil auf, vor allem in Form von adsorbiertem Wasser. Dieses Wasser ist für viele Anwendungen problematisch. Bei der Extrusion von Formkörpern verdampft dieses Wasser beispielsweise und führt zu Blasen im Extrudat. Die Qualität der entsprechenden Formkörper wird dadurch beeinträchtigt. A low moisture content is of particular importance for a large number of applications. Precipitated silicas, however, as a result of their production process, have a high proportion of moisture, especially in the form of adsorbed water. This water is problematic for many applications. During the extrusion of moldings, this water evaporates, for example, and leads to Bubbles in the extrudate. The quality of the corresponding moldings is impaired.
Ferner erfordern Anwendungen mit Lebensmittelkontakt Konformität mit nationalen Vorschriften (z. B. für Deutschland festgelegt durch das Bundesinstitut für Risikobewertung), welches u. a. einen niedrigen Anteil flüchtiger Bestandteile verlangt. Hier kann Wasser das Messergebnis verfälschen und somit zu Problemen beim Erfüllen der Anforderungen führen. In addition, applications with food contact require conformity with national regulations (e.g. stipulated for Germany by the Federal Institute for Risk Assessment). requires a low volatile content. Here, water can falsify the measurement result and thus lead to problems in meeting the requirements.
Die nach bekannten Methoden hergestellten Fällungskieselsäuren weisen ferner eine hohe Wasseraufnahmekapazität bei Lagerung, insbesondere unter den Bedingungen hoher Luftfeuchte auf. So nimmt beispielsweise eine kommerzielle hydrophile Fällungskieselsäure SIPERNAT® 288 (EVONIK) über 48 h bei 94 % relativer Feuchte 9,6 Gew.-% Wasser auf und selbst eine kommerzielle hydrophobe Fällungskieselsäure, wie beispielsweise SIPERNAT® D17 (Evonik)unter gleichen Bedingungen noch 3,5 Gew.- % Wasser auf. The precipitated silicas produced by known methods also have a high water absorption capacity on storage, in particular under the conditions of high atmospheric humidity. For example, a commercial hydrophilic precipitated silica SIPERNAT ® 288 (EVONIK) absorbs 9.6% by weight of water over 48 hours at 94% relative humidity, and even a commercial hydrophobic precipitated silica such as SIPERNAT ® D17 (Evonik) under the same conditions still 3 , 5% by weight of water.
Insbesondere in Regionen mit hoher Luftfeuchte werden so die oben genannten Nachteile eines hohen Feuchtegehaltes noch verstärkt, bzw. die Kieselsäuren müssen vor Einsatz kostenintensiv vorgetrocknet werden. In particular, in regions with high humidity, the above-mentioned disadvantages of a high moisture content are exacerbated, or the silicas have to be pre-dried, which is cost-intensive, before use.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine modifizierte Fällungskieselsäure mit verbesserter Verarbeitbarkeit beispielsweise bei der Extrusion, und verbesserter Lagerbeständigkeit bei hoher Luftfeuchtigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fällungskieselsäure bereitzustellen. It was an object of the present invention to provide a modified precipitated silica with improved processability, for example during extrusion, and improved storage stability at high atmospheric humidity, as well as a process for producing such a precipitated silica.
Diese Aufgabe wird durch eine modifizierte Fällungskieselsäure gelöst, die einen Feuchteanteil von 2,5 Gew.-% oder weniger aufweist, sowie ein Verfahren, dass sich durch eine Kombination einer homogenen in-situ-Modifizierung der Kieselsäure zusammen mit einer dynamischen Trocknung auszeichnet. This object is achieved by a modified precipitated silica which has a moisture content of 2.5% by weight or less, and a method that is achieved by a combination a homogeneous in-situ modification of the silica together with dynamic drying.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Die Erfindung betrifft eine modifizierte Fällungskieselsäure, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Feuchteanteil von 2,5 Gew.-% oder weniger aufweist, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. The invention relates to a modified precipitated silica, characterized in that it has a moisture content of 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der oben genannten modifizierten Fällungskieselsäure, wobei i) die Modifizierung in einer Reaktionsmischung umfassend Another aspect of the invention relates to a process for the production of the modified precipitated silica mentioned above, wherein i) the modification in a reaction mixture comprising
1 . eine oder mehrere Säuren und 1 . one or more acids and
2. eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fällungskieselsäure, Alkoxysilan und Alkalisilicat und 2. one or more compounds selected from the group consisting of precipitated silica, alkoxysilane and alkali silicate and
3 . ein oder mehrere Organosiliconate als Modifizierungsmittel erfolgt, wobei die Modifizierungsreaktion während oder unmittelbar nach der Herstellreaktion der Fällungskieselsäure erfolgt, ii) die feste Phase der Reaktionsmischung anschließend von der flüssigen Phase abgetrennt wird, wobei die feste Phase optional gewaschen wird, und iii) die feste Phase dynamisch getrocknet wird. 3. one or more organosiliconates takes place as modifiers, the modification reaction taking place during or immediately after the preparation reaction of the precipitated silica, ii) the solid phase of the reaction mixture is then separated from the liquid phase, the solid phase being optionally washed, and iii) the solid phase is dynamically dried.
Da die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure bevorzugt durch des erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, ist die nachfolgende Beschreibung so zu verstehen, dass im Rahmen der Fällungskieselsäure beschriebene Merkmale gleichermaßen für das Verfahren offenbart werden und umgekehrt im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale gleichermaßen für die Fällungskieselsäure offenbart werden. Since the modified precipitated silica according to the invention is preferably produced by the process according to the invention, the following description is to be understood in such a way that features described in the context of the precipitated silica are disclosed equally for the process and vice versa Features described in the process are also disclosed for the precipitated silica.
Die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure zeichnet sich im Gegensatz zu den im Stand der Technik verfügbaren Fällungskieselsäuren durch einen geringen Feuchteanteil aus. In contrast to the precipitated silicas available in the prior art, the modified precipitated silica according to the invention is distinguished by a low moisture content.
Der Feuchteanteil der erfindungsgemäßen modifizierten Fällungskieselsäure beträgt 2,5 Gew.-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. Besonders bevorzugt beträgt der Feuchteanteil 2,0 Gew.-% oder weniger, insbesondere bevorzugt 1,8 Gew.-% oder weniger, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5 bis 1,8 Gew.-%. The moisture content of the modified precipitated silica according to the invention is 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica. The moisture content is particularly preferably 2.0% by weight or less, particularly preferably 1.8% by weight or less, very particularly preferably between 0.5 to 1.8% by weight.
Der Feuchteanteil lässt sich mittels Trocknungswaage bestimmen, wobei 1 g der modifizierten Fällungskieselsäure bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet wird. Der Feuchteanteil ergibt sich folgendermaßen: The moisture content can be determined using a drying balance, with 1 g of the modified precipitated silica being dried to constant weight at 105 ° C. The moisture content results as follows:
Feuchteanteil (in Gew.-%) = 100 % * (Anfangsgewicht der Probe - Endgewicht der Probe)/Anfangsgewicht der Probe. Moisture content (in% by weight) = 100% * (initial weight of the sample - final weight of the sample) / initial weight of the sample.
Die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure zeichnet sich im Gegensatz zu den im Stand der Technik verfügbaren Fällungskieselsäuren vorzugsweise durch eine geringe Wasseraufnahme bei Lagerung aus. In contrast to the precipitated silicas available in the prior art, the modified precipitated silica according to the invention is preferably distinguished by low water absorption during storage.
Die erfindungsgemäße modifizierte Kieselsäure weist vorzugsweise eine maximale Wasseraufnahme im Bereich von kleiner oder gleich 2,75 Gew.-%, bevorzugt von kleiner oder gleich 2,5 Gew.-% bis größer oder gleich 0,5 Gew.-% und besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 2,25 Gew.-% bis größer oder gleich 0,5 Gew.-% auf, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. Die maximale Wasseraufnahme lässt sich mit Hilfe einer Analysewaage mit Unterflurverwägung und einem Hygrostaten ermitteln, wobei 500 mg der modifizierten Fällungskieselsäure zunächst bei 105 °C für 2 h vorgetrocknet wird (vorgetrockneter Zustand) und anschließend bei einer Temperatur von 22 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 94 % für 48 h gelagert wird. Die maximale Wasseraufnahme ergibt sich folgendermaßen: maximale Wasseraufnahme (in Gew.-%) = 100 % * (Endgewicht der Probe - Anfangsgewicht Probe im vorgetrockneten Zustand)/ Anfangsgewicht Probe im vorgetrockneten Zustand. The modified silica according to the invention preferably has a maximum water absorption in the range of less than or equal to 2.75% by weight, preferably from less than or equal to 2.5% by weight to greater than or equal to 0.5% by weight and particularly preferably of less than or equal to 2.25% by weight to greater than or equal to 0.5% by weight, in each case based on the total mass of the modified precipitated silica. The maximum water absorption can be determined using an analytical balance with underfloor weighing and a hygrostat, whereby 500 mg of the modified precipitated silica is first pre-dried at 105 ° C for 2 h (pre-dried state) and then at a temperature of 22 ° C and a relative humidity of 94% is stored for 48 h. The maximum water absorption results as follows: maximum water absorption (in% by weight) = 100% * (final weight of the sample - initial weight of the sample in the pre-dried state) / initial weight of the sample in the pre-dried state.
Die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass ihre spezifische BET- Oberflache bevorzugt 50 m2/g bis 400 m2/g, besonders bevorzugt 100 m2/g bis 300 m2/g und insbesondere bevorzugt 150 m2/g bis 250 m2/g beträgt. The modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that its specific BET surface area is preferably 50 m 2 / g to 400 m 2 / g, particularly preferably 100 m 2 / g to 300 m 2 / g and particularly preferably 150 m 2 / g to 250 m 2 / g.
Die spezifische Oberfläche kann nach der BET-Methode entsprechend DIN 9277/66131 und 9277/66132 bestimmt werden. The specific surface can be determined by the BET method according to DIN 9277/66131 and 9277/66132.
Die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass ihr Gehalt an Kohlenstoff bevorzugt 0,1 Gew.-% oder mehr, besonders bevorzugt 0,5 Gew.-% oder mehr bis 15 Gew.-% oder weniger, ganz besonders bevorzugt 1,0 Gew.-% oder mehr bis 10 Gew.-% oder weniger beträgt, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. Der Kohlenstoffgehalt beruht im Wesentlichen auf der Modifizierung der Fällungskieselsäure mit organischen Resten. The modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that its carbon content is preferably 0.1% by weight or more, particularly preferably 0.5% by weight or more to 15% by weight or less, very particularly preferably 1, 0% by weight or more to 10% by weight or less, based in each case on the total mass of the modified precipitated silica. The carbon content is essentially based on the modification of the precipitated silica with organic residues.
Der Kohlenstoffgehalt kann mittels Elementaranalyse, d.h. in einer Verbrennungsanalyse in einem entsprechenden Analysator bestimmt werden. Die erfindungsgemäße modifizierte Fällungskieselsäure ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit ihrer 5%igen methanolisch-wässrigen Dispersion bevorzugt höchstens 500 S/cm, besonders bevorzugt höchstens 100 S/cm und insbesondere bevorzugt höchstens 25 S/cm beträgt. The carbon content can be determined by means of elemental analysis, ie in a combustion analysis in a suitable analyzer. The modified precipitated silica according to the invention is preferably characterized in that the conductivity of its 5% methanolic-aqueous dispersion is preferably at most 500 S / cm, particularly preferably at most 100 S / cm and particularly preferably at most 25 S / cm.
Da modifizierte Kieselsäuren schlecht bis gar nicht von Wasser benetzt werden, kann die Leitfähigkeit einer entsprechenden Probe in einem Methanol/Wasser-Gemisch bestimmt werden. Dazu wird eine kleine Probenmenge (5 g der erfindungsgemäß modifizierten Fällungskieselsäure) mit 10 g Methanol gemischt und erst anschließend mit 85 g VE-Wasser verdünnt. Zum Erreichen einer homogenen Mischung wird der Ansatz abwechselnd gut gemischt und eine längere Zeit stehen gelassen. Vor der Leitfähigkeitsmessung mit einer Leitfähigkeitsmesszelle wird der Ansatz nochmals aufgeschüttelt. Die Leitfähigkeit kann mit jedem beliebigen Leitfähigkeitsmessgerät gemessen werden. Sie wird für eine Referenztemperatur von 20 °C bestimmt. Die Bestimmung der Leitfähigkeit einer Probe stellt auch eine sehr sensitive Methode zur Quantifizierung löslicher Verunreinigungen dar. Since modified silicas are poorly or not at all wetted by water, the conductivity of a corresponding sample can be determined in a methanol / water mixture. For this purpose, a small amount of sample (5 g of the precipitated silica modified according to the invention) is mixed with 10 g of methanol and only then is diluted with 85 g of deionized water. To achieve a homogeneous mixture, the batch is alternately mixed well and left to stand for a long time. Before the conductivity measurement with a conductivity measuring cell, the batch is shaken up again. The conductivity can be measured with any conductivity meter. It is determined for a reference temperature of 20 ° C. Determining the conductivity of a sample is also a very sensitive method for quantifying soluble impurities.
Bevorzugt zeichnet sich die modifizierte Fällungskieselsäure durch eine homogene Oberflächenmodifizierung aus. Eine homogene Oberflächenmodifizierung hat sich als besonders vorteilhaft zur Erreichung eines niedrigen Feuchtegehalts und einer geringen Wasseraufnahmekapazität der Fällungskieselsäure herausgestellt. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die bei einer inhomogenen Modifizierung der Kieselsäure vorhandenen hochenergetischen Oberflächenbereiche bevorzugt mit polaren Wassermolekülen wechselwirken und diese adsorbieren. The modified precipitated silica is preferably distinguished by a homogeneous surface modification. A homogeneous surface modification has proven to be particularly advantageous for achieving a low moisture content and a low water absorption capacity of the precipitated silica. Without being bound by theory, it is assumed that the high-energy surface areas present in the case of an inhomogeneous modification of the silica preferentially interact with and adsorb polar water molecules.
Zur Bewertung der Homogenität der Oberflächenmodifizierung hat sich ein Benetzungstest in Kombination mit einem Verteilungstest zwischen einer wässrigen und einer organischen Phase bewährt. Erfindungsgemäß bevorzugt wird als organische Phase n-Butanol eingesetzt. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass als wässrige Phase Wasser eingesetzt wird. To evaluate the homogeneity of the surface modification, a wetting test in combination with a distribution test between an aqueous and an organic one has proven useful Phase proven. According to the invention, preference is given to using n-butanol as the organic phase. It is also preferred that water is used as the aqueous phase.
Wenn eine modifizierte Fällungskieselsäure nach intensivem Vermischen mit Wasser größtenteils von Wasser benetzt wird und in die Wasser-Phase einsinkt und diese trübt, ist die modifizierte Fällungskieselsäure hydrophil. Wenn diese modifizierte Fällungskieselsäure nun gleichzeitig in einem System aus einer Wasser- und einer organischen Phase, die z.B. Butanol sein kann, die organische Phase nicht trübt, ist die als hydrophil beurteilte modifizierte Fällungskieselsäure gleichzeitig lipophob. In diesem Fall liegt eine homogene Oberflächenmodifizierung vor. If a modified precipitated silica is largely wetted by water after intensive mixing with water and sinks into the water phase and makes it cloudy, the modified precipitated silica is hydrophilic. If this modified precipitated silica does not cloud the organic phase at the same time in a system consisting of a water and an organic phase, which can be butanol, for example, the modified precipitated silica, which is assessed as hydrophilic, is also lipophobic. In this case there is a homogeneous surface modification.
Eine homogene Oberflächenmodifizierung liegt auch vor, wenn eine modifizierte Fällungskieselsäure nach intensivem Vermischen mit Wasser nicht benetzt wird, also auf der Wasserphase aufschwimmt und eine separate Phase bildet, also hydrophob ist, aber gleichzeitig in einem System aus einer Wasser- und einer organischen Phase die organische Phase trübt, also lipophil ist. A homogeneous surface modification is also present if a modified precipitated silica is not wetted after intensive mixing with water, i.e. floats on the water phase and forms a separate phase, i.e. is hydrophobic, but at the same time the organic phase in a system consisting of a water and an organic phase Phase is cloudy, i.e. lipophilic.
Eine homogene Oberflächenmodifizierung liegt ebenso vor, wenn eine modifizierte Fällungskieselsäure nach intensivem Vermischen mit Wasser nicht benetzt wird, also auf der Wasserphase aufschwimmt und eine separate Phase bildet, also hydrophob ist, aber gleichzeitig in einem System aus einer Wasser- und einer organischen Phase von beiden Phasen nicht benetzt wird und eine dritte feststoffreiche Phase bildet. A homogeneous surface modification is also present if a modified precipitated silica is not wetted after intensive mixing with water, i.e. floats on the water phase and forms a separate phase, i.e. is hydrophobic, but at the same time in a system of a water and an organic phase of both Phases is not wetted and forms a third phase rich in solids.
Eine inhomogene Oberflächenmodifizierung liegt vor, wenn eine modifizierte Fällungskieselsäure nach intensivem Vermischen mit Wasser benetzt wird, also in die Wasserphase einsinkt und diese trübt, also hydrophil ist, aber gleichzeitig in einem System aus einer Wasser- und einer organischen Phase die organische Phase trübt, also lipophil ist. An inhomogeneous surface modification occurs when a modified precipitated silica is wetted with water after intensive mixing, that is, sinks into the water phase and makes it cloudy, that is, it is hydrophilic, but at the same time in a system from a water and an organic phase, the organic phase is cloudy, i.e. it is lipophilic.
Eine genauere Bewertung der Homogenität der Grenzschicht ist mit Hilfe der Inversen Gaschromatographie in endlicher Verdünnung (IGC-FC) möglich. Diese Methode erlaubt die Bestimmung der energetischen Homogenität einer Oberfläche über die Adsorptionsenergieverteilungsfunktion (AEDF). Die AEDF ist eine graphische Darstellung der Energieverteilung einer Oberfläche. Für die erfindungsgemäß modifizierten Kieselsäuren wurden 3 Peaks in der Verteilungsfunktion gefunden. A more precise assessment of the homogeneity of the boundary layer is possible with the help of inverse gas chromatography in finite dilution (IGC-FC). This method allows the determination of the energetic homogeneity of a surface via the adsorption energy distribution function (AEDF). The AEDF is a graphical representation of the energy distribution of a surface. For the silicas modified according to the invention, 3 peaks were found in the distribution function.
Eine homogene Oberflächenmodifizierung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass der relative Flächenanteil F(P3) des Peaks P3, der im Bereich von ca. 28 - 32 kJ/mol der mittels IGC-FC bestimmten AEDF der modifizierten Fällungskieselsäure liegt, kleiner 0,2, besonders bevorzugt kleiner 0,15 und insbesondere bevorzugt kleiner 0,1 ist. Der relative Flächenanteil F(P3) ist dabei definiert als F(P3) = A (P3)/[A(P1)+A(P2)+A(P3)], wobei A(Px) mit x = 1, 2 oder 3 der Flächeninhalt der Peaks P1, P2 und P3 ist. Das bedeutet, dass der relative Flächenanteil F(P3) des hochenergetischen Peaks P3 bevorzugt eine möglichst niedrige Intensität aufweist. A homogeneous surface modification is preferably characterized in that the relative area fraction F (P3) of the peak P3, which is in the range of approx. 28-32 kJ / mol of the AEDF of the modified precipitated silica determined by means of IGC-FC, is less than 0.2, in particular is preferably less than 0.15 and particularly preferably less than 0.1. The relative area share F (P3) is defined as F (P3) = A (P3) / [A (P1) + A (P2) + A (P3)], where A (Px) with x = 1, 2 or 3 is the area of peaks P1, P2 and P3. This means that the relative area portion F (P3) of the high-energy peak P3 preferably has the lowest possible intensity.
Die großtechnische Herstellung von synthetischen Kieselsäuren erfolgt hauptsächlich über Fällungsprozesse. So erzeugte Kieselsäuren nennt man Fällungskieselsäuren. The large-scale production of synthetic silicas takes place mainly through precipitation processes. Silicas produced in this way are called precipitated silicas.
Fällungskieselsäuren werden nach dem Fachmann bekannten Verfahren, wie beispielsweise in US 2,657,149, US 2,940,830 und US 4,681,750 beschrieben, aus kondensationsfähigen tetra- oder höherfunktionellen Silanen, Alkoxysilanen, Alkyl- oder Alkalisilicaten (Wassergläser) oder kolloidalen Silica- Partikeln bzw. -Lösungen hergestellt. Ein großer Vorteil von Fällungskieselsäuren besteht darin, dass diese im Gegensatz zu den deutlich teureren pyrogenen Kieselsäuren ein kostengünstiges Produkt darstellen. Die erfindungsgemäße Reaktionsmischung umfasst Precipitated silicas are produced by methods known to the person skilled in the art, as described, for example, in US Pat. No. 2,657,149, US Pat. No. 2,940,830 and US Pat. No. 4,681,750, from condensable tetra- or higher-functional silanes, alkoxysilanes, alkyl or alkali silicates (water glasses) or colloidal silica particles or solutions. A great advantage of precipitated silicas is that, in contrast to the much more expensive pyrogenic silicas, they represent a cost-effective product. The reaction mixture according to the invention comprises
1. eine oder mehrere Säuren und 1. one or more acids and
2. eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fällungskieselsäure, Alkoxysilan und Alkalisilicat und 3. ein oder mehrere Organosiliconate als2. one or more compounds selected from the group consisting of precipitated silica, alkoxysilane and alkali metal silicate and 3. one or more organosiliconates as
Modifizierungsmittel. Modifying agents.
In der Reaktionsmischung werden Fällungskieselsäuren und/oder [SiO4/2]-Ausgangsstoffe eingesetzt, wobei als [SiO4/2]- Ausgangsstoffe Alkoxysilane und/oder Alkalisilicate eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Alkoxysilane als [S1O4/2]-Ausgangsstoffe eingesetzt. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform werden Alkalisilicate als [SiO4/2]-Ausgangsstoffe eingesetzt. Precipitated silicas and / or [SiO 4/2 ] starting materials are used in the reaction mixture, with alkoxysilanes and / or alkali metal silicates being used as [SiO 4/2] starting materials. In a preferred embodiment, alkoxysilanes are used as [S1O4 / 2] starting materials. In an alternatively preferred embodiment, alkali metal silicates are used as [SiO 4/2 ] starting materials.
Bevorzugt erfolgt die Modifizierung in einer Reaktionsmischung umfassend The modification is preferably carried out comprehensively in a reaction mixture
1 . eine oder mehrere Säuren und 1 . one or more acids and
2 . eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkoxysilan und Alkalisilicat und 2. one or more compounds selected from the group consisting of alkoxysilane and alkali metal silicate and
3. ein oder mehrere Organosiliconate als Modifizierungsmittel 3. one or more organosiliconates as modifiers
[SiO4/2]-Einheiten bezeichnen Verbindungen, in denen ein Siliciumatom an vier Sauerstoffatome gebunden ist, die wiederum jeweils ein freies Elektron für eine weitere Bindung aufweisen. Es können über das Sauerstoffatom verbundene Einheiten mit Si- O-Si-Bindungen vorliegen. Die freien Sauerstoffatome sind im einfachsten Fall an Wasserstoff oder Kohlenstoff gebunden bzw. die Verbindungen liegen als Salze, bevorzugt Alkalisalze, vor. Als Ausgangsstoff (Vorstufe) zur Bildung von [SiO4/2]-Einheiten ([SiO4/2]-Ausgangsstoff) werden erfindungsgemäß Alkoxysilane oder Alkalisilicate (Wassergläser) verwendet. Im Rahmen dieser Erfindung bezeichnen die [SiO4/2]-Einheiten die Fällungskieselsäure; Alkoxysilane oder Alkalisilicate dienen als [S1O4/2]-Ausgangsstoffe ihrer Herstellung. [SiO 4/2 ] units denote compounds in which one silicon atom is bonded to four oxygen atoms, each of which in turn has a free electron for a further bond. Units with Si-O-Si bonds connected via the oxygen atom can be present. In the simplest case, the free oxygen atoms are bound to hydrogen or carbon or the compounds are present as salts, preferably alkali salts. According to the invention, alkoxysilanes or alkali silicates (water glasses) are used as starting material (precursor) for the formation of [SiO 4/2 ] units ([SiO 4/2] starting material). In the context of this invention, the [SiO 4/2 ] units denote the precipitated silica; Alkoxysilanes or alkali silicates serve as [S1O4 / 2] starting materials for their production.
In beiden Fällen, d.h. egal ob Alkoxysilane oder Alkalisilicate als [S1O4/2]-Ausgangsstoffe dienen, werden in einem ersten Reaktionsschritt zunächst niedermolekulare und lösliche Kieselsäuren gebildet. Der Einfachheit halber werden in den folgenden Reaktionsgleichungen nur monomere Strukturen beschrieben, wenngleich auch lösliche oligomere Strukturen beteiligt sein können. In both cases, regardless of whether alkoxysilanes or alkali silicates are used as the [S1O4 / 2] starting materials, the first reaction step involves the formation of soluble and low molecular weight silicas. For the sake of simplicity, only monomeric structures are described in the following reaction equations, although soluble oligomeric structures can also be involved.
Werden Alkoxysilane als Ausgangsstoff zur Herstellung von Fällungskieselsäuren eingesetzt, so kann die Hydrolyse in Wasser durch Säuren oder Basen katalysiert werden: If alkoxysilanes are used as the starting material for the production of precipitated silicas, the hydrolysis in water can be catalyzed by acids or bases:
Si(OR)4 + 4 H2O → Si(OH)4 + 4 ROH Si (OR) 4 + 4 H 2 O → Si (OH) 4 + 4 ROH
Bevorzugt wird die Hydrolyse in wässrigen Lösungen mineralischer oder organischer Säuren, insbesondere bevorzugt in wässriger Schwefelsäurelösung, Salzsäurelösung oder Kohlensäure durchgeführt. The hydrolysis is preferably carried out in aqueous solutions of mineral or organic acids, particularly preferably in aqueous sulfuric acid solution, hydrochloric acid solution or carbonic acid.
Als Alkoxysilane werden bevorzugt Tetramethoxysilan und insbesondere bevorzugt Tetraethylorthosilicat (TEOS) eingesetzt. The alkoxysilanes used are preferably tetramethoxysilane and particularly preferably tetraethylorthosilicate (TEOS).
Besonders bevorzugt werden als [SiO4/2]-Ausgangsstoffe Wassergläser eingesetzt. Als Wasserglas werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet. Durch Umsetzung mit Säure, insbesondere bevorzugt in wässriger Schwefelsäurelösung, Salzsäurelösung oder Kohlensäure, werden auch hier niedermolekulare lösliche Kieselsäuren gebildet: Water glasses are particularly preferably used as the [SiO 4/2 ] starting materials. Water glass is the term used to denote solidified, glass-like, i.e. amorphous, water-soluble sodium, potassium and lithium silicates or their aqueous solutions. By reaction with acid, particularly preferably in aqueous sulfuric acid solution, hydrochloric acid solution or carbonic acid, low molecular weight soluble silicas are also formed here:
M2O · z SiO2 + HX → Si(OH)4 + 2 MX wobei z eine beliebige positive Zahl ist. M 2 O · z SiO 2 + HX → Si (OH) 4 + 2 MX where z is any positive number.
Besonders die in wässriger Lösung vorliegenden Strukturen sind in Wirklichkeit deutlich komplizierter, als hier dargestellt.Especially the structures present in aqueous solution are in reality much more complicated than shown here.
Es wurde hier dennoch die geläufige Schreibweise für Wassergläser verwendet. Die genaue Stöchiometrie und die Zusammensetzung des gebildeten Salzes (MX) hängt natürlich von der Qualität des eingesetzten Wasserglases ab und kann hier nur schematisch wiedergegeben werden. Nevertheless, the common notation for water glasses was used here. The exact stoichiometry and the composition of the salt formed (MX) naturally depends on the quality of the water glass used and can only be shown schematically here.
Es können auch Gemische oder Hydrolyseprodukte der genannten Ausgangsstoffe, insbesondere deren Hydrolyseprodukte mit Wasser und/oder Alkoholen, eingesetzt werden. It is also possible to use mixtures or hydrolysis products of the starting materials mentioned, in particular their hydrolysis products with water and / or alcohols.
Die auf diese Weise gebildete Orthokieselsäure Si(OH)4 bzw. oligomere Verbindungen reagieren unter geeigneten Reaktionsbedingungen unter Kondensation und bilden partikuläre Feststoffe die im Wesentlichen aus SiO4/2-Einheiten aufgebaut sind: z Si(OH)4 -> SiO4z/2 + 2n H20 wobei z eine beliebige positive Zahl ist. The orthosilicic acid Si (OH) 4 or oligomeric compounds formed in this way react under suitable reaction conditions with condensation and form particulate solids which are essentially composed of SiO 4/2 units: z Si (OH) 4 SiO 4z / 2 + 2n H 2 0 where z is any positive number.
Die Kondensation wird im sauren oder besonders im alkalischen Milieu begünstigt. The condensation is favored in an acidic or especially in an alkaline environment.
Als Säure können Mineralsäuren, organische Säuren und/oder Kohlendioxid eingesetzt werden. Mineral acids, organic acids and / or carbon dioxide can be used as the acid.
Der Reaktionsmischung können weitere Stoffe wie beispielsweise Elektrolyte und/oder Alkohole zugesetzt werden. Beim Elektrolyten kann es sich um ein lösliches anorganisches oder organisches Salz handeln. Zu den bevorzugten Alkoholen zählen u.a. Methanol, Ethanol oder i-Propanol. In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Reaktionsmischung als weitere Stoffe zusätzlich zu Wasser, Alkalisilicat, Säure und Organosiliconat nur Elektrolyte und/oder Alkohole zugesetzt, besonders bevorzugt nur Elektrolyte und insbesondere bevorzugt werden der Reaktionsmischung keine weiteren Stoffe zugesetzt. Further substances such as electrolytes and / or alcohols can be added to the reaction mixture. The electrolyte can be a soluble inorganic or organic salt. Preferred alcohols include including methanol, ethanol or i-propanol. In a preferred embodiment, only electrolytes and / or alcohols are added to the reaction mixture as further substances in addition to water, alkali silicate, acid and organosiliconate, particularly preferably only electrolytes and particularly preferably no further substances are added to the reaction mixture.
Bevorzugt enthält die Reaktionsmischung Wasser, Alkalisilicat, Säure und Organosiliconat, besonders bevorzugt Wasser, Alkalisilicat, Säure und Methylsiliconat, insbesondere bevorzugt Wasser, Natriumsilikat (Natriumwasserglas), Schwefelsäure und Natrium-Monomethylsiliconat. Diese Zusammensetzung hat den Vorteil, dass neben dem Produkt lediglich das Salz Natriumsulfat als Nebenprodukt anfällt. Dieses gut wasserlösliche Salz lässt sich relativ einfach vom Produkt trennen, wobei Trennmethoden wie Filtration, Sedimentation und/oder Zentrifugation zum Einsatz kommen können. The reaction mixture preferably contains water, alkali silicate, acid and organosiliconate, particularly preferably water, alkali silicate, acid and methylsiliconate, particularly preferably water, sodium silicate (sodium water glass), sulfuric acid and sodium monomethylsiliconate. This composition has the advantage that, in addition to the product, only the salt sodium sulfate is obtained as a by-product. This readily water-soluble salt can be separated from the product relatively easily, using separation methods such as filtration, sedimentation and / or centrifugation.
Bevorzugt beträgt die Temperatur der Reaktionsmischung zwischen 50 °C und 105 °C, besonders bevorzugt zwischen 75 °C und 95 °C und insbesondere bevorzugt zwischen 85 °C und 95 °C. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Reaktionstemperatur im weiteren Verfahren konstant gehalten. The temperature of the reaction mixture is preferably between 50.degree. C. and 105.degree. C., particularly preferably between 75.degree. C. and 95.degree. C. and particularly preferably between 85.degree. C. and 95.degree. In a particularly preferred embodiment, the reaction temperature is kept constant in the further process.
Bevorzugt beträgt der pH-Wert der Reaktionsmischung zwischen pH=8 bis pH=10, besonders bevorzugt zwischen pH=8,5 bis pH=9,5 und insbesondere bevorzugt pH=9 . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der pH-Wert während des Weiteren Verfahrens konstant gehalten. Zu diesem Zweck wird der Reaktionsmischung bevorzugt weitere Säure, besonders bevorzugt Schwefelsäure oder Salzsäure und insbesondere bevorzugt konzentrierte Schwefelsäure zugesetzt, um der Alkalinität des ggf. zugesetzten Wasserglases entgegenzuwirken. Die Dosierung der Edukte wie Säure, [SiO4/2]-Ausgangsstoffe, Modifizierungsmittel und eventueller weiterer Stoffe erfolgt bevorzugt mit konstanter Dosiergeschwindigkeit. Konstante Dosiergeschwindigkeit bedeutet, dass sich diese im Verlauf der Dosierzeit bevorzugt um maximal 15 %, besonders bevorzugt um maximal 5 % und insbesondere bevorzugt um maximal 1 % bezogen auf die Durchschnittsgeschwindigkeit, die sich als Quotient der gesamten Dosiermenge und -zeit berechnet, ändert. The pH of the reaction mixture is preferably between pH = 8 to pH = 10, particularly preferably between pH = 8.5 to pH = 9.5 and particularly preferably pH = 9. In a particularly preferred embodiment, the pH is kept constant during the further process. For this purpose, further acid, particularly preferably sulfuric acid or hydrochloric acid and particularly preferably concentrated sulfuric acid, is preferably added to the reaction mixture in order to counteract the alkalinity of the waterglass that may have been added. The starting materials such as acid, [SiO 4/2 ] starting materials, modifiers and any other substances are preferably metered in at a constant metering rate. Constant dosing speed means that it changes in the course of the dosing time preferably by a maximum of 15%, particularly preferably by a maximum of 5% and particularly preferably by a maximum of 1% based on the average speed, which is calculated as the quotient of the total dosing amount and time.
Die Dosierung erfolgt bevorzugt über einen Zeitraum von 30 min bis 120 min, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von 45 min bis 90 min und insbesondere bevorzugt über einen Zeitraum von 60 min bis 70 min. The metering takes place preferably over a period of 30 minutes to 120 minutes, particularly preferably over a period of 45 minutes to 90 minutes and particularly preferably over a period of 60 minutes to 70 minutes.
Die dosierte Gesamtmenge der [SiO4/2]-Ausgangsstoffe wird vorzugsweise so gewählt, dass der Feststoffanteil gerechnet als Masse [SiO4/2]-Einheiten 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 Gew.- % bezogen auf die Gesamtmasse der Edukte nicht überschreitet. Insbesondere bevorzugt liegt der Festgehalt gerechnet als Masse [Si04/2]-Einheiten zwischen 4 Gew.-% und 8 Gew.~% bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung. Die Masse der Edukte wird gravimetrisch bestimmt. The total amount of [SiO 4/2 ] starting materials metered in is preferably chosen so that the solids content, calculated as the mass of [SiO 4/2 ] units, is 20% by weight, particularly preferably 10% by weight, based on the total mass of the starting materials does not exceed. Most preferably, the solid content is calculated as mass [Si0 4/2] units between 4 wt .-% and 8 wt. ~%, Based on the total mass of the reaction mixture. The mass of the starting materials is determined gravimetrically.
Die genaue Mikrostruktur der gebildeten Kieselsäuren hängt stark von den genauen Reaktionsbedingungen ab. Am stärksten offenbart sich dies anhand der Veränderung der BET-Oberflache, die im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Größe der Partikel der hergestellten Fällungskieselsäure ist. The exact microstructure of the silicas formed depends heavily on the exact reaction conditions. This is most evident from the change in the BET surface area, which is essentially inversely proportional to the size of the particles of the precipitated silica produced.
Im Allgemeinen werden die Reaktionskomponenten durch einfaches Rühren vermischt. Gut dispergierbare Kieselsäurefüllstoffe mit besonders gleichmäßiger Teilchengröße, spezifischer Oberfläche und "Struktur" lassen sich auch durch Umsetzen von Alkalisilicatlösungen mit Säuren und/oder säureartig wirkenden Stoffen, gegebenenfalls in Gegenwart von Neutralsalzen, dadurch hersteilen, dass die Fällung der Kieselsäure durch rasches und intensives Vermischen der Reaktionskomponenten unter Einwirkung hoher Scherkräfte, die von einem steilenIn general, the reactants are mixed by simply stirring. Easily dispersible silica fillers with particularly uniform particle size, specific surface area and "structure" can also be produced by reacting alkali silicate solutions with acids and / or acidic substances, optionally in the presence of neutral salts produce that the precipitation of the silica by rapid and intensive mixing of the reaction components under the action of high shear forces that of a steep
Geschwindigkeitsgefälle herrühren, vorgenommen wird. Das hohe Geschwindigkeitsgefälle wird bevorzugt mittels kontinuierlich arbeitender Dispergatoren, wie beispielsweise einer Kolloidmühle erzeugt. Resulting speed gradient, is made. The high speed gradient is preferably generated by means of continuously operating dispersers, such as a colloid mill.
Im 1. Verfahrensschritt (i) zur Herstellung einer modifizierten Fällungskieselsäure erfolgt die Reaktion zur Herstellung einer Fällungskieselsäure und deren Modifizierung im gleichen Ansatz, wobei die Modifizierungsreaktion während oder unmittelbar nach der Herstellreaktion der Fällungskieselsäure erfolgt. Das bedeutet, dass die Modifizierung in der oben beschriebenen Reaktionsmischung, die der Herstellung der Fällungskieselsäure dient, erfolgt. Dieses Verfahren wird im Rahmen dieser Erfindung auch als Eintopf-Verfahren bezeichnet. Das Eintopf- Verfahren ist ein deutlicher Unterschied zum Stand der Technik, der im Allgemeinen mit mehrstufigen, separaten Prozessen arbeitet. In the 1st process step (i) for producing a modified precipitated silica, the reaction for producing a precipitated silica and its modification takes place in the same batch, the modification reaction taking place during or immediately after the reaction for producing the precipitated silica. This means that the modification takes place in the reaction mixture described above, which is used to produce the precipitated silica. In the context of this invention, this process is also referred to as a one-pot process. The one-pot process is a clear difference to the state of the art, which generally works with multi-stage, separate processes.
Die Modifizierungsreaktion erfolgt während oder unmittelbar nach der Herstellreaktion der Fällungskieselsäure. Erfindungsgemäß bedeutet "unmittelbar" in diesem Zusammenhang, dass die Modifizierung in der Reaktionsmischung, die 1. Säure und 2. die Fällungskieselsäure und/oder [SiO4/2]-Ausgangsstoffe und 3. ein Organosiliconat als Modifizierungsmittel umfasst, erfolgt, ohne dass vor der Modifizierungsreaktion ein Verfahrensschritt zum Abtrennen von Salzen und/oder anderen Nebenprodukten durchgeführt wird. Der Begriff "unmittelbar" ist nicht auf zeitlich unmittelbar bezogen, ein Rühren oder ein Stehen-lassen zwischen den Reaktionsschritten ist nicht ausgeschlossen. Erfindungsgemäß wird vor derThe modification reaction takes place during or immediately after the reaction for preparing the precipitated silica. According to the invention, "directly" in this context means that the modification in the reaction mixture, which comprises 1. the acid and 2. the precipitated silica and / or [SiO 4/2 ] starting materials and 3. an organosiliconate as a modifier, takes place without prior notice the modification reaction, a process step for separating salts and / or other by-products is carried out. The term “immediately” does not refer to immediate temporal, stirring or allowing to stand between the reaction steps is not excluded. According to the invention before the
Modifizierungsreaktion aber kein Ionenaustausch-, Filtrations-, Wasch-, Destillations- oder Zentrifugationsschritt und kein Resuspendieren durchgeführt. Modification reaction but no ion exchange, filtration, Washing, distillation or centrifugation step and no resuspension carried out.
Der Verzicht auf einen vorherigen Verfahrensschritt zum Abtrennen von Salzen und/oder anderen Nebenprodukten hat den großen Vorteil, dass Energiekosten, Zeit und Ressourcen wie beispielsweise Waschlösung bzw. Waschwasser und Lösung bzw. Wasser zum Resuspendieren eingespart werden. Dieses Vorgehen macht die Nutzung weiterer Aggregate überflüssig. Wirtschaftlich ist es von besonderem Interesse, da das erfindungsgemäße Verfahren Zeit spart und somit die Anlagenbelegzeit senkt. Die anderen Nebenprodukte umfassen unter anderem Alkohole. Dispensing with a previous process step for separating salts and / or other by-products has the great advantage that energy costs, time and resources such as washing solution or washing water and solution or water for resuspension are saved. This procedure makes the use of further units superfluous. It is of particular economic interest since the method according to the invention saves time and thus reduces the system occupancy time. The other by-products include alcohols, among others.
Bei der Modifizierung oder Modifizierungsreaktion, die im Rahmen dieser Erfindung auch synonym mit Hydrophobierung oder Hydrophobierungsreaktion bezeichnet wird, reagiert die nicht modifizierte Fällungskieselsäure mit einem Modifizierungsmittel. Entsprechend wird auch das Modifizierungsmittel im Rahmen dieser Erfindung synonym mit Modifizierungsagens, Belegmittel, Belegungsmittel, Hydrophobiermittel oder Silylierungsmittel bezeichnet. Die modifizierte Fällungskieselsäure der vorliegenden Erfindung wird auch synonym mit hydrophobierter Fällungskieselsäure bezeichnet. In the modification or modification reaction, which in the context of this invention is also referred to synonymously with hydrophobization or hydrophobization reaction, the unmodified precipitated silica reacts with a modifier. Correspondingly, the modifying agent is also referred to synonymously in the context of this invention with modifying agent, covering agent, covering agent, water repellent or silylating agent. The modified precipitated silica of the present invention is also referred to synonymously with hydrophobized precipitated silica.
Der Grad der Modifizierung lässt sich durch den Kohlenstoffgehalt nach DIN ISO 10694 bestimmen. Dieser beträgt bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. Je nach gewünschter Verwendung der modifizierten Fällungskieselsäure können bestimmte Modifizierungsgrade besonders bevorzugt sein. So beträgt der Kohlenstoffgehalt beispielsweise bei Verwendungen in Silikonkautschuken besonders bevorzugt 0,5 Gew.-% bis 4 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. Bei Verwendungen als Antiblockmittel beträgt er besonders bevorzugt 4 Gew.-% bis 10 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 5 Gew.-% bis 7 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. The degree of modification can be determined by the carbon content according to DIN ISO 10694. This is preferably 0.1% by weight to 15% by weight based on the total mass of the modified precipitated silica. Depending on the desired use of the modified precipitated silica, certain degrees of modification can be particularly preferred. For example, when used in silicone rubbers, the carbon content is particularly preferably 0.5% by weight to 4% by weight and particularly preferably 1% by weight to 2% by weight, based on the total mass of the modified Precipitated silica. When used as an antiblocking agent, it is particularly preferably 4% by weight to 10% by weight and particularly preferably 5% by weight to 7% by weight, based on the total mass of the modified precipitated silica.
Bevorzugt beträgt die Temperatur der Reaktionsmischung bei der Modifizierung weiterhin zwischen 50 °C und 105 °C, besonders bevorzugt zwischen 75 °C und 95 °C und insbesondere bevorzugt zwischen 85 °C und 95 °C. Besonders bevorzugt wird die Reaktionstemperatur während des Verfahrensschritts i konstant gehalten, d.h. sie schwankt um maximal ±5 °C, besonders bevorzugt um maximal ±2 °C. The temperature of the reaction mixture during the modification is preferably furthermore between 50.degree. C. and 105.degree. C., particularly preferably between 75.degree. C. and 95.degree. C. and particularly preferably between 85.degree. C. and 95.degree. The reaction temperature is particularly preferably kept constant during process step i, i.e. it fluctuates by a maximum of ± 5 ° C, particularly preferably by a maximum of ± 2 ° C.
Bevorzugt beträgt der pH-Wert der Reaktionsmischung weiterhin zwischen pH=8 bis pH=10, besonders bevorzugt zwischen pH=8,5 bis pH=9,5 und insbesondere bevorzugt pH=9. Besonders bevorzugt wird der pH-Wert während des Verfahrensschritts i konstant gehalten, d.h. er schwankt um maximal 0,5 Einheiten, besonders bevorzugt um maximal 0,2 Einheiten. Zu diesem Zweck wird der Reaktionsmischung bevorzugt weitere Säure, besonders bevorzugt Schwefelsäure oder Salzsäure und insbesondere bevorzugt konzentrierte Schwefelsäure zugesetzt, um der Alkalinität des ggf. zugesetzten Siliconats entgegenzuwirken. The pH of the reaction mixture is preferably furthermore between pH = 8 to pH = 10, particularly preferably between pH = 8.5 to pH = 9.5 and particularly preferably pH = 9. The pH value is particularly preferably kept constant during process step i, i.e. it fluctuates by a maximum of 0.5 units, particularly preferably by a maximum of 0.2 units. For this purpose, further acid, particularly preferably sulfuric acid or hydrochloric acid and particularly preferably concentrated sulfuric acid, is preferably added to the reaction mixture in order to counteract the alkalinity of any siliconate added.
Bevorzugt findet dieser Verfahrensschritt unter Rühren statt. This process step preferably takes place with stirring.
Bevorzugt findet dieser Verfahrensschritt unter Einwirkung hoher Scherkräfte, die von einem steilen Geschwindigkeitsgefälle herrühren, statt. Das hohe Geschwindigkeitsgefälle wird bevorzugt mittels kontinuierlich arbeitender Dispergatoren wie beispielsweise einer Kolloidmühle erzeugt. Dieses hat zum Vorteil, dass feinteilige Kieselsäure mit guten Dispergiereigenschaften erhalten wird. Bevorzugt wird das Modifizierungsmittel bei Ansetzen der Reaktionsmischung parallel mit den [SiO4/2]-Ausgangsstoffen und der Säure zur Reaktionsmischung gegeben. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass der Endpunkt der Dosierung des Modifizierungsmittels gemeinsam mit dem Endpunkt der Dosierung der [SiO4/2]-Ausgangsstoffe erfolgt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform geht der Endpunkt der Dosierung des Modifizierungsmittels über den Endpunkt der Dosierung der [SiO4/2]-Ausgangsstoffe hinaus. This process step preferably takes place under the action of high shear forces, which originate from a steep gradient in speed. The high speed gradient is preferably generated by means of continuously operating dispersants such as a colloid mill. This has the advantage that finely divided silica with good dispersing properties is obtained. The modifying agent in preparation of the reaction mixture is preferably added in parallel with the [SiO 4/2] -Ausgangsstoffen and the acid to the reaction mixture. In this case, it is particularly preferred that the end point of dosing [4/2 SiO] -Ausgangsstoffe of the modifying agent is carried out together with the end point of the dosage of the. In another preferred embodiment, the end point of the metering of the modifying agent goes beyond the end point of the metering of the [SiO 4/2 ] starting materials.
Im Fall der parallelen Dosierung von Modifizierungsmittel und den [SiO4/2]-Ausgangsstoffen ist es, unabhängig davon, ob die Dosierung des Modifizierungsmittels gleichzeitig mit der Dosierung der [SiO4/2]-Ausgangsstoffe endet oder darüber hinaus geht, möglich, auf eine weitere separate, zusätzliche, spätere Zugabe des gleichen oder eines weiteren Modifizierungsmittels zur Reaktionsmischung ganz oder teilweise zu verzichten. Es ist besonders bevorzugt, auf eine weitere separate Zugabe des gleichen oder eines weiteren Modifizierungsmittels zur Reaktionsmischung komplett zu verzichten. Wenn das Modifizierungsmittel direkt bei Ansetzen der Reaktionsmischung mit den [SiO4/2]-Ausgangsstoffen und der Säure zur Reaktionsmischung dosiert wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig, schnell und einfach. In the case of the parallel metering of the modifier and the [SiO 4/2 ] starting materials, it is possible regardless of whether the metering of the modifying agent ends at the same time as the metering of the [SiO 4/2 ] starting materials or goes beyond this to completely or partially dispense with a further separate, additional, later addition of the same or a further modifying agent to the reaction mixture. It is particularly preferred to completely dispense with a further separate addition of the same or a further modifying agent to the reaction mixture. If the modifying agent is metered into the reaction mixture directly when the reaction mixture is prepared with the [SiO 4/2 ] starting materials and the acid, the process according to the invention is particularly inexpensive, quick and simple.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird während der Überlappungsdauer, d.h. der gemeinsamen Dosierung von [SiO4/2]- Ausgangsstoffen und Modifizierungsmittel, die Dosierung der [SiO4/2]-Ausgangsstoffe graduell reduziert, wohingegen die des Modifizierungsmittels graduell erhöht wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch die kontrollierte Zugabe des Modifizierungsmittels die Modifizierungsreaktion kontrolliert werden kann. Einem theoretischen Denkmodell zum Partikelaufbau folgend ist der Modifizierungsgrad im Kern der Partikel geringer und steigt dann an. Der Einsatz des im Vergleich zu den [S1O4/2]-Ausgangsstoffen kostenintensiveren Modifizierungsmittels ist in diesem Fall besonders effizient. In a particularly preferred embodiment, the dosage of the [SiO 4/2 ] starting materials is gradually reduced, whereas that of the modifier is gradually increased during the overlap period, ie the joint dosage of [SiO 4/2] starting materials and modifying agents. This procedure has the advantage that the modification reaction can be controlled by the controlled addition of the modifying agent. Following a theoretical model of thought on particle structure, the degree of modification in the core of the particles is lower and then increases. The use of the compared to the modifier, which is more costly to use with the [S1O4 / 2] starting materials, is particularly efficient in this case.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Modifizierungsmittel zeitlich versetzt zur Reaktionsmischung gegeben. Das bedeutet, dass Säure und [SiO4/2]-Ausgangsstoffe bei definierter Temperatur und definiertem pH-Wert gezielt dosiert werden (bevorzugte Bedingungen s.o.) und das Modifizierungsmittel erst anschließend sequentiell, also zeitlich versetzt, zudosiert wird. Das bedeutet, dass erst nach vollständig abgeschlossener Dosierung der Säure und [SiO4/2]- Ausgangsstoffe das Modifizierungsmittel zur Reaktionsmischung gegeben wird. Die Reaktion zur Herstellung der Fällungskieselsäure und ihre Modifizierung finden zwar im gleichen Ansatz statt (Eintopf-Verfahren), aber es handelt sich um einen Zwei-Stufen-Prozess. In another preferred embodiment, the modifying agent is added to the reaction mixture at different times. This means that acid and [SiO 4/2 ] starting materials are metered in in a targeted manner at a defined temperature and a defined pH value (preferred conditions see above) and the modifying agent is only then metered in sequentially, i.e. staggered in time. This means that the modifying agent is added to the reaction mixture only after the acid and [SiO 4/2] starting materials have been metered in completely. The reaction to produce the precipitated silica and its modification take place in the same approach (one-pot process), but it is a two-step process.
In diesem Fall der zeitlich versetzten Zugabe des Modifizierungsmittels erfolgt die Dosierung bevorzugt über einen Zeitraum von 5-120 min, bevorzugt 5-90 min und insbesondere bevorzugt 10-30 min. In this case of staggered addition of the modifying agent, the metering takes place preferably over a period of 5-120 min, preferably 5-90 min and particularly preferably 10-30 min.
In diesem Fall der zeitlich versetzten Zugabe des Modifizierungsmittels kann das Modifizierungsmittel der Reaktionsmischung in einem Schritt oder in mehreren kleinen Teilmengen zugesetzt werden, wobei es jeweils mit konstanter Dosierrate oder mit einer Dosierrate, die graduell erhöht wird, zugegeben werden kann. In this case of staggered addition of the modifying agent, the modifying agent can be added to the reaction mixture in one step or in several small portions, it being possible to add it in each case at a constant metering rate or at a metering rate which is gradually increased.
Der Begriff "zeitlich versetzt" bezieht sich auf die Reaktion. Die Modifizierungsreaktion startet zeitlich versetzt. Bei kontinuierlicher Reaktionsführung spricht man in Bezug auf die Anlagengestaltung von räumlich versetzt (s.u.). D.h. um eine zeitlich versetzte Zugabe zu erreichen, muss die Einspeisung räumlich versetzt erfolgen. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Zugabe des Modifizierungsmittels und damit die Modifizierungsreaktion kontrolliert erfolgt. The term "staggered in time" refers to the response. The modification reaction starts at a different time. When the reaction is carried out continuously, one speaks of spatially offset in relation to the system design (see below). In other words, in order to achieve a staggered addition, the infeed must be spatially offset. This procedure has the advantage that the addition of the modifier, and thus the modification reaction, takes place in a controlled manner.
Wie bereits bei der parallelen Dosierung beschrieben, ist es denkbar, dass durch dieses Vorgehen der Kern der hergestellten Partikel aus dem günstigeren Alkalisilikat gebildet werden kann, während der äußere Teil der Partikel (Schale) evtl zunehmend modifiziert wird, d.h. eine chemisch gebundene, durch das Modifizierungsmittel übertragende Gruppe aufweist. Dadurch können Primärpartikel hergestellt werden, die in Form eines Kern-Schale-Modells aufgebaut sind. Wirtschaftlich gesehen liegt der Vorteil dieses Verfahrens dann darin, dass überwiegend die die spätere Verwendung wesentlich beeinflussende Partikeloberfläche mit dem kostenintensiveren Modifizierungsmittel reagiert. As already described for the parallel dosing, it is conceivable that the core of the produced particles can be formed from the cheaper alkali silicate by this procedure, while the outer part of the particles (shell) may be increasingly modified, that is, a chemically bound, by the Has modifying agent-transferring group. In this way, primary particles can be produced that are built up in the form of a core-shell model. From an economic point of view, the advantage of this process is that it is predominantly the particle surface that has a major impact on subsequent use reacts with the more cost-intensive modifier.
Zusätzlich zur beschriebenen parallelen oder zeitlich versetzten Dosierung von Modifizierungsmittel und [SiO4/2]- Ausgangsstoffen sind alle Mischformen denkbar, d.h. dass beispielsweise eine Teilmenge des Modifizierungsmittels parallel und z.B. mit graduell ansteigender Dosierrate dosiert wird und eine Teilmenge zeitlich versetzt und z.B. mit konstanter Dosierrate. Die Dosierung von Modifizierungsmittel und [SiO4/2]-Ausgangsstoffen kann zur Herstellung der modifizierten Fällungskieselsäure somit beliebig gewählt und dadurch die Partikeleigenschaften kontrolliert werden. Entsprechend des theoretischen Denkmodells zum Partikelaufbau (s.o.) können nicht nur nach dem Kern-Schale-Modell aufgebaute Partikel mit von innen nach außen sprunghaft bzw. abrupt ansteigendem Modifizierungsgrad, sondern auch durch eine kontinuierliche Zugabe des Modifizierungsmittels nach dem Gradienten-Modell aufgebaute Partikel mit von innen nach außen graduell, bzw. allmählich ansteigendem Modifizierungsgrad hergestellt werden In addition to the described parallel or staggered dosing of modifier and [SiO 4/2 ] starting materials, all mixed forms are conceivable, i.e. for example a partial amount of the modifying agent is dosed in parallel and, for example, with a gradually increasing dosing rate and a partial amount staggered in time and, for example, with a constant dosing rate . The dosage of modifying agent and [SiO 4/2 ] starting materials can thus be selected as desired for the production of the modified precipitated silica and the particle properties can thereby be controlled. In accordance with the theoretical model for particle structure (see above), not only particles built up according to the core-shell model with a degree of modification that increases suddenly or abruptly from the inside to the outside, but also particles built up according to the gradient model by continuously adding the modifier according to the gradient model inside out be produced gradually or gradually increasing degree of modification
Die Modifizierungsmittel können der Reaktionsmischung in flüssiger Form oder als trockenes Pulver zugefügt werden. The modifying agents can be added to the reaction mixture in liquid form or as a dry powder.
Die Modifizierungsagenzien können dabei in reiner Form oder als Lösungen in Wasser oder bekannten technisch eingesetzten Lösungsmitteln beispielsweise Alkoholen wie z.B. Methanol, Ethanol, oder i-Propanol, Ethern wie z.B. Diethylether, Tetrahydrofuran, oder Dioxan, oder Kohlenwasserstoffen wie z.B. Hexanen oder Toluol zugemischt werden. The modifying agents can be added in pure form or as solutions in water or known technically used solvents, for example alcohols such as methanol, ethanol or i-propanol, ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran or dioxane, or hydrocarbons such as hexanes or toluene.
Unter einem Modifizierungsmittel werden in der vorliegenden Anmeldung Organosiliconate, sowie deren Lösungen verstanden. In the present application, a modifying agent is understood to mean organosiliconates and their solutions.
Erfindungsgemäß bezeichnen Organosiliconate Verbindungen der allgemeinen Formel (I) According to the invention, organosiliconates denote compounds of the general formula (I)
R1n-Si(OR2)4-n wobei R1, R2 und n die folgenden Bedeutungen haben: R 1 n-Si (OR 2 ) 4-n where R 1 , R 2 and n have the following meanings:
R1= unabhängig voneinander Wasserstoff, lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes Ci-C3o-Alkyl, lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes C2-C30-Alkenyl, lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes C2-C30- Alkinyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C3-C2o- Cycloalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C3-C2o- Cycloalkenyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C1-C20- Heteroalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C5-C22-Aryl, gegebenenfalls funktionalisiertes C6-C23-Alkylaryl, gegebenenfalls funktionalisiertes C6-C23-Arylalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C5-C22-Heterorayl, R2= unabhängig voneinander Wasserstoff, lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes C1-C30-Alkyl, lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes C1-C30-Alkyl , lineares oder verzweigtes, gegebenenfalls funktionalisiertes C2-C30- Alkinyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C3-C20- Cycloalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C3-C20- Cycloalkenyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C1-C20- Heteroalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C5-C22- Aryl, gegebenenfalls funktionalisiertes C6-C23-Alkylaryl, gegebenenfalls funktionalisiertes C6-C23-Arylalkyl, gegebenenfalls funktionalisiertes C5-C22-Heterorayl, R 1 = independently of one another hydrogen, linear or branched, optionally functionalized C 1 -C 3 o-alkyl, linear or branched, optionally functionalized C 2 -C 30 -alkenyl, linear or branched, optionally functionalized C 2 -C 30 -alkynyl, optionally functionalized C 3 -C 2 o cycloalkyl, optionally functionalized C 3 -C 2 o cycloalkenyl, optionally functionalized C 1 -C 20 heteroalkyl, optionally functionalized C 5 -C 22 aryl, optionally functionalized C 6 -C 23 -alkylaryl , optionally functionalized C6-C 23 -arylalkyl, optionally functionalized C 5 -C 22 -heterorayl, R 2 = independently of one another hydrogen, linear or branched, optionally functionalized C 1 -C 30 -alkyl, linear or branched, optionally functionalized C 1 -C 30 -alkyl, linear or branched, optionally functionalized C 2 -C 30 -alkynyl, optionally functionalized C 3 -C 20 cycloalkyl, optionally functionalized C 3 -C 20 cycloalkenyl, optionally functionalized C 1 -C 20 heteroalkyl, optionally functionalized C 5 -C 22 aryl, optionally functionalized C 6 -C 23 alkylaryl, optionally functionalized C 6 -C 23 arylalkyl, optionally functionalized C 5 -C 22 heterorayl,
NR14+, wobei R1 unabhängig voneinander die oben genannten Bedeutungen haben kann, NR 1 4 + , where R 1 independently of one another can have the meanings given above,
Gruppe der allgemeinen Formel 1/(p-n*y) Mp+Xn- y, wobei M Metallatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallen der Haupt- und Nebengruppen des Periodensystems der Elemente, X ein Anion, p Oxidationszahl des Metallatoms M, n eine ganze Zahl aus 1, 2 oder 3 und y eine ganze Zahl aus 0, 1 oder 2 bedeuten, und/oder Group of the general formula 1 / (pn * y) M p + X n- y , where M is a metal atom selected from the group consisting of metals from the main and subgroups of the Periodic Table of the Elements, X is an anion, p is the oxidation number of the metal atom M, n is a integer from 1, 2 or 3 and y denotes an integer from 0, 1 or 2, and / or
Gruppe der allgemeinen Formel (IIa) Group of the general formula (IIa)
-SiR1 m(OR2)3-m wobei R1 und R2 unabhängig voneinander die oben genannten Bedeutungen haben und m unabhängig voneinander 0, 1 , 2 oder 3 bedeuten kann, n= 1, 2 oder 3, und wenigstens ein Lösungsmittel, wenigstens eine oberflächenaktive Substanz oder eine Mischung davon, wobei in der Verbindung der allgemeinen Formel (I) oder in der Gruppe der allgemeinen Formel (H a) mindestens ein Rest R2NR1 4 + oder eine Gruppe der allgemeinen Formel 1/(p-n*y) Mp+Xn_ y mit den oben genannten Bedeutungen für R1, p, n, y, M und X ist. -SiR 1 m (OR 2 ) 3-m where R 1 and R 2 independently of one another have the meanings given above and m independently of one another can mean 0, 1, 2 or 3, n = 1, 2 or 3, and at least one solvent , at least one surface-active substance or a mixture thereof, where in the compound of the general formula (I) or in the group of the general formula (H a) at least one radical R 2 NR 1 4 + or a group of the general formula 1 / (pn * y) M p + X n_ y with the Above meanings for R 1 , p, n, y, M and X is.
Hat R2 in der Verbindung der allgemeinen Formel (I) mehrmals, beispielsweise mehr als einmal, die Bedeutung einer Gruppe der allgemeinen Formel (H a), so liegen entsprechende Verbindungen vor, die zwei, drei, vier oder mehr Einheiten mit Si-Atomen tragen. Daher liegen für den Fall, dass R2 mehrmals eine Gruppe der allgemeinen Formel (H a) bedeutet, Polysiloxane vor. If R 2 in the compound of the general formula (I) has the meaning of a group of the general formula (H a) several times, for example more than once, then there are corresponding compounds which have two, three, four or more units with Si atoms wear. Therefore, in the event that R 2 more than once denotes a group of the general formula (H a), there are polysiloxanes.
Es gilt, dass ein Organosiliconat mindestens eine Si-C-Bindung aufweist, d.h. mindestens ein Rest muss organischer Natur sein. The rule is that an organosiliconate has at least one Si-C bond, i.e. at least one residue must be organic in nature.
Der besondere Vorteil beim Einsatz von Organosiliconaten als Modifizierungsmittel besteht darin, dass diese hochgradig wasserlöslich und daher für eine homogene Reaktion im wässrigen Medium besonders geeignet sind. Der Einsatz einer wässrigen Lösung der ansonsten festen Stoffe vereinfacht die Handhabung, da mittels Pumpen vergleichsweise einfach eine exakte Dosierung erreicht werden kann. The particular advantage of using organosiliconates as modifiers is that they are highly water-soluble and therefore particularly suitable for a homogeneous reaction in an aqueous medium. The use of an aqueous solution of the otherwise solid substances simplifies handling, since an exact dosage can be achieved comparatively easily by means of pumps.
Typischerweise eingesetzte Modifizierungsmittel sind dagegen schlecht bis gar nicht wasserlöslich. Sie reagieren teilweise spontan und unter starker Wärmeentwicklung heftig mit Wasser, wodurch eine sichere, gleichmäßige und kontrollierte Reaktionsführung deutlich erschwert ist (das trifft beispielsweise auf die oft eingesetzten Chlorsilane zu). Modifying agents typically used, on the other hand, are poorly or not at all water-soluble. Some of them react violently with water and generate a lot of heat, which makes it much more difficult to conduct the reaction safely, uniformly and in a controlled manner (this applies, for example, to the chlorosilanes that are often used).
Erfindungsgemäß können auch Gemische verschiedener Organosiliconate eingesetzt werden. Gemische werden bevorzugt eingesetzt, wenn funktionelle Gruppen (z.B. Vinyl, Allyl, oder Schwefelhaltige Gruppen wie z.B. C3H6SH) eingeführt werden sollen. Bevorzugt wird in das erfindungsgemäße Verfahren als Organosiliconat ein Methylsiliconat, insbesondere bevorzugt ein Monomethylsiliconat eingesetzt. Mixtures of different organosiliconates can also be used according to the invention. Mixtures are preferably used when functional groups (for example vinyl, allyl, or sulfur-containing groups such as, for example, C 3 H 6 SH) are to be introduced. A methyl siliconate, particularly preferably a monomethyl siliconate, is preferably used as the organosiliconate in the process according to the invention.
Der Einsatz von Monomethylsiliconaten ist über das oben Gesagte hinaus besonders vorteilhaft, weil Monomethylsiliconate einfach und in guter Ausbeute aus den leicht verfügbaren und kostengünstigen Stoffen Methyltrichlorsilan,The use of monomethylsiliconates is particularly advantageous beyond what has been said above, because monomethylsiliconates are simple and in good yield from the easily available and inexpensive substances methyltrichlorosilane,
Methyltrimethoxysilan oder Methylsilantriol durch Umsetzung mit alkalisch reagierenden Stoffen ggf. im wässrigen Medium erhalten werden können. Methyltrimethoxysilane or methylsilanetriol can be obtained by reaction with alkaline substances, if necessary in an aqueous medium.
Besonders bevorzugt werden wässrige Lösungen von Monomethylsiliconaten der allgemeinen Form (CH3)Si(OH)3-x0Mx und deren oligomere Kondensationsprodukte eingesetzt, wobei das Gegenion M vorzugsweise Kalium oder Natrium ist und vorzugsweise gilt x = 0,5-1,5, besonders bevorzugt 0,8-1,3. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt x= 0,8-0,9. x bezieht sich dabei nicht auf 1 Molekül, sondern auf die Gesamtheit der in der Mischung vorliegenden Moleküle. Aqueous solutions of monomethylsiliconates of the general form (CH 3 ) Si (OH) 3-x 0M x and their oligomeric condensation products are particularly preferably used, the counterion M preferably being potassium or sodium and preferably x = 0.5-1.5 , particularly preferably 0.8-1.3. In a particularly preferred embodiment, x = 0.8-0.9. x does not refer to 1 molecule, but to the entirety of the molecules present in the mixture.
Die eingesetzte Organosiliconat-Lösung besitzt vorzugsweise eine Dichte von 1,2-1,4 g/cm3 Die Dichte kann beispielsweise nach DIN 12791 bestimmt werden. The organosiliconate solution used preferably has a density of 1.2-1.4 g / cm 3. The density can be determined in accordance with DIN 12791, for example.
Die Verunreinigungen der Organosiliconat-Lösung an herstellungsbedingt enthaltenen Alkoholen (z.B. Ethanol oder Methanol) betragen vorzugsweise < 1 Gew.-% besonders bevorzugt <100 ppm, bezogen auf die Gesamtmasse der Organosiliconat- Lösung. Die alkoholischen Verunreinigungen können durch quantitative Gaschromatographie (beispielsweise mit dem 6890 Gaschromatographen der Firma Agilent ausgestattet mit einem FID-Detektor und OV-1-Trennsäule) bestimmt werden. Der Festgehalt der wässrigen Organosiliconat-Lösungen beträgt vorzugsweise 20 Gew.-% bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 Gew.-% bis 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Organosiliconat-Lösung. Der Festgehalt kann mit einem IR- Feuchtebestimmer (beispielsweise mit dem IR-Feuchtebestimmer MA 30 der Firma Sartorius) bei einer Messtemperatur von 105 °C bestimmt werden. The impurities in the organosiliconate solution in alcohols (eg ethanol or methanol) contained in the production process are preferably <1% by weight, particularly preferably <100 ppm, based on the total mass of the organosiliconate solution. The alcoholic impurities can be determined by quantitative gas chromatography (for example with the 6890 gas chromatograph from Agilent equipped with an FID detector and OV-1 separation column). The solids content of the aqueous organosiliconate solutions is preferably 20% by weight to 70% by weight, particularly preferably 30% by weight to 60% by weight, based on the total mass of the organosiliconate solution. The solids content can be determined with an IR moisture analyzer (for example with the IR moisture analyzer MA 30 from Sartorius) at a measuring temperature of 105 ° C.
Der Wirkstoffgehalt gerechnet als (CH3)SiO3/2 in der Reaktionsmischung beträgt vorzugsweise 15 Gew.-% bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung. The active ingredient content calculated as (CH 3 ) SiO 3/2 in the reaction mixture is preferably 15% by weight to 40% by weight, particularly preferably 30% by weight to 35% by weight, based on the total mass of the reaction mixture.
Der Gehalt an Alkalimetall der Organosiliconat-Lösung beträgt vorzugsweise 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 9 Gew.-% bis 18 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Organosiliconat-Lösung. Der Alkaligehalt kann beispielsweise durch Titration mit 0,1 molarer Salzsäure gegen den Indikator Phenolphtalein bestimmt werden. Die Anzahl der dabei basisch reagierenden Gruppen entspricht bei Organosiliconat-Lösungen der Anzahl an Alkalimetallionen. The alkali metal content of the organosiliconate solution is preferably 5% by weight to 20% by weight, particularly preferably 9% by weight to 18% by weight, based on the total mass of the organosiliconate solution. The alkali content can be determined, for example, by titration with 0.1 molar hydrochloric acid against the indicator phenolphthalein. In organosiliconate solutions, the number of groups with a basic reaction corresponds to the number of alkali metal ions.
Die erfindungsgemäßen Kieselsäuren können mit ausschließlich einem Organosiliconat modifiziert sein, es kann aber auch eine Mischung von zwei oder mehreren Verbindungen aus der Gruppe der Organosiliconate eingesetzt werden. The silicas according to the invention can be modified with only one organosiliconate, but a mixture of two or more compounds from the group of organosiliconates can also be used.
Die dosierte Gesamtmenge des Modifizierungsmittels wird vorzugsweise so gewählt, dass der Feststoffanteil gerechnet als [SiO4/2]g [(CH3)SiO3/2]j (mit g und j unabhängig voneinander als beliebiger positiver Zahl), d.h. der Feststoffanteil der modifizierten [SiO4/2]-Einheiten in der hergestellten modifizierten Fällungskieselsäure, 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung nicht überschreitet. Insbesondere bevorzugt liegt der Festgehalt gerechnet als [SiO4/2]m[(CH3) SiO3/2]n zwischen 5 Gew.-% und 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung. The total amount of modifier metered is preferably chosen so that the solids content calculated as [SiO 4/2 ] g [(CH 3 ) SiO 3/2 ] j (with g and j independently of one another as any positive number), ie the solids content of modified [SiO 4/2 ] units in the modified precipitated silica produced does not exceed 25% by weight, particularly preferably 15% by weight, based on the total mass of the reaction mixture. Particularly preferred the solids content, calculated as [SiO 4/2 ] m [(CH 3) SiO 3/2 ] n, is between 5% by weight and 10% by weight based on the total mass of the reaction mixture.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Konzentration an modifizierten Gruppen in den Primärpartikeln von innen nach außen zunimmt. According to the invention, it is preferred that the concentration of modified groups in the primary particles increases from the inside out.
Nach abgeschlossener Reaktionszeit, d.h. nach Verfahrensschritt i und vor Verfahrensschritt ii, ist es bevorzugt, dass der pH- Wert bevorzugt auf einen Wert kleiner als pH=5, besonders bevorzugt auf einen Wert kleiner als pH=4 und insbesondere bevorzugt auf pH=3,5 gesenkt wird. After the reaction time has ended, ie after process step i and before process step ii, it is preferred that the pH value is preferably less than pH = 5, particularly preferably to a value less than pH = 4 and particularly preferably to pH = 3, 5 is lowered.
Zudem wird die Reaktionsmischung nach abgeschlossener Reaktionszeit, d.h. nach Verfahrensschritt i und vor Verfahrensschritt ii, bevorzugt auf eine Temperatur von weniger als 55 °C und besonders bevorzugt auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei während des Abkühlens bevorzugt weiter gerührt wird. In addition, after the reaction time has ended, i.e. after process step i and before process step ii, the reaction mixture is preferably cooled to a temperature of less than 55 ° C and particularly preferably to room temperature, preferably continuing to stir during cooling.
Im 2. Verfahrensschritt (ii) wird die feste Phase der Reaktionsmischung von der flüssigen Phase abgetrennt, wobei die feste Phase optional gewaschen wird. Dieser Verfahrensschritt dient u.a. dem Abtrennen von Salzen, die in der späteren Anwendung der modifizierten Fällungskieselsäure stören würden. In the 2nd process step (ii) the solid phase of the reaction mixture is separated from the liquid phase, the solid phase being optionally washed. This process step serves, among other things, to separate salts that would interfere with the later use of the modified precipitated silica.
Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung der festen von der flüssigen Phase durch Filtrieren, Sedimentieren, Auspressen oder Zentrifugieren, besonders bevorzugt durch Filtrieren. The solid phase is preferably separated off from the liquid phase by filtering, sedimenting, pressing or centrifuging, particularly preferably by filtering.
Zum Waschen können Wasser, polare organische Lösungsmittel oder Gemische davon eingesetzt werden, bevorzugt erfolgt das Waschen mit Wasser, besonders bevorzugt mit vollentsalztem, deionisierten (VE) Wasser, welches dadurch charakterisiert ist, dass es eine Leitfähigkeit von <5 μS/cm, bevorzugt von <3 μS/cm und besonders bevorzugt von < 0,1 μS/cm aufweist. Water, polar organic solvents or mixtures thereof can be used for washing; washing is preferably carried out with water, particularly preferably with fully demineralized, deionized (VE) water, which is characterized by that it has a conductivity of <5 μS / cm, preferably of <3 μS / cm and particularly preferably of <0.1 μS / cm.
Das Waschen kann auf verschiedene Arten erfolgen. Washing can be done in several ways.
Beispielsweise wird der durch Filtration abgetrennte Feststoff solange mit frischem Wasser durchspült, bis ein ausreichend niedriger (vorzugsweise konstanter) Leitfähigkeitswert des Waschwassers von <500 μS/cm, vorzugsweise <100 μS/cm, besonders bevorzugt <10 μS/cm erreicht wird. Die Durchströmung kann kontinuierlich oder portionsweise erfolgen. Eine besonders effiziente Form des Waschens stellt die Redispergierung des Filterkuchens in sauberem Wasser gefolgt von einer weiteren Filtration dar. For example, the solid separated by filtration is rinsed with fresh water until a sufficiently low (preferably constant) conductivity value of the wash water of <500 μS / cm, preferably <100 μS / cm, particularly preferably <10 μS / cm is reached. The flow through can take place continuously or in portions. A particularly efficient form of washing is the redispersion of the filter cake in clean water followed by further filtration.
Die Leitfähigkeit von Wasser kann mit einem kommerziell erhältlichen Leitfähigkeitsmessgerät gemessen werden. Ein Beispiel für ein Leitfähigkeitsmessgerät, das verwendet werden kann, ist in den Analysemethoden genannt. The conductivity of water can be measured with a commercially available conductivity meter. An example of a conductivity meter that can be used is given in the analysis methods.
Es ist gegebenenfalls eine Nachbehandlung mit Reagenzien, die im Stand der Technik bekannt sind und üblicherweise zur Modifizierung eingesetzt werden, möglich. An aftertreatment with reagents which are known in the prior art and are usually used for modification is possible, if necessary.
Nach dem Waschen hat die abgetrennte feste Phase, d.h. beispielsweise der Filterkuchen der Reaktionsmischung, einen Feststoffanteil von 50 Gew.-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmasse der abgetrennten festen Phase, bevorzugt 10 Gew.-% oder mehr bis 35 Gew.-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmasse der abgetrennten festen Phase, und besonders bevorzugt 20 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmasse der abgetrennten festen Phase. Hierbei ist zu bemerken, dass trotz des relativ hohen Wassergehaltes der abgetrennten festen Phase, diese ein feststoffartiges Erscheinungsbild aufweist. Weiterhin wird die abgetrennte feste Phase der Reaktionsmischung, d.h. beispielsweise der Filterkuchen, in einem weiteren Verfahrensschritt (iii) dynamisch getrocknet. After washing, the separated solid phase, ie for example the filter cake of the reaction mixture, has a solids content of 50% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase, preferably 10% by weight or more to 35% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase, and particularly preferably 20% by weight or more to 30% by weight or less, based on the total mass of the separated solid phase. It should be noted here that despite the relatively high water content of the separated solid phase, it has a solid-like appearance. Furthermore, the separated solid phase of the reaction mixture, ie for example the filter cake, is dynamically dried in a further process step (iii).
Trocknungsprozesse werden im Allgemeinen nach Art der Energiezufuhr unterschieden in Kontakttrockner, bei denen die Wärme über eine beheizte Wand ins Trocknungsgut eingebracht wird, sowie Konvektionstrockner, bei denen die Wärme über einen Warmen bis heißen Gasstrom ins Trocknungsgut eingebracht wird. Drying processes are generally differentiated according to the type of energy supply: contact dryers, in which the heat is introduced into the goods to be dried via a heated wall, and convection dryers, in which the heat is introduced into the goods to be dried via a warm to hot gas flow.
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Konvektionstrockner eingesetzt. A convection dryer is preferably used in the method according to the invention.
Eine weitere Unterscheidung der Prozesse in statische sowie dynamische Trocknung entsprechend der Bewegung des Trocknungsgutes wird auch häufig angewendet. Unter dynamischer Trocknung werden Trocknungsprozesse unter Bewegung des Trocknungsgutes verstanden. Diese führen aufgrund der hohen freigelegten Stoffübergangsoberfläche und ebenfalls resultierenden intensiverem Wärmeübergang im Allgemeinen zu deutlich höheren Trocknungsgeschwindigkeiten als bei statischen Trocknungsprozessen, bei denen das Trocknungsgut ohne aktive Bewegung getrocknet wird (z.B. Trockenschrank, Hordentrockner, Bandtrockner, Walzentrockner). Typische dynamische Trocknungsapparate sind Schaufeltrockner, Stromtrockner oder Wirbelschichttrockner. A further distinction between the processes in static and dynamic drying according to the movement of the items to be dried is also often used. Dynamic drying is understood to mean drying processes with movement of the items to be dried. Due to the high exposed mass transfer surface and the resulting more intensive heat transfer, these generally lead to significantly higher drying speeds than with static drying processes in which the material to be dried is dried without active movement (e.g. drying cabinet, tray dryer, belt dryer, drum dryer). Typical dynamic drying devices are paddle dryers, flow dryers or fluidized bed dryers.
Die Trocknung kann zudem kontinuierlich oder portionsweise (Batch-Trocknung) erfolgen. Vorzugsweise wird die Trocknung kontinuierlich durchgeführt. The drying can also take place continuously or in portions (batch drying). The drying is preferably carried out continuously.
Eine weitere Beschleunigung der Trocknungsgeschwindigkeit und die Vermeidung von Klumpenbildung des Trocknungsgutes lässt sich durch den Einsatz erhöhter mechanischer Beanspruchungen des Trockengutes realisieren. Möglichkeiten hierzu bilden Prall-Schikanen in der Flugförderungszone von Strom- oder Flugtrocknern oder auch schnell rotierende Einbauten z.B. Zerhackereinheiten in Schaufeltrocknern oder schnelllaufenden Misch- und Zerteilungswerkzeugen in Trocknern ähnlicher Bauart wie Spin Flash Trockner (Firma SPX Flow). A further acceleration of the drying speed and the avoidance of lump formation in the items to be dried can be achieved by using increased mechanical loads on the items to be dried. Form possibilities for this Impact baffles in the flight conveyor zone of electric or flight dryers or also rapidly rotating internals, e.g. chopper units in paddle dryers or high-speed mixing and dividing tools in dryers of a similar design such as Spin Flash dryers (SPX Flow company).
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Trockner eingesetzt, der Elemente zur mechanischen Beanspruchung des Trockengutes aufweist. In the method according to the invention, a dryer is preferably used which has elements for the mechanical loading of the material to be dried.
Durch die mechanische Beanspruchung werden Klumpen, Agglomerate oder Verkrustungen aufgebrochen und neue Oberflächen freigelegt, die dann dem Stoff- und Wärmeübergang zur Verfügung stehen. Due to the mechanical stress, lumps, agglomerates or incrustations are broken up and new surfaces are exposed, which are then available for mass and heat transfer.
Zusätzlich lassen sich noch klassierende Elemente mit Rückführung von relativ schweren (feuchten oder agglomerierten) Partikeln in den Trocknungsraum integrieren. Beispiele für klassierende Elemente sind Windsichter, Steigrohrsichter, Zyklone, Drallsichter oder auch Abweiseradsichter. In addition, classifying elements with the return of relatively heavy (moist or agglomerated) particles can be integrated into the drying room. Examples of classifying elements are air separators, ascending pipe separators, cyclones, swirl separators or also deflector wheel separators.
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Trockner eingesetzt, der klassierende Elemente aufweist. In the method according to the invention, a dryer is preferably used which has classifying elements.
Besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Trockner eingesetzt, der Elemente zur mechanischen Beanspruchung des Trockengutes und klassierende Elemente enthält. In the method according to the invention, it is particularly preferred to use a dryer which contains elements for the mechanical loading of the material to be dried and classifying elements.
Ganz besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Konvektionstrockner eingesetzt, der Elemente zur mechanischen Beanspruchung des Trockengutes und klassierende Elemente enthält. Insbesondere wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Strömungsrohr mit nachgeschaltetem Zyklontrockner oder ein Trockner mit nach Bauart eines Spin Flash Trockners mit Abweiseradsichter eingesetzt. In the method according to the invention, it is very particularly preferable to use a convection dryer which contains elements for the mechanical loading of the material to be dried and classifying elements. In particular, a flow pipe with a downstream cyclone dryer or a dryer with a spin flash dryer with a deflector wheel sifter is used in the method according to the invention.
Unabhängig von der gewählten Trocknungstechnologie, finden auf Ebene des Trocknungsgutes im Allgemeinen folgende Teilschritte statt: Regardless of the selected drying technology, the following sub-steps generally take place at the level of the items to be dried:
1.Erwärmung Trocknungsgut und Flüssigkeit. 1. Heating up the material to be dried and the liquid.
Insb. bei Kontakttrocknungen wird das Trocknungsgut mit Temperaturen oberhalb des Siedepunktes der zu entfernenden Flüssigkeit beaufschlagt, sodass diese ab Erreichen der Siedetemperatur (abhängig vom Prozessdruck) verdampfen kann. Wird konvektiv mit trockenem Trocknungsgas gearbeitet, ist prinzipiell auch eine Trocknung unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit möglich, da ein StoffÜbergang der Flüssigkeit in die Gasphase auch durch Verdunstung erfolgt. In particular in the case of contact drying, the material to be dried is exposed to temperatures above the boiling point of the liquid to be removed, so that it can evaporate once the boiling point has been reached (depending on the process pressure). If dry drying gas is used convectively, drying below the boiling point of the liquid is also possible in principle, since the substance of the liquid is also transferred into the gas phase by evaporation.
2.Verdampfen/Verdunsten der freien Flüssigkeit 2. Evaporation / Evaporation of the free liquid
In dieser Phase wird die freie Flüssigkeit zwischen den Partikeln und auf der Partikeloberfläche des Trocknungsgutes abgezogen. Die Trocknungsgeschwindigkeit wird meist nur in geringem Umfang vom partikulären Trocknungsgut beeinflusst und weist in dieser Phase ihren maximalen Wert auf. Die Verdampfung/Verdunstung erfolgt ähnlich dem der reinen Flüssigkeit. In this phase, the free liquid between the particles and on the particle surface of the material to be dried is drawn off. The drying speed is mostly only influenced to a small extent by the particulate material to be dried and shows its maximum value in this phase. The evaporation / evaporation is similar to that of the pure liquid.
3.Trocknung der „inneren Kapillarfeuchtigkeit" aus porösen Feststoffen 3. Drying of the "inner capillary moisture" from porous solids
Nach Abzug der frei zugänglichen Flüssigkeitsanteile sinkt der Trocknungsspiegel in den Poren ab und es werden Transportwiderstände für diffusiven Abtransport des Wasserdampfes aus den Poren sowie konduktive Wärmeleitung von der Partikeloberfläche ins Innere des Feststoffs relevant. Die Trocknungsgeschwindigkeit reduziert sich stetig mit zunehmender Trockenheit. After the freely accessible liquid has been subtracted, the drying level in the pores drops and there are transport resistances for diffusive removal of the water vapor from the pores as well as conductive heat conduction relevant from the particle surface to the interior of the solid. The drying speed decreases steadily with increasing dryness.
4 .Abzug von Restflüssigkeit 4. Discharge of residual liquid
Letzte Restmengen der Flüssigkeit (z.B. Kristallwasser) können temperaturabhängig im letzten Trocknungsschritt in der Regel nur mit sehr geringenDepending on the temperature, the last remaining quantities of the liquid (e.g. water of crystallization) can usually only be removed with very small amounts in the last drying step
Trocknungsgeschwindigkeiten abgezogen werden, da sowohl Transportwiderstände zunehmen, als auch Stoffübergangstriebkräfte reduziert werden. Drying speeds are deducted, since both transport resistances increase and mass transfer forces are reduced.
Ein gebräuchliches Maß für die Charakterisierung eines Trocknungsprozesses ist die oberflächenspezifische Trocknungsgeschwindigkeit, die im oben beschriebenen zweiten Trocknungsabschnitt maximal ist und mit zunehmender Trockenheit des Trocknungsgutes absinkt. Die oberflächenspezifische Trocknungsgeschwindigkeit in Batch-Trocknungsprozessen ist bestimmt durch:
Figure imgf000032_0001
mFl Masse verdampfte Flüssigkeit [kg]
A common measure for characterizing a drying process is the surface-specific drying speed, which is maximum in the second drying section described above and which decreases with increasing dryness of the items to be dried. The surface-specific drying speed in batch drying processes is determined by:
Figure imgf000032_0001
m Fl mass of evaporated liquid [kg]
A Oberfläche des Trockengutes [m2] ABET spezifische BET-Oberfläche des Trockengutes [m2/kg] Xo Feuchteanteil zu Beginn der Trocknung [-] Xt Feuchteanteil zum Ende der Trocknung [-] A Surface of the dry material [m 2 ] A BET specific BET surface of the dry material [m 2 / kg] X o Moisture content at the beginning of drying [-] X t Moisture content at the end of drying [-]
Δt Trocknungszeit [s] Δt drying time [s]
V oberflächenspezifische Trocknungsgeschwindigkeit [kg/(m2*s)j bzw. [g/(m2*h)] V surface-specific drying speed [kg / (m 2 * s) j or [g / (m 2 * h)]
Zur Beschreibung kontinuierlicher Trocknungsprozesse sind die Massen durch entsprechende Massenströme ([kg/h]) und die Trocknungszeit durch die mittlere Verweilzeit des Produktes im Trocknungsbereich ([s]) zu ersetzen. To describe continuous drying processes, the masses are given by corresponding mass flows ([kg / h]) and the Replace the drying time with the mean residence time of the product in the drying area ([s]).
Vorzugsweise beträgt die oberflächenspezifische Trocknungsgeschwindigkeit über den gesamten Trocknungsprozess (vom Start der Trocknung bis zum Ende der Trocknung) The surface-specific drying speed over the entire drying process (from the start of drying to the end of drying) is preferably
0,04 g/(m2*h) oder mehr bis 60 g/(m2*h) oder weniger, besonders bevorzugt 0,4 g/(m2*h)oder mehr bis 40 g/(m2*h) oder weniger, ganz besonders bevorzugt 1 g/(m2*h)oder mehr bis 20 g/(m2*h) oder weniger. 0.04 g / (m 2 * h) or more up to 60 g / (m 2 * h) or less, particularly preferably 0.4 g / (m 2 * h) or more up to 40 g / (m 2 * h) ) or less, very particularly preferably 1 g / (m 2 * h) or more to 20 g / (m 2 * h) or less.
Die Trocknungstemperatur beträgt vorzugsweise 70 °C oder mehr bis 200 °C oder weniger, besonders bevorzugt 90 °C oder mehr bis 170 °C oder weniger, ganz besonders bevorzugt 100 °C oder mehr bis 150 °C oder weniger. The drying temperature is preferably 70 ° C. or more to 200 ° C. or less, particularly preferably 90 ° C. or more to 170 ° C. or less, very particularly preferably 100 ° C. or more to 150 ° C. or less.
Unter der Trocknungstemperatur wird bei konvektiver Trocknung die Heißgastemperatur (Zulufttemperatur zum Trockner) und bei Kontakttrocknung die Temperatur der Heizelemente (beispielsweise Heizmantel, Rohrschlangen, Heizbänder oder ähnlichen) verstanden. In the case of convective drying, the drying temperature is understood to mean the hot gas temperature (supply air temperature to the dryer) and, in the case of contact drying, the temperature of the heating elements (for example, heating jacket, pipe coils, heating strips or similar).
Die mittlere Verweilzeit (bei kontinuierlicher Trocknung) bzw. Trockungszeit (bei Batch-Trockung) beträgt vorzugsweise 5 s oder mehr bis 3.600 s oder weniger, besonders bevorzugt 10 s oder mehr bis 1.800 s oder weniger. The mean residence time (in the case of continuous drying) or drying time (in the case of batch drying) is preferably 5 s or more to 3,600 s or less, particularly preferably 10 s or more to 1,800 s or less.
Die mittlere Verweilzeit beträgt bei kontinuierlicher Trockung vorzugsweise 5 s oder mehr bis 600 s oder weniger, besonders bevorzugt 10 s oder mehr bis 300 s oder weniger. In the case of continuous drying, the mean residence time is preferably 5 s or more to 600 s or less, particularly preferably 10 s or more to 300 s or less.
Die mittlere Verweilzeit des Trocknungsgutes in der kontinuierlichen Trocknung ergibt sich rechnerisch aus dem Quotienten von Masse-Holdup Trockensubstanz im Trockner sowie dem Massenstrom Trockenprodukt durch den Trockner. Das Trockengut kann in einer bevorzugten Verfahrensweise im Anschluss an die Reinigung vermahlen werden. Hierbei können Aggregate wie Stiftmühlen, Sichtermühlen, Hammermühlen, Gegenstrommühlen, Prallmühlen oder Vorrichtungen zur Mahlsichtung zum Einsatz kommen. The mean residence time of the material to be dried in the continuous drying is calculated from the quotient of the dry matter mass hold-up in the dryer and the mass flow of dry product through the dryer. In a preferred procedure, the dry material can be ground after cleaning. Here, units such as pin mills, classifier mills, hammer mills, countercurrent mills, impact mills or devices for grinding classification can be used.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise wird die Kieselsäure vor dem dynamischen Trocknen in flüssiger Phase vermahlen. Hierzu können alle Mühlen eingesetzt werden, bei denen das Mahlgut in einer flüssigen Phase vorliegt. Typische Beispiele sind horizontale oder vertikale Kugelmühlen und Perlmühlen, bei denen Mahlkörper zur Zerkleinerung des Mahlguts eingesetzt werden. Neben den zerkleinerungswirksamen Stößen zwischen Partikeln und Mahlkörpern treten in diesen Mühlenarten auch eine Vielzahl von Mahlkörper-Mahlkörper sowie Mahlkörper- Apparatewand Stöße statt, die ggf. unerwünschten Abrieb und Verschleiß und damit einhergehende Produktkontaminationen verursachen können. In a further preferred procedure, the silica is ground in the liquid phase before dynamic drying. All mills in which the ground material is in a liquid phase can be used for this purpose. Typical examples are horizontal or vertical ball mills and bead mills, in which grinding media are used to comminute the material to be ground. In addition to the crushing impacts between particles and grinding media, these types of mills also have a large number of grinding media-grinding media and grinding media-apparatus wall impacts that can cause undesirable abrasion and wear and the associated product contamination.
Weitere typische Beispiele sind Dispergieraggregate wie zum Beispiel Rotor-Stator-Apparate (Kolloidmühle, Zahnkranzdispergierer), deren Zerkleinerungswirkung im Wesentlichen auf Scherkräften durch das umgebende Fluid zurückzuführen ist, sowie Hochdruckhomogenisatoren, deren Dispergierwirkung sowohl auf Dehnströmung, Scherströmung, Turbulenz und ggf. auch Kavitation zurückzuführen ist. Insbesondere bei viskoseren Dispersionen sind Wälzmühlen wie Walzenstühle oder Kollergangmühlen zur Zerkleinerung geeignet. Bevorzugt sind Prall- oder Autogenflüssigmühlen (Flüssigkeits- Strahldispergierer), bei denen Dispersionsstrahlen, die das vordispergierte Mahlgut enthalten, mit hoher kinetischer Energie gegeneinander gerichtet werden oder gegen Prallflächen geleitet werden. Die Zerkleinerung beruht dabei auf Partikel- Partikel Stößen, Partikel-Wand Stößen sowie Turbulenz und ggf. Kavitation des umgebenden Fluids. Die einzelnen Verfahrensschritte können als diskontinuierlicher (Batch-Prozess) oder kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden. Aus technischen Gründen bevorzugt ist eine diskontinuierliche Reaktionsführung. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Anlagen sehr einfach und wenig störanfällig sind. Es können Standard-Rührwerke verwendet werden. Von der Keimbildung der Partikel bis hin zum fertigen Produkt liegt eine sehr gut definierte enge Verteilung der „Wachstumszeit" vor, eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung homogener Produkte. Other typical examples are dispersing units such as rotor-stator apparatus (colloid mill, toothed ring disperser), the crushing effect of which is essentially due to shear forces from the surrounding fluid, as well as high-pressure homogenizers, the dispersing effect of which can be attributed to stretching flow, shear flow, turbulence and possibly also cavitation is. Roller mills such as roller mills or pan mills are particularly suitable for comminuting more viscous dispersions. Impact or autogenous liquid mills (liquid jet dispersers) are preferred, in which dispersion jets containing the predispersed ground material are directed towards one another with high kinetic energy or are directed towards impact surfaces. The comminution is based on particle-particle impacts, particle-wall impacts as well as turbulence and possibly cavitation of the surrounding fluid. The individual process steps can be carried out as a discontinuous (batch process) or continuous process. For technical reasons, preference is given to carrying out the reaction batchwise. This procedure has the advantage that the systems are very simple and less prone to failure. Standard agitators can be used. From the nucleation of the particles to the finished product, there is a very well-defined, narrow distribution of the "growth time", an important prerequisite for the manufacture of homogeneous products.
Für den Batch-Prozess wird Wasser vorgelegt und aufgeheizt. Anschließend werden die Edukte wie u.a. Säure, [SiO4/2]- Ausgangsstoffe und gegebenenfalls weitere Stoffe zudosiert. Parallel oder zeitlich versetzt wird das Modifizierungsmittel zudosiert. Nach erfolgtem Verfhrensschritt i) wird die gesamte Reaktionsmischung entnommen, die feste Phase von der flüssigen Phase getrennt, wobei die feste Phase optional gewaschen wird, (ii), die feste Phase dynamisch getrocknet (iii) und optional gemahlen. For the batch process, water is provided and heated. Then the starting materials such as acid, [SiO 4/2 ] starting materials and, if necessary, other substances are metered in. The modifying agent is metered in in parallel or at different times. After process step i) has taken place, the entire reaction mixture is removed, the solid phase is separated from the liquid phase, the solid phase optionally being washed, (ii), the solid phase being dynamically dried (iii) and optionally grinding.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform erfolgen die Verfahrensschritte in einem kontinuierlichen Prozess. In an alternatively preferred embodiment, the method steps take place in a continuous process.
Der kontinuierliche Prozess umfasst: The continuous process includes:
(a) die kontinuierliche Einspeisung von (a) the continuous feeding of
1. einer oder mehreren Säuren und 1. one or more acids and
2. einer oder mehreren Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fällungskieselsäure, Alkoxysilan und Alkalisilicat in eine Reaktionszone, die von flüssigem Medium durchströmt wird; 2. one or more compounds selected from the group consisting of precipitated silica, alkoxysilane and alkali metal silicate in a reaction zone through which a liquid medium flows;
(b) die kontinuierliche Einspeisung von (b) the continuous feeding of
3. einem oder mehreren Organosiliconaten als Modifizierungsmittel parallel mit den Edukten aus (a) oder bezogen auf die Anlage räumlich versetzt (um bezogen auf die Reaktionsmischung eine zeitlich versetzte Zugabe zu erreichen) in die Reaktionszone;3. one or more organosiliconates as modifiers in parallel with the starting materials from (a) or spatially offset with respect to the system (in order to achieve a time-delayed addition with respect to the reaction mixture) into the reaction zone;
(c) die kontinuierliche Abführung der Reaktionsmischung; (c) the continuous discharge of the reaction mixture;
(d) die kontinuierliche Trennung der festen von der flüssigen Phase der Reaktionsmischung, zum Beispiel durch Filtern, und optional waschen der festen Phase; und (d) the continuous separation of the solid from the liquid phase of the reaction mixture, for example by filtering, and optionally washing the solid phase; and
(e) kontinuierliches, dynamisches Trocknen der festen Phase. (e) continuous, dynamic drying of the solid phase.
Die einfachste Form eines Reaktors zur Durchführung von kontinuierlichen chemischen Prozessen ist ein Rohr- oder Kesselreaktor. WO 2011/106289 beschreibt beispielsweise die kontinuierliche Kieselsäureherstellung in einem Loop-Reaktor, der auch in diesem Verfahren eingesetzt werden kann. Insbesondere bevorzugt wird ein Taylor-Couette-Reaktor, wie er beispielsweise in DE 10151777 beschrieben ist, eingesetzt. Dieser besteht in der Regel aus zwei koaxialen konzentrisch angeordneten Zylindern, wobei der äußere Hohlzylinder ruht und der innere Vollzylinder rotiert. Als Reaktionsraum dient das Volumen, das durch den Spalt der Zylinder gebildet wird. Wie in DE 10151 777 detailliert beschrieben, beträgt im stationären Zustand, d.h. Zustand des Reaktors nach dem Anfahren (bei vollständiger Füllung des Reaktors mit den Reaktanden), die Taylorzahl 50-50.000, bevorzugt 500-20.000, besonders bevorzugt 3.000-10.000 und die Reynoldszahl (axial) 0,0724 bis 7,24, bevorzugt 0,1348-2,69, besonders bevorzugt 0,4042-1,35. Die mittlere Verweilzeit im Taylor-Reaktor kann zwischen 5 und 500 Minuten liegen. Bevorzugt wird der Reaktor in senkrechter Position mit einem Durchfluss von unten nach oben oder oben nach unten betrieben. The simplest form of a reactor for carrying out continuous chemical processes is a tube or tank reactor. WO 2011/106289 describes, for example, the continuous production of silica in a loop reactor, which can also be used in this process. A Taylor-Couette reactor, as described, for example, in DE 10151777, is particularly preferably used. This usually consists of two coaxial concentrically arranged cylinders, the outer hollow cylinder resting and the inner solid cylinder rotating. The volume that is formed by the gap between the cylinders serves as the reaction space. As described in detail in DE 10151 777, in the steady state, ie the state of the reactor after start-up (when the reactor is completely filled with the reactants), the Taylor number is 50-50,000, preferably 500-20,000, particularly preferably 3,000-10,000, and the Reynolds number (axial) 0.0724 to 7.24, preferably 0.1348-2.69, particularly preferably 0.4042-1.35. The mean residence time in the Taylor reactor can be between 5 and 500 minutes. The reactor is preferably operated in a vertical position with a flow from bottom to top or top to bottom.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Herstellung und Modifizierung der Fällungskieselsäure in einem Topf erfolgen, besteht darin, dass das Verfahren besonders kostengünstig, schnell und einfach in der Handhabung ist, sowie ressourcenschonend arbeitet. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, dass sich Zusammensetzungen hersteilen lassen, die eine hohe chemische Reinheit aufweisen. Trotz der Modifizierung der Kieselsäure lassen sich nicht flüchtige wasserlösliche Verunreinigungen wie Natrium, Kalium und Schwefel in Verfahrensschritt (ii) leicht entfernen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass schon unter üblichen Waschbedingungen, d.h. mit geringen Mengen des Waschmediums bzw. in wenigen Waschschritten eine gute Abtrennung von ionischen Verunreinigungen erreicht werden kann, die sich z.B. in einer konstanten geringen Leitfähigkeit des Waschmediums äußert. The advantage of the process according to the invention, in which the production and modification of the precipitated silica are carried out in one pot, is that the process is particularly inexpensive, quick and easy to use, as well as works in a way that conserves resources. A particular advantage of the method is that compositions can be produced which have a high chemical purity. Despite the modification of the silica, non-volatile water-soluble impurities such as sodium, potassium and sulfur can easily be removed in process step (ii). It is particularly advantageous that a good separation of ionic impurities can be achieved even under normal washing conditions, ie with small amounts of the washing medium or in a few washing steps, which is expressed, for example, in a constant low conductivity of the washing medium.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ohne dadurch beschränkt zu werden. The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments, without being restricted thereby.
Beispiele Examples
Materialien materials
Schwefelsäure wurde in einer Konzentration von 50 % in technischer Reinheit von der Fa. Brenntag bezogen.Als wässrige Natriumsilikatlösung wurde kommerzielles Wasserglas 38/40 der Firma Wöllner mit einer Dichte bei 20 °C gemäß Herstellerangaben von ca. 1,37 g/cm3 eingesetzt. Sulfuric acid was obtained in a concentration of 50% in technical purity from Brenntag. The aqueous sodium silicate solution used was commercial water glass 38/40 from Wöllner with a density at 20 ° C according to the manufacturer's instructions of approx. 1.37 g / cm 3 .
Als Kaliummethylsiliconatlösung wurde wässrigeThe potassium methyl siliconate solution was aqueous
Kaliummethylsiliconatlösung SILRES® BS16 der Fa. WACKER Chemie AG mit einem Wirkstoffanteil, berechnet als CH3Si(O)3/2, von ca. 34 Gew.-% gemäß Herstellerangaben, eingesetzt. Potassium methylsiliconate solution SILRES ® BS16 from WACKER Chemie AG with an active ingredient content, calculated as CH 3 Si (O) 3/2 , of approx. 34% by weight according to the manufacturer's instructions, was used.
Das eingesetzte vollentsalzte (deionisierte) Wasser (VE-Wasser) wies eine Leitfähigkeit von ≤ 0,1 μS/cm auf. Soweit nicht anders erwähnt werden die Verfahrensschritte bis zum Filtrations- und Waschschritt unter Rühren durchgeführt. Analysemethoden: The fully demineralized (deionized) water (deionized water) used had a conductivity of ≤ 0.1 μS / cm. Unless otherwise mentioned, the process steps up to the filtration and washing step are carried out with stirring. Analysis methods:
Bestimmung der BET-Oberflache Determination of the BET surface area
Die spezifische Oberfläche wurde bestimmt nach der BET-Methode entsprechend DIN 9277/66131 und 9277/66132 unter Verwendung eines SA™ 3100 Analysators der Firma Beckmann-Coulter. The specific surface was determined by the BET method according to DIN 9277/66131 and 9277/66132 using an SA ™ 3100 analyzer from Beckmann-Coulter.
Bestimmung des Kohlenstoffgehalts (%C) Determination of the carbon content (% C)
Die Elementaranalyse auf Kohlenstoff erfolgte nach DIN ISO 10694 unter Verwendung eines CS-530 Elementaranalysators der Firma Eitra GmbH (D-41469 Neuss). The elemental analysis for carbon was carried out in accordance with DIN ISO 10694 using a CS-530 elemental analyzer from Eitra GmbH (D-41469 Neuss).
Bestimmung der Homogenität der OberflächenmodifizierungDetermination of the homogeneity of the surface modification
Versuch 1: Experiment 1:
In einem 50 ml Schnappdeckel-Glas wurden 25 ml VE-Wasser vorgelegt. Anschließend wurden 100 mg des zu untersuchenden Kieselsäurepulvers zugegeben, das Glas verschlossen und 30 s intensiv geschüttelt. 25 ml of deionized water were placed in a 50 ml snap-lid glass. 100 mg of the silica powder to be examined were then added, the glass was closed and shaken vigorously for 30 s.
Bewertung: Rating:
- Hydrophil: Die Kieselsäure wurde größtenteils benetzt und sank in die Wasser-Phase ein. - Hydrophilic: The silica was mostly wetted and sank into the water phase.
- Hydrophob: Die Kieselsäure wurde größtenteils nicht benetzt und sank nicht ein. Sie schwamm auf der Wasserphase und bildete eine separate Phase. - Hydrophobic: Most of the silica was not wetted and did not sink. It floated on the water phase and formed a separate phase.
Versuch 2: Experiment 2:
In einem 50 ml Schnappdeckel-Glas wurden 15 ml VE-Wasser und 15 ml Butanol vorgelegt. Anschließend wurden 100 mg des zu untersuchenden Kieselsäurepulvers zugegeben, das Glas verschlossen und 30 s intensiv geschüttelt. Nach Trennung der Phasen wurde die Verteilung der Partikel in beiden Phasen optisch bewertet. 15 ml of deionized water and 15 ml of butanol were placed in a 50 ml snap-lid glass. 100 mg of the silica powder to be examined were then added, the glass was closed and shaken vigorously for 30 s. After the phases had been separated, the distribution of the particles in both phases was visually assessed.
Bewertung: Rating:
- Lipophil: Die obere Butanolphase war stark trüb, die untere- Lipophilic: The upper butanol phase was very cloudy, the lower
Wasserphase weitgehend klar. - Lipophob: Die obere Butanolphase war weitgehend klar, die untere Wasserphase stark trüb. Water phase largely clear. - Lipophobic: The upper butanol phase was largely clear, the lower water phase was very cloudy.
Bestimmung der Homogenität:
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Determination of the homogeneity:
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*) In diesem Fall bildet sich eine dritte feststoffreiche*) In this case, a third one, rich in solids, is formed
Phase zwischen der wässrigen Phase und der Butanol-Phase. Phase between the aqueous phase and the butanol phase.
Bestimmung der BET-Konstante CBET und der Adsorptionsenergie- Verteilungsfunktionen Determination of the BET constant CBET and the adsorption energy distribution functions
Die Bestimmung erfolgte mittels Inverser Gaschromatographie in endlicher Verdünnung (IGC-FC). Dazu wurde eine nicht-rostende Chromatographiesäule mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Länge von 15 cm mit der zu untersuchenden Kieselsäure gefüllt. Die Probenmenge betrug ca. 190 mg. Die beiden Enden der Säule wurden mit silanisierter Glaswolle verschlossen. Die gepackte Säule wurde mit Hilfe von 1/8' Swagelok-Anschlüssen an den Gaschromatographen angeschlossen. Bei dem Gaschromatographen handelte es sich um ein übliches kommerzielles Gerät mit FID-Detektor. Als Trägergas wurdeThe determination was carried out by means of inverse gas chromatography in finite dilution (IGC-FC). For this purpose, a stainless chromatography column with an internal diameter of 2 mm and a length of 15 cm was filled with the silica to be examined. The sample amount was approx. 190 mg. The two ends of the column were closed with silanized glass wool. The packed column was connected to the gas chromatograph using 1/8 'Swagelok connectors. The gas chromatograph was a common commercial device with an FID detector. As a carrier gas
Helium eingesetzt. Vor der Messung wurde die Probe für 16 h bei 110 °C und einer Gasflussrate von 12 ml/min entgast. Die anschließende Messung erfolgte bei 50 °C und einer Gasflussrate von 20 ml/min. Dazu wurden üblicherweise 1,5 bis 3,0 mΐ Isopropanol (Reinheit mindestens GC-Qualität) mit einer 10 mΐ- Spritzte eingespritzt. Die zugespritzte Probenmenge musste iterativ bestimmt werden. Ziel war es, eine maximale Peakhöhe bei einem Relativdruck von 0,1 bis 0,25 zu erreichen. Dieser konnte nur aus dem Gesamtchromatogramm ermittelt werden. Helium used. Before the measurement, the sample was degassed for 16 h at 110 ° C. and a gas flow rate of 12 ml / min. The subsequent measurement was carried out at 50 ° C. and a gas flow rate of 20 ml / min. For this purpose, 1.5 to 3.0 ml isopropanol (purity at least GC quality) were usually injected with a 10 ml syringe. The amount of sample injected had to be determined iteratively. The aim was to have a maximum peak height at a relative pressure of 0.1 to 0.25. This could only be determined from the overall chromatogram.
Zur Bestimmung des Totvolumens wurde zusammen mit Isopropanol Methan eingespritzt. To determine the dead volume, methane was injected together with isopropanol.
Die Berechnung der Isotherme zur Bestimmung der BET-Konstante CBET erfolgte gemäß Conder ( "Physicochemical measurement by gas chromatography". J. R. Conder and C. L. Young. Wiley (Chichester), 1979). Die Bestimmung der Adsorptionsenergie- Verteilungsfunktionen (AEDF) erfolgte gemäß Balard (H. Balard; "Estimation of the Surface Energetic Heterogeneity of a Solid by Inverse Gas Chromatography"; Langmuir, 13 (5), pp 1260-1269, 1997). Zur Berechnung der Isotherme und der daraus abgeleiteten physikalischen Parameter bzw. der AEDF wurde Software der Fa. Adscientis, "In-Pulse"® und "FDRJ07.5.F"®, eingesetzt. The isotherm for determining the BET constant C BET was calculated according to Conder ("Physicochemical measurement by gas chromatography". JR Conder and CL Young. Wiley (Chichester), 1979). The adsorption energy distribution functions (AEDF) were determined according to Balard (H. Balard; "Estimation of the Surface Energetic Heterogeneity of a Solid by Inverse Gas Chromatography"; Langmuir, 13 (5), pp 1260-1269, 1997). Software from Adscientis, "In-Pulse" ® and "FDRJ07.5.F" ® , was used to calculate the isotherm and the physical parameters derived from it or the AEDF.
Zur Bestimmung des Flächenanteils des Hochenergiepeaks der AEDF wurde die Verteilungsfunktion mittels Peak-Dekonvolution in die Einzelpeaks zerlegt. Dazu wurden die Rohdaten der AEDF in das Programm ORIGIN eingelesen und eine Dekonvolution unter Annahme einer Gauss-Verteilung der Einzelpeaks durchgeführt. Bei allen hier genannten Beispielen wurde der beste Fit unter Annahme von 3 Peaks mit Peaklagen von PI ca. 17 - 19 kJ/mol, P2 ca. 21 - 25 kJ/mol und P3 ca. 28 - 32 kJ/mol erhalten. In Tabelle 1 ist der Flächenanteil des hochenergetischen Peaks F(P3) = To determine the area proportion of the high-energy peak of the AEDF, the distribution function was broken down into the individual peaks by means of peak deconvolution. For this purpose, the raw data from the AEDF was read into the ORIGIN program and a deconvolution was carried out assuming a Gaussian distribution of the individual peaks. In all of the examples mentioned here, the best fit was obtained assuming 3 peaks with peak positions of PI approx. 17-19 kJ / mol, P2 approx. 21-25 kJ / mol and P3 approx. 28-32 kJ / mol. In Table 1, the area fraction of the high-energy peak is F (P3) =
A (P3)/[A(P1)+A(P2)+A(P3)] im Bereich 28 - 32 kJ/mol wiedergegeben, wobei A(Px) mit x = 1, 2 oder 3 die Fläche der Peaks P1, P2 und P3 ist. A (P3) / [A (P1) + A (P2) + A (P3)] in the range 28 - 32 kJ / mol, where A (Px) with x = 1, 2 or 3 is the area of the peaks P1, P2 and P3 is.
Bestimmung des Feuchteanteils Determination of the moisture content
Die Bestimmung des Feuchteanteils erfolgte mittels Trocknungswaage unter Verwendung des Moisture Analysers HG63 der Fa. Mettler Toledo. Zur Messung werden 1,0 g Kieselsäure in Aluminium Probenpfännchen vorgelegt und bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Der Feuchteanteil ergibt sich dann aus folgender Formel: Feuchteanteil (in Gew.-%) = 100 % * (Anfangsgewicht der Probe - Endgewicht der Probe)/ Anfangsgewicht der Probe The moisture content was determined by means of a drying balance using the HG63 moisture analyzer from Mettler Toledo. For the measurement, 1.0 g of silica are placed in aluminum sample pans and dried at 105 ° C. to constant weight. The moisture content is then derived from the following formula: Moisture content (in% by weight) = 100% * (initial weight of the sample - final weight of the sample) / initial weight of the sample
Das Anfangsgewicht entspricht der Einwaage und das Endgewicht entspricht dem Gewicht der Probe nachdem sie zur Gewichtskonstanz getrocknet wurde. The initial weight corresponds to the initial weight and the final weight corresponds to the weight of the sample after it has been dried to constant weight.
Bestimmung der maximalen Wasseraufnahme bei Lagerung: Determination of the maximum water absorption during storage:
Bestimmung der Wasseraufnahme bei Lagerung erfolgte mittels einer Analysewaage mit Unterflurwägung (Mettler Toledo LW1956). Die Waage ist auf einem Waagentisch mit integriertem Windschutz über einem Hygrostaten (Exsikkator) aufgestellt. Der Probeträger wird durch den Verschluss hindurch innerhalb des Hygrostaten aufgehängt. Eine gesättigte KNO3-Lösung stellt eine konstante relative Feuchte in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ein. Zum Wiegen der Proben lässt sich der Hygrostat auf einem Hubtisch absenken und der Verschluss mit dem Probeträger wird frei. Die Konstruktion von Aufhängung und Verschluss erlaubt, den Hygrostaten über mehrere Stunden abgesenkt und die Waage im Eingriff zu belassen. Die Waage wird von einem Computer über die an der Waage verbaute Schnittstelle ausgelesen. Die Messwerte werden abgespeichert und deren Verlauf in einem Excel-Spreadsheet dargestellt. The water absorption during storage was determined using an analytical balance with underfloor weighing (Mettler Toledo LW1956). The scale is set up on a scale table with an integrated draft shield above a hygrostat (desiccator). The sample carrier is hung through the lock inside the hygrostat. A saturated KNO 3 solution sets a constant relative humidity depending on the ambient temperature. To weigh the samples, the hygrostat can be lowered on a lifting table and the lock with the sample carrier is released. The construction of the suspension and the lock allows the hygrostat to be lowered for several hours and the balance to be kept engaged. The balance is read out by a computer via the interface built into the balance. The measured values are saved and their progress is shown in an Excel spreadsheet.
Ein Temperatur- und Feuchtesensor im Hygrostaten schreiben Temperatur- und Feuchteverlauf während der Messung mit und geben diese im Excel-Spreadsheet mit aus. Das Messgerät ist in einem Klimaraum mit einer konstanten Temperatur von 22 °C (+/- 0,5 °C) aufgestellt. A temperature and humidity sensor in the hygrostat record the temperature and humidity curve during the measurement and output them in the Excel spreadsheet. The measuring device is set up in a climatic room with a constant temperature of 22 ° C (+/- 0.5 ° C).
Zur Messung wird die gereinigte Probenschale mit Halterung 30 min bei 105 °C getrocknet und anschließend in einem Exsikkator mit Trockenmittel 30 min abgekühlt. Zur Tarierung der Waage wird dann die Probenschale mit Halterung in den Hygrostaten eingebracht, die Probenhalterung eingehängt und Wägung gestartet. Nach dem Erreichen von Gewichtskonstanz wird die Waage auf Tara gesetzt. Anschließend wird in die Probenschale die zu bestimmende Kieselsäureprobe eingewogen (ca. 500 mg), bei 105 °C in einem Trockenschrank mit StickstoffSpülung (3001/h) für 2 h getrocknet, 30 min in einem Exsikkator für 30 min abgekühlt, in das Messgerät eingebracht und die Messung gestartet. For the measurement, the cleaned sample dish with holder is dried for 30 minutes at 105 ° C. and then cooled in a desiccator with a drying agent for 30 minutes. To tar the balance, the sample pan with holder is then placed in the hygrostat, the sample holder is attached and weighing is started. After reaching constant weight, the scale is set to tare. The silica sample to be determined is then weighed into the sample dish (approx. 500 mg), dried at 105 ° C in a drying cabinet with nitrogen flushing (300 l / h) for 2 h, cooled in a desiccator for 30 min for 30 min, placed in the measuring device and the measurement started.
Sofern nicht anders angegeben wurden alle Versuche und Analysen an Luft bei einer Temperatur von 22 °C und unter Normaldruck (1013 hPa) durchgeführt. Unless otherwise stated, all tests and analyzes were carried out in air at a temperature of 22 ° C and under normal pressure (1013 hPa).
Beispiel 1 (erfindungsgemäß) Example 1 (according to the invention)
In einem 401-Universal-Rührwerk (Stahl/Emaille) ausgestattet mit einem Propeller Flügelrührer wurden 18 kg VE-Wasser auf 90 °C erhitzt. Unter Rühren (250 min-1) wurden bei dieser Temperatur 5,04 kg Wasserglas innerhalb von 60 min mit konstanter Dosierrate dosiert. Zeitgleich wurden parallel 1,22 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert, wodurch der pH-Wert weitgehend konstant gehalten wurde (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde weitere 5 min bei 9000 gerührt und dann unter Rühren bei 90 °C innerhalb von 60 min 0,59 kg einer wässrigen Kalium- Methylsilikonatlösung mit einer relativen Dosierrate von 2,3 mmol/(min*1) und 0,29 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde 1 h bei 90 °C und pH = 8,5 nachgerührt und dann durch Zugabe von 50%iger Schwefelsäure unter Rühren auf pH = 3,5 angesäuert. Nach Abkühlen auf 50 °C wurde über eine Kammerfilterpresse unter Verwendung von K100- Filterplatten abfiltriert, pH-neutral gewaschen und mit Stickstoff trockengeblasen. Der Filterkuchen mit 75 % Feuchteanteil wurde mittels Strömungsrohr und nachgeschaltetem Zyklontrockner bei einer Temperatur von 105 °C, einer Gasflussrate von 15.000 m3/h und einer mittleren Verweilzeit des Trockengutes von 25 s zur Trockene gebracht. Die im Zyklontrockner durch die Einbauten realisierte zirkulierende Luftströmung sorgt für einen Rückhalt schwerer bzw. restfeuchter Partikel zur weiteren Trocknung, sodass nur Kieselsäurepartikel mit einem Feuchteanteil < 2 Gew.-% den Trockner verlassen konnten. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Produkt an einer ZPS50-Sichtermühle der Firma Hosokawa-Alpine vermahlen (Mühle: 20.000 min-1; Sichter: 16.000 min-1). Anschließend wurde der Feststoff wie in den Analysemethoden beschrieben analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. 18 kg of deionized water were heated to 90 ° C. in a 401 universal stirrer (steel / enamel) equipped with a propeller blade stirrer. While stirring (250 min -1 ), 5.04 kg of water glass were metered in at this temperature over the course of 60 minutes at a constant metering rate. At the same time, 1.22 kg of 50% strength sulfuric acid were metered in in parallel, whereby the pH value was kept largely constant (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 5 min at 9000 and then with stirring at 90 ° C. within 60 min 0.59 kg of an aqueous potassium methylsiliconate solution with a relative metering rate of 2.3 mmol / (min * 1) and 0.29 kg 50% sulfuric acid dosed (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 1 hour at 90 ° C. and pH = 8.5 and then acidified to pH = 3.5 by adding 50% strength sulfuric acid while stirring. After cooling to 50 ° C., the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates, washed pH-neutral and blown dry with nitrogen. The filter cake with 75% moisture content was brought to dryness by means of a flow tube and a downstream cyclone dryer at a temperature of 105 ° C., a gas flow rate of 15,000 m 3 / h and an average residence time of the dry material of 25 s. The circulating air flow implemented in the cyclone dryer by the built-in components ensures that heavy or residual moist particles are retained for further drying, so that only Silica particles with a moisture content of <2% by weight could leave the dryer. (:; Classifier 20,000 min- 1: 16,000 min- 1 mill) After cooling to room temperature, the product was ground to a ZPS50 separator mill from Hosokawa-Alpine. The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß) Example 2 (not according to the invention)
In einem 401-Universal-Rührwerk (Stahl/Emaille) ausgestattet mit einem Propeller Flügelrührer wurden 18 kg VE-Wasser auf 90 °C erhitzt. Unter Rühren (250 min-1) wurden bei dieser Temperatur 5,04 kg Wasserglas innerhalb von 60 min mit konstanter Dosierrate dosiert. Zeitgleich wurden parallel 1,22 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert, wodurch der pH-Wert weitgehend konstant gehalten wurde (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde weitere 5 min bei 90 °C gerührt und dann unter Rühren bei 90 °C innerhalb von 60 min 0,59 kg einer wässrigen Kalium- Methylsilikonatlösung mit einer relativen Dosierrate von 2,3 mmol/(min*1) und 0,29 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde 1 h bei 90 °C und pH = 8,5 nachgerührt und dann durch Zugabe von 50%iger Schwefelsäure unter Rühren auf pH = 3,5 angesäuert. Nach Abkühlen auf 50 °C wurde über eine Kammerfilterpresse unter Verwendung von K100- Filterplatten abfiltriert, pH-neutral gewaschen und mit Stickstoff trockengeblasen. Der Filterkuchen wurde auf Blechen im Trockenschrank bei 150 °C statisch zur Gewichtskonstanz getrocknet. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Produkt an einer ZPS50-Sichtermühle der Firma Hosokawa-Alpine vermahlen (Mühle: 20.000 min-1; Sichter: 16.000 min1). Anschließend wurde der Feststoff wie in den Analysemethoden beschrieben analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Beispiel 3: 18 kg of deionized water were heated to 90 ° C. in a 401 universal stirrer (steel / enamel) equipped with a propeller blade stirrer. While stirring (250 min -1 ), 5.04 kg of water glass were metered in at this temperature over the course of 60 minutes at a constant metering rate. At the same time, 1.22 kg of 50% strength sulfuric acid were metered in in parallel, whereby the pH value was kept largely constant (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 5 min at 90 ° C and then with stirring at 90 ° C within 60 min 0.59 kg of an aqueous potassium methyl siliconate solution with a relative metering rate of 2.3 mmol / (min * 1) and 0, 29 kg of 50% sulfuric acid dosed (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 1 hour at 90 ° C. and pH = 8.5 and then acidified to pH = 3.5 by adding 50% strength sulfuric acid while stirring. After cooling to 50 ° C., the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates, washed pH-neutral and blown dry with nitrogen. The filter cake was statically dried to constant weight on metal sheets in a drying cabinet at 150 ° C. (:; Classifier 20,000 min- 1: 16.000 min 1 mill) After cooling to room temperature, the product was ground to a ZPS50 separator mill from Hosokawa-Alpine. The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1. Example 3:
In einem 401-Universal-Rührwerk (Stahl/Emaille) ausgestattet mit einem Propeller Flügelrührer wurden 18 kg VE-Wasser auf 90 °C erhitzt. Unter Rühren (250 min-1) wurden bei dieser Temperatur 5,04 kg Wasserglas innerhalb von 60 min mit konstanter Dosierrate dosiert. Zeitgleich wurden parallel 1,22 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert, wodurch der pH-Wert weitgehend konstant gehalten wurde (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde weitere 5 min bei 90 °C gerührt und dann unter Rühren bei 90 °C innerhalb von 110 min 1,54 kg einer wässrigen Kalium- Methylsilikonatlösung mit einer relativen Dosierrate von 2,4 mmol/(min*1) und 0,77 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde 1 h bei 90 °C und pH = 8,5 nachgerührt und dann durch Zugabe von 50%iger Schwefelsäure unter Rühren auf pH = 3,5 angesäuert. Nach Abkühlen auf 50 °C wurde über eine Kammerfilterpresse unter Verwendung von K100- Filterplatten abfiltriert und pH-neutral gewaschen. Der Filterkuchen mit 75 Gew.-% Feuchteanteil wurde mittels Strömungsrohr und nachgeschaltetem Zyklontrockner bei einer Temperatur von 105 °C, einer Gasflussrate von 15.000 m3/h und einer mittleren Verweilzeit des Trockengutes von 25 s zur Trockene gebracht. Die im Zyklontrockner durch die Einbauten realisierte zirkulierende Luftströmung sorgt für einen Rückhalt schwerer bzw. restfeuchter Partikel zur weiteren Trocknung, sodass nur Kieselsäurepartikel mit einem Feuchteanteil < 2 Gew.-% den Trockner verlassen konnten. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Produkt an einer ZPS50-Sichtermühle der Firma Hosokawa-Alpine vermahlen (Mühle: 20.000 min-1; Sichter: 16.000 min-1). Anschließend wurde der Feststoff wie in den Analysemethoden beschrieben analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. 18 kg of deionized water were heated to 90 ° C. in a 401 universal stirrer (steel / enamel) equipped with a propeller blade stirrer. While stirring (250 min -1 ), 5.04 kg of water glass were metered in at this temperature over the course of 60 minutes at a constant metering rate. At the same time, 1.22 kg of 50% strength sulfuric acid were metered in in parallel, whereby the pH value was kept largely constant (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 5 min at 90 ° C and then with stirring at 90 ° C within 110 min 1.54 kg of an aqueous potassium methyl siliconate solution with a relative metering rate of 2.4 mmol / (min * 1) and 0, 77 kg of 50% sulfuric acid dosed (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 1 hour at 90 ° C. and pH = 8.5 and then acidified to pH = 3.5 by adding 50% strength sulfuric acid while stirring. After cooling to 50 ° C., the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates and washed pH neutral. The filter cake with a moisture content of 75% by weight was brought to dryness by means of a flow tube and a downstream cyclone dryer at a temperature of 105 ° C., a gas flow rate of 15,000 m 3 / h and an average residence time of the dry material of 25 s. The circulating air flow created in the cyclone dryer by the internals ensures that heavy or residual moisture particles are retained for further drying, so that only silica particles with a moisture content of <2% by weight could leave the dryer. After cooling to room temperature, the product was ground in a ZPS50 classifier mill from Hosokawa-Alpine (mill: 20,000 min -1 ; classifier: 16,000 min -1 ). The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
Beispiel 4 (nicht erfindungsgemäß): Example 4 (not according to the invention):
In einem 401-Universal-Rührwerk (Stahl/Emaille) ausgestattet mit einem Propeller Flügelrührer wurden 18 kg VE-Wasser auf 90 °C erhitzt. Unter Rühren (250 min-1) wurden bei dieser Temperatur 5,04 kg Wasserglas innerhalb von 60 min mit konstanter Dosierrate dosiert. Zeitgleich wurden parallel 1,22 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert, wodurch der pH-Wert weitgehend konstant gehalten wurde (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde weitere 5 min bei 90 °C gerührt und dann unter Rühren bei 90 °C innerhalb von 110 min 1,54 kg einer wässrigen Kalium- Methylsilikonatlösung mit einer relativen Dosierrate von 2,4 mmol/(min*1) und 0,77 kg 50%ige Schwefelsäure dosiert (pH = ca. 8,5). Die Mischung wurde 1 h bei 90 °C und pH = 8,5 nachgerührt und dann durch Zugabe von 50%iger Schwefelsäure unter Rühren auf pH = 3,5 angesäuert. Nach Abkühlen auf 50 °C wurde über eine Kammerfilterpresse unter Verwendung von K100- Filterplatten abfiltriert, pH-neutral gewaschen und mit Stickstoff trockengeblasen. Der Filterkuchen wurde auf Blechen im Trockenschrank bei 150 °C statisch zur Gewichtskonstanz getrocknet. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Produkt an einer ZPS50-Sichtermühle der Firma Hosokawa-Alpine vermahlen (Mühle: 20.000 min-1,· Sichter: 16.000 min-1). Anschließend wurde der Feststoff wie in den Analysemethoden beschrieben analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. In a 401 universal stirrer (steel / enamel) equipped with a propeller blade stirrer, 18 kg of deionized water were added 90 ° C heated. While stirring (250 min -1 ), 5.04 kg of water glass were metered in at this temperature over the course of 60 minutes at a constant metering rate. At the same time, 1.22 kg of 50% strength sulfuric acid were metered in in parallel, whereby the pH value was kept largely constant (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 5 min at 90 ° C and then with stirring at 90 ° C within 110 min 1.54 kg of an aqueous potassium methyl siliconate solution with a relative metering rate of 2.4 mmol / (min * 1) and 0, 77 kg of 50% sulfuric acid dosed (pH = approx. 8.5). The mixture was stirred for a further 1 hour at 90 ° C. and pH = 8.5 and then acidified to pH = 3.5 by adding 50% strength sulfuric acid while stirring. After cooling to 50 ° C., the mixture was filtered through a chamber filter press using K100 filter plates, washed pH-neutral and blown dry with nitrogen. The filter cake was statically dried to constant weight on metal sheets in a drying cabinet at 150 ° C. After cooling to room temperature, the product was ground in a ZPS50 classifier mill from Hosokawa-Alpine (mill: 20,000 min -1 , classifier: 16,000 min -1 ). The solid was then analyzed as described in the analysis methods. The results are shown in Table 1.
Tabelle 1:
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Table 1:
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Claims

Patentansprüche Claims
1. Modifizierte Fällungskieselsäure, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Feuchteanteil von 2,5 Gew.-% oder weniger aufweist, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. 1. Modified precipitated silica, characterized in that it has a moisture content of 2.5% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica.
2. Modifizierte Fällungskieselsäure gemäß Anspruch 1, wobei die modifizierte Fällungskieselsäure einen Feuchteanteil von 2,0 Gew.-% aufweist, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. 2. Modified precipitated silica according to claim 1, wherein the modified precipitated silica has a moisture content of 2.0% by weight, based on the total mass of the modified precipitated silica.
3. Modifizierte Fällungskieselsäure gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, wobei ihre spezifische BET-3. Modified precipitated silica according to one or more of claims 1 to 2, its specific BET-
Oberfläche, gemessen mittels Gaschromatographie, 50 m2/g oder mehr und 400 m2/g oder weniger beträgt. Surface area measured by gas chromatography is 50 m 2 / g or more and 400 m 2 / g or less.
4. Modifizierte Fällungskieselsäure gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei ihr Gehalt an Kohlenstoff, gemessen mittels Elementaranalyse, 0,1 Gew.-% oder mehr beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. 4. Modified precipitated silica according to one or more of claims 1 to 3, its carbon content, measured by means of elemental analysis, being 0.1% by weight or more, based on the total mass of the modified precipitated silica.
5. Modifizierte Fällungskieselsäure gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei ihr Gehalt an Kohlenstoff, gemessen mittels Elementaranalyse, 15 Gew.-% oder weniger beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse der modifizierten Fällungskieselsäure. 5. Modified precipitated silica according to one or more of claims 1 to 4, its carbon content, measured by means of elemental analysis, being 15% by weight or less, based on the total mass of the modified precipitated silica.
6. Modifizierte Fällungskieselsäure gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die modifizierte Fällungskieselsäure durch eine homogene Oberflächenmodifizierung auszeichnet. 6. Modified precipitated silica according to one or more of claims 1 to 5, wherein the modified precipitated silica is characterized by a homogeneous surface modification.
7. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten Fällungskieselsäure gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei i) die Modifizierung in einer Reaktionsmischung umfassend 7. A process for the preparation of a modified precipitated silica according to any one of claims 1 to 6, wherein i) the modification in a reaction mixture comprising
1. eine oder mehrere Säuren und 1. one or more acids and
2. eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fällungskieselsäure, Alkoxysilan und Alkalisilicat und 2. one or more compounds selected from the group consisting of precipitated silica, alkoxysilane and alkali silicate and
3. ein oder mehrere Organosiliconate als Modifizierungsmittel erfolgt, wobei die Modifizierungsreaktion während oder unmittelbar nach der Herstellreaktion der Fällungskieselsäure erfolgt, ii) die feste Phase der Reaktionsmischung anschließend von der flüssigen Phase abgetrennt wird, wobei die feste Phase optional gewaschen wird und iii) die feste Phase dynamisch getrocknet wird. 3. one or more organosiliconates takes place as modifiers, the modification reaction taking place during or immediately after the preparation reaction of the precipitated silica, ii) the solid phase of the reaction mixture is then separated from the liquid phase, the solid phase being optionally washed and iii) the solid Phase is dried dynamically.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei als Organosiliconat Kalium-Methylsiliconat verwendet wird. 8. The method according to claim 7, wherein potassium methyl siliconate is used as the organosiliconate.
9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Trocknung in Schritt iii) bei einer Trocknungstemperatur von 70 °C oder mehr durchgeführt wird. 9. The method according to one or more of claims 7 to 8, wherein the drying in step iii) is carried out at a drying temperature of 70 ° C or more.
10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Feststoff in Schritt iii) kontinuierlich bei einer mittleren Verweilzeit von 5 Sekunden oder mehr und 3.600 Sekunden oder weniger getrocknet wird. 10. The method according to one or more of claims 7 to 9, wherein the solid in step iii) is dried continuously with an average residence time of 5 seconds or more and 3,600 seconds or less.
11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Feststoff in Schritt iii) bei einer oberflächenspezifischen Trocknungsgeschwindigkeit von 0,04 g/(m2*h) oder mehr bis 60 g/(2*h) oder weniger getrocknet wird. 11. The method according to one or more of claims 7 to 10, wherein the solid is dried in step iii) at a surface-specific drying rate of 0.04 g / (m 2 * h) or more to 60 g / ( 2 * h) or less becomes.
12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, wobei für die Trocknung in Schritt iii) ein Konvektionstrockner eingesetzt wird. 12. The method according to one or more of claims 7 to 11, wherein a convection dryer is used for the drying in step iii).
13. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 12, wobei für die Trocknung in Schritt iii) ein Trockner mit klassierenden und verweilzeitverlängernden Elementen verwendet wird. 13. The method according to one or more of claims 7 to 12, wherein a dryer with classifying and dwell time-extending elements is used for the drying in step iii).
14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 13, wobei für die Trocknung in Schritt iii) ein Trockner mit verwendet wird, der den Feststoff mechanisch beansprucht. 14. The method according to one or more of claims 7 to 13, wherein a dryer is used for the drying in step iii), which mechanically stresses the solid.
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