Kieselsäure, auch als Siliziumdioxid bekannt, ist ein wichtiges anorganisches chemisch Rohstoff. Aufgrund seiner einzigartigen Oberflächenstruktur und Partikelmorphologie weist Kieselsäure eine hervorragende Stabilität, Verstärkungskraft, Verdickungsverhalten und Thixotropie auf. Diese Eigenschaften machen sie zu einem wichtigen anorganischen Füllstoff in vielen Bereichen wie Gummi, Beschichtungen und Kunststoffen. Um jedoch sein Potenzial voll auszuschöpfen und die Kompatibilität mit verschiedenen organischen Matrices zu verbessern, Oberflächenmodifizierung von Kieselsäure wird häufig verwendet. Dieser Prozess ist entscheidend, um die Eigenschaften für bestimmte Anwendungen anzupassen.
Oberflächenmodifizierung von Silica
Die innere Polysiloxanstruktur und die oberflächenaktiven Silanolgruppen machen gefällte Kieselsäure stark hydrophil, was zu einer schlechten Benetzbarkeit und Dispergierbarkeit in organischen Phasen führt. Die Hydroxylgruppen auf der Oberfläche tragen zu einer hohen Oberflächenenergie bei und verursachen Agglomeration, die die Produktleistung beeinträchtigt. Während der Produktion führt dies zu Aggregation, Hydrophilie, hohen Kosten, geringer Effizienz und hohem Energieverbrauch. Angesichts des zunehmenden Umweltdrucks sind Kostensenkung, Effizienzsteigerung und Verbesserung der Oberflächenhydrophobie besonders wichtig geworden.
Auf der Silica-Oberfläche gibt es drei Arten von Hydroxylgruppen:
- Isolierte Hydroxylgruppen, die frei und unberührt sind;
- Geminale Hydroxylgruppen, wobei zwei Hydroxylgruppen an dasselbe Siliziumatom gebunden sind;
- Assoziierte Hydroxylgruppen, die über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind.
Oberfläche Modifikation von Kieselsäure Dabei wird ein Modifikator verwendet, der chemisch mit diesen Hydroxylgruppen an der Oberfläche reagiert, um Silanolgruppen zu entfernen oder zu reduzieren und so die Oberflächeneigenschaften zu verändern.
Oberflächenmodifizierungsprozesse
Basierend auf der Art des Modifikators kann die Oberflächenmodifizierung in folgende Kategorien eingeteilt werden: Bio Und anorganisch Modifikationen. Die organische Modifikation ist dabei die am weitesten verbreitete. Die Schlüsseltechnologie für die organische Modifikation ist die Organosilan-Behandlung, bei der organische funktionelle Gruppen Hydroxylgruppen auf der Siliciumdioxidoberfläche ersetzen.
Organische Modifizierungsmethoden werden im Allgemeinen in Trocken-, Nass- und Druckwärmemethoden unterteilt. Derzeit wird in Industrieländern hauptsächlich die Trockenmethode zur Modifizierung von pyrogener Kieselsäure verwendet.
Vorteile der Trockenmethode:
- Einfacher Prozess mit weniger Nachbehandlungsschritten.
- Einfache Integration in den Produktionsprozess von pyrogener Kieselsäure.
- Geeignet für die industrielle Großproduktion.
Nachteile der Trockenmethode:
- Hoher Modifikatorverbrauch.
- Erfordert hohe Ausrüstungsstandards und strenge Betriebsbedingungen.
- Relativ hohe Produktionskosten.
Der Nassmodifizierungsmethode wird ebenfalls häufig verwendet und umfasst hauptsächlich zwei Ansätze:
Vorteile der Nassmethode:
- Geringerer Modifikatorverbrauch.
- Einfacher Prozess und weniger Gerätebedarf.
- Niedrigere Produktionskosten und bessere Qualitätskontrolle.
Nachteile der Nassmethode:
- Aufwändiger Nachbehandlungsprozess.
- Probleme der Umweltverschmutzung.
- Schwierig, die Skalierung für die industrielle Massenproduktion zu optimieren.
Ein weiterer Ansatz zur Nassmodifizierung umfasst In-situ-Modifikation während des Fällungsprozesses von Kieselsäure, was die Effizienz und Integration verbessern kann.
Gängige Modifikatoren und Modifikationsprinzipien
Zu den gängigen Modifikatoren zählen organische halogenierte Silane, Silanhaftvermittler, Silylamine, Siloxane und Alkoholverbindungen. Diese Reagenzien binden chemisch an die Hydroxylgruppen auf der Oberfläche von Silica oder ersetzen diese. Dadurch werden die Hydrophobie, Dispergierbarkeit und Kompatibilität mit organischen Materialien verbessert.
Anwendungen von modifizierter Kieselsäure
Modifizierte Kieselsäure ist ein wichtiges Verstärkungsmittel in Gummiprodukten und füllt die Lücke, wo Ruß kann nicht in hellen Materialien verwendet werden. Bei der Reifenherstellung verbessert die Zugabe von modifizierter Kieselsäure die mechanische Festigkeit des Gummis, verringert den Hystereseverlust, senkt den Rollwiderstand und sorgt für eine ausgezeichnete Rutschfestigkeit bei Nässe.
In Dichtstoffen und Klebstoffen verbessert modifizierte Kieselsäure die Dispergierbarkeit, Kompatibilität und Haltbarkeit des Produkts. In Beschichtungen dient Kieselsäure als Mattierungsmittel. Die Verwendung modifizierter Kieselsäure verbessert die Dispersion und reduziert Aggregations- und Sedimentationsprobleme.
Im Vergleich zu gewöhnlicher Kieselsäure weist modifizierte Kieselsäure eine bessere Gesamtleistung und einen breiteren Anwendungsbereich auf.
Abschluss
Modifizierte Kieselsäure behält nicht nur die hervorragenden Eigenschaften herkömmlicher Kieselsäure bei, sondern zeichnet sich auch durch eine verbesserte Hydrophobie und verbesserte Oberflächeneigenschaften aus. Dies erweitert das Anwendungspotenzial erheblich. Mit der kontinuierlichen wirtschaftlichen Entwicklung wächst die Marktnachfrage nach modifizierter Kieselsäure weiter. Die Entwicklung umweltfreundlicher, kostengünstiger und großtechnischer Produktionstechnologien für modifizierte Kieselsäure ist für Kieselsäurehersteller in Zukunft eine wichtige Richtung.