ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Диспергирование пирогенного кремнезема

Испарение кремнезема происходит только при очень высокой температуре — приблизительно при 2000°С. Однако в присутст­вии восстановителя, способствующего образованию моноксида кремния SiO, температура сублимации понижается до 1700°С. По мере того как моноксид кремния испаряется в окислитель­ной атмосфере, происходит конденсация диоксида кремния в чрезвычайно тонкодисперсной форме. Окислению может под­вергаться этилсиликат; образующиеся пары БЮг затем конден­сируются. В наиболее широко распространенном способе предус­матривается сгорание тетрахлорида кремния в смеси с природ­ным газом, при этом выделяются хлористый водород и пары диоксида кремния, которые конденсируются в виде очень рых­лого, занимающего большой объем, порошка. При контролиро­вании условий сжигания примерно так, как это делается при получении углеродной сажи, можно приготовлять вещества с различными размерами первичных частиц и разными степе­нями коалесценции частиц. В другом способе предусматривается испарение _ кремнезема в электрической дуге с конденсацией образующихся паров. Порошки такого типа рассматриваются здесь только по той причине, что из некоторых их разновид­ностей могут приготовляться коллоидные дисперсии. Соответ­ствующие способы получения и свойства формируемых на осно­вании этих способов порошков кремнезема будут рассматри­ваться в гл. 5.

Диспергирование кремнезема в золь, состоящего из дискрет­ных первичных частиц, представляет определенные трудности, поскольку слипание частиц меняется в значительной степени. Кроме того, во многих случаях поверхность частиц оказывается почти безводной — всего лишь с несколькими гидрофильными силанольными группами. По этим причинам свойства золей такого типа обычно отличаются от свойств золей, приготовлен­ных в водном растворе. Золи, получаемые сжиганием, не обра­зуют прочных гелей и находят небольшое применение только в качестве неорганических (^вязующих веществ.

Анализ патентной литературы наводит на мысль, что для до­стижения приемлемого диспергирования в воде или в полярных органических жидкостях необходимы значительные механиче­ские силы независимо от того, идет ли речь о сухих рыхлых объемистых порошках или образующихся из них водных суспен­зиях. В водных растворах для смачивания гидрофобной силокса- новой поверности частиц применяются смачивающие реагенты, а для промотирования поверхностной гидратации и диспергиро­вания частиц добавляют щелочь [116, 117]. .

Более устойчивые дисперсии получаются при добавлении к тетрахлориду кремния некоторых количеств хлорида титана или хлорида алюминия, для того чтобы полученный кремнезем содержал немного примесей оксида металла. В этом случае об­разуются очень стабильные концентрированные золи, содержа­щие 40—60 % твердого кремнезема [118]. Кремнезем фирмы Degussa получаемый гидролизом в пламени, например, с со­держанием 1,3 % оксида алюминия, нанесенного на поверхность частиц кремнезема, аэросил-МОХ, особенно пригоден для при­готовления концентрированных водных дисперсий с первичными частицами размером 20—40 нм, а также более мелкими [119].

Кремнезем Cab-0-Sil, образуемый гидролизом в пламени, имеющий величину удельной поверхности 200—400 м2/г, диспер­гирует в воде при рН 9 за счет добавления, например, аммиака. Это дает возможность получать золи с содержанием до 30 масс. % кремнезема. Такой золь пропускают через гомогени­затор, чтобы разрушить на отдельные части трехмерную сетку кремнезема, состоящую из первичных частиц. Образующиеся в результате гомогенизации отдельные образования состоят большей частью из цепеобразных агрегатов, которые повышают вязкость системы [120].

В общем случае способ, называемый «дымовым» или «гидро­лизом в пламене», не дает возможности получать кремнезем, диспергирующий в воде с образованием золей, состоящих из дискретных частиц и имеющих низкую вязкость при высокой концентрации кремнезема, т. е. не дает золей с типичными ха­рактеристиками, которые приготовляются полимеризацией в водных средах. Тем не менее соответствующей обработкой по­добный пирогенный кремнезем, содержащий первичные частицы размером 10—25 нм, можно дезагрегировать и диспергировать и получить из него водные золи с содержанием вплоть до 40 % кремнезема, если применять подходящую механическую обра­ботку и диспергаторы.

Согласно данным Спенсера, Смита и Космана [121], можно приготовить чрезвычайно тонкодисперсный кремнезем, состоя­щий из частиц с размером всего лишь 25—50 А и имеющий удельную поверхность, достигающую 1000 м2/г. Такой кремнезем получается обработкой влажной углеродной сажи диметил - дихлорсиланом с последующим выжиганием органического ве­щества на воздухе при 500°С. Образующийся в количестве 4 % от исходной массы углеродной сажи кремнезем представлял собой опалесцирующий порошок в форме небольших сферических кру­пинок около 1 мм в диаметре, т. е. примерно того же самого размера, что и гранулы углеродной сажи. Удельная поверхность такого кремнезема была 1094 м2/г, что указывает на размер первичных частиц —2,5 нм. Подобное вещество легко дисперги­рует в воде с формированием частиц в виде цепочек длиной До 20 мкм. Это дает возможность предполагать, что частицы были частично гидрофобными.

Коллоидное измельчение пирогенного кремнезема в воде в присутствии борной кислоты или щелочного бората показано в работе [122]. По этому способу можно приготовлять 30 %-ный золь. Некоторые дополнительные патенты, относящиеся к полу­чению золей из пирогенного кремнезема, большей частью пре­дусматривают щелочную стабилизацию, для чего применяются силикат натрия, гидроксид натрия, гидразин, гидроксиламин или их смеси с пирогенными оксидами металлов [123—125].