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Poröses Siliciumdioxid Es ist bereits bekannt, poröses Siliciumdioxid
durch Hydrolyse von Tetraalkoxysilanen herzustellen. Hierbei sind zwei Reaktionswege
möglich. Nach dem einen wird gelöstes Tetraalkoxysilan mit einem Überschuß an Wasser
und unter Zusatz eines sauren oder basischen Katalysators zu einem wasserhaltigen
Polykieselsäuregel- umgesetzt, das dann nach Standardmethoden in poröses Siliciumdioxid
überführt wird. Nach dem anderen Weg wird gelöstes Tetraalkoxysilan mit einem Unterschuß
an Wasser und unter Zusatz eines sauren Katalysators zu einem teilweise kondensierten
Polyalkoxysiloxan hydrolysiert, das dann in einer zweiten Reaktionsstufe vollständig
zu einem wasserhaltigen Polykieselgel hydrplysiert wird, das ebenfalls nach Standardmethoden
in poröses Siliciumdioxid überführt wird.
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Nach dem ersten Weg fallen nach der Trocknung des wasserhaltigen Polykieselsäuregels
nur unregelmäßig geformte Partikel von porösem Siliciumdioxid an. Ihr mittlerer
Porendurchmesser beträgt etwa 60 - 80 Å. Außerdem sind die Eigenschaften der nach
diesem Verfahren hergestell-ten Präparate schlecht reproduzierbar.
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Die nach dem zweiten bekannten Verfahren anfallenden Polykieselsäureteilchennd
kugelförmig. Doch war es bisher nicht möglich, ihre Hohlraumstruktur gezielt zu
variieren, Die Parameter der IIohlraums-truk-tur ließen sich Ich nicht exakt reproduzieren,
weil das nach der partiellen ttydroiyse anfallende Polyalkoxysiloxan nicht reproduzierbar
hergestellt werden konnte und wegen seiner Unbeständigkeit sofort weiter verarbeitet
werden rnuf3te. Außerdem fallen bei der
alkalischen Hydrolyse dieses
Zwischenproduktes die Silicagele in Bezug auf die Korngrößenverteilung mit einem
unerwünscht breiten Spektrum an.
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Es wurde nun gefunden, daß man nach einem speziellen Verfahren kugelförIniges
poröses Siliciumdioxid. mit wählbarer Hohlraumstruk-tur gezielt und reproduzierbar
herstellen kann. Die I-Iohlraumstruktur ist dabei in sehr weiten Grenzen variierbar.
Bei der zunehmenden Bedeutung von Verfahren, die Adsorbentien mit definierten Eigenschaften
erfordern, bedeutet das einen erheblichen technischen For-tschritt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von
kugelförmigem, porösem Siliciumdioxid mit reproduzierbarer Hohlraumstruktur durch
hydrolytische Polykondensation eines aus Tetraalkoxysilan hergestellten Polyalkoxysiloxans
in Gegenwart von Wasser, Ilydroxylionen und eines mit Wasser mischbaren Lösungsmittels,
vorzugsweise Äthanol, und Trocknen der erhaltenen Produkte nach dem Auswaschen,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die gewünschte Hohlraumstruk-tur mit mittleren
Porendurchmessern von 30 - 800 Å durch folgende Verfahrensmaßnahrnen einstellt:
a) Verwendung eines aus e einem niederen Te-traalkoxysilan, vorzugsweise Tetraäthoxysilan,
durch Hydrolyse hergestellten Polyalkoxysiloxans mit einem mittleren Molekulargewicht
zwischen 1000 und 5000 und einem Molveriiäitnis von Si zu Alkoxygruppen zwischen
1:1 und 1 : 1,5 als Ausgangsmaterial, b) Zugabe von 1-10 3 bis 1,5 Mol Hydroxylionen
pro Mol SiO2 im eingesetzten Polyalkoxysiloxan, wobei mit steigender Hydroxyl ionenkonz
entra-ti on der mittlere Porendurchmesser und das spezifische Porenvolumen zunehmen,
c)
gegbenenfalls Durchführung der Hydrolyse in Gegenwart eines zusätzlichen, mit Wasser
nicht mischbaren, organischen Lösungsmittels, vorzugsweise Cyclohexan, wobei mit
steigenden Mengen an diesem Lösungsmittel der mittlere Porendurchmesser und die
Porosität zunehmen.
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Das nach dein Verfahren der Erfindung als Ausgangsmaterial zu verwendende
Polyalkoxysiloxan ist am einfachsten erhältlich durch saure Hydrolyse von Totraalkoxysilanen,
vorzugsweise Tetraäthoxysilan. Grundsätzlich können aber auch Tetramethoxy-, Tetrapropoxy-
und Tetrabutoxysilan eingesetzt werden. Bei dieser Teilhydrolyse wird ein Unterschuß
an Wasser verwendet, und zwar etwa 1,1 bis 1,6 Mol Wasser pro WIol Tetraalkoxysilan.
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Zweckmäßig wird das Tetraalkoxysilan in einem Lösungsmittel, das mit
Wasser mischbar ist, z.B. Äthanol, gelöst und unter Rühren bei Raumtemperatur mit
einem Unterschuß von Wasser vermischt (Volumenverhältnis Athanol : Wasser etwa 2:3).
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Dabei werden Stoffe zugesetzt, die Wasserstoffionen liefern.
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Besonders praktisch ist die Durchführung dieser Ilydrolyse mit wässeriger
Salzsäure. Die so erhaltene homogene Lösung wird unter Einleiten von trockenem Stickstoff
gerührt, bis keine Temperaturerhöhung mehr gemessen und damit der Abschluß der hydrolytischen
Polykondensation angezeigt wird.
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Aus dem Re@ktionsgemsich wird die Hauptmenge des Lösungsmittels a@destilliert.
Das sollte möglichst schnell erfolgen, damit die Polykondensation nicht weiter fortschrei-tet.
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Der so erhaltene Rückstand, der hauptsächlich Polyalkoxysiloxane enthält,
wird vorteilhaft bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise im Temperaturbereich von
120 bis 140°C, mindestens 24 Stunden lang getempert. Anschließend wird das Reaktionsprodukt
ebenfalls bei erhöhter Temperatur (z.B. 150 bis 170°C) unter vermindertem Druck
(lO l bis lO 5 Torr)
behandelt, um Reste von Lösungsmitteln, Wasser
und nicht umgesetztem Tetraalkoxysilan zu entfernen. Alle diese Vorgänge finden
unter Stickstoffatmosphäre statt. Die erhaltenen Polyäthoxysiloxane sind stabil
und können in verschlossenen Flaschen ohne weiteres aufbewahrt werden.
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Ihr mittleres Molekulargewicht liegt zwischen 1000 und 5000.
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Entscheidend für diesen Abschnitt der hydrolytischen Kondensation
der Tetraalkoxysilane ist das Molverhältnis Wasser/Tetraalkoxysilan und erst in
zweiter Linie die Konzentration des Katalysators. Weiterhin ist zu beachten, daß
ab einem bestimmten Verhältnis Alkoxygruppen/Si02 die Viskosität der entstehenden
Polyalkoxysiloxane stark zunimmt. Beispielsweise entstehen beim Überschreiten des
angegebenen Molverhältnisses Wasser/Tetraalkoxysilan = 1,6 bereits hochviskose bis
feste Polyäthoxysiloxane.
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In den nach diesem Verfahren hergestellten Polyalkoxysiloxanen lassen
sich durch NMR-Spektroskopie keine Hydroxylgruppen nachweisen. Infrarotspektroskopische
Untersuchungen ergeben nur eine sehr geringe Absorptions--1 bande im Bereich von
3600 cm 1 (Valenzschwingung von über Wasserstoffbrücken gebundenen Hydroxylgruppen).
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Die Polyalkoxysiloxane werden weiterhin durch die kinematische Viskosität,
den Brechungsindex, das mittlere Molekulargewicht sowie den Gehalt an Si,C und H
charakterisiert. Die Herstellung von stabilen und definierten Polyäthoxysiloxanen
mit den angegebenen Eigenschaften ist bisher noch nicht beschrieben worden.
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Ausgehend von den wie oben charakterisierten Polyalkoxysiloxanen lassen
sich nun durch vollständige hydrolytische Kondensation poröse Siliciumdioxid-Präparate
reproduzierbar mit gezielt abgestufter Hohlraumstruktur herstellen. Die Hydrolyse
wird hier durch einen Überschuß an Wasser
erreicht, dem Hydroxylionen
liefernde Zusätze in bestimmter Menge zugesetzt werden. Durch die Veränderung der
Menge der Hydroxylionen bei der hydrolytischen Polykondensation lassen sich die
Parameter der Hohlraumstruktur der porösen Siliciumdioxid-Präparate in weiten Bereichen
variieren. Mit steigender Hydroxylionenkonzentration nehmen sowohl der mittlere
Porendurchmesser als auch das spezifische Porenvolumen zu, wobei gleichzeitig die
spezifische Oberfläche abnimmt. Um die gewünschten Siliciumdioxid-Präparate mit
mittleren Porendurchmessern von 30 - 800 i zu erhalten, werden Hydroxylionenkonzentrationen
von 110 3 bis 1,5 Mol pro Mol SiO2 im eingesetzten Polyalkoxysiloxan angewendet.
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Als Substanzen, die Hydroxylionen zu liefern vermögen, werden vorzugsweise
Alkalihydrox;ide eingesetzt. Wegen ihrer leichten technischen Zugänglichkeit sind
hierbei Ammoniumhydroxid und Natriumhydroxid bevorzugt. Grundsätzlich können jedoch
auch andere, Hydroxylionen liefernde Verbindungen eingesetzt werden, z.B. Alkalisalze
schwacher Säuren (Natriumacetat) oder auch organische Verbindungen wie etwa Urotropin.
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Ammoniumhydroxid wird bevorzugt in einem Konzentrationsbereich wen
0,013 bis 1,33 Mol pro Mol SiO2 im Polyalkoxysiloxan eingesetzt. Bei diesen Konzentrationen
liegt die Porosität der erhaltenen Siliciumdioxid-Präparate besonders günstig; es
können ohne Schwierigkeiten Werte zwischen 60 und 70 96 erreicht werden.Die bevorzugten
Konzentrationsbereiche bei Verwendung von Natriumhydroxid liegen bei l-lO 3 bis
0,1 Mol NaOH pro Mol SiO2 im Polyalkoxysiloxan.
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Die Hydrolyse der speziellen Polyalkoxysiloxane wird zweckmäßig so
durchgeführt, daß dieses Zwischenprodukt zunächst in einem mit Wasser mischbaren
Lösungsmittel,
z.B. Methanol, Äthanol oder Dioxan, gelöst wird.
Die Menge dieses Löswlgsmittels ist nicht kritisch, jedoch haben sich Mengen von
3 bis 3,5 Mol Lösungsmittel pro Mol SiO2 im Ausgangsmaterial als besonders vorteilhaft
erwiesen.
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Diese Lösung wird dann mit einem Überschuß an Wasser, z.B. etwa 16
- 18 Mole Wasser pro Mol SiO2 im Polyalkoxysiloxan, versetzt, das den alkalischen
Zusatz enthält. Das heterogene Gemsich wird dann unter Rühren dispergiert.
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Die Reaktionstemperatur kann hierbei variiert werden, zweckmäßig im
Bereich von etwa 20 - 80°C. Bei Steigerung der Reaktionstemperaturen unter sonst
gleichen Bedingungen erzielt man eine Zunahme des mittleren Porendurchmessers.
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Beim Rühren entstehen Tröpfchen von Polyalkoxysiloxanen, die zu harten
Teilchen von wasserhaltigen Polykieselsäuregelen erstarren. Die so anfallenden Produkte
werden abgetrennt, gewaschen und getrocknet. Die Bedingungen das Auswaschens der
frisch hergestellten Präparate üben zusätzlich noch einen wesentlichen Einfluß auf
die Hohlraumstruktur der porösen Siliciumdioxide aus. Wenn z.B. vor dem Auswaschen
mit destilliertem Wasser die Präparate zusätzlich mit Wasser ausgekocht werden,
so nimmt die spezifische Oberfläche der Präparate ab und der mittlere Porendurchmesser
steigt entsprechend an. Das liegt daran, daß beim Auskochen mit destilliertem Wasser
Mikroporen mit sehr hoher spezifischer Oberfläche in größere Poren mit geringerer
spezifischer Oberfläche umgewandelt werden.
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Wenn die Produkte elektrolytfrei gewaschen sind, werden sie anschließend
getrocknet, z.B. bei Temperaturen von etwa 1200C für etwa 24 Stunden oder bei niedrigeren
Temperaturen bei vermindertem Druck.
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Nach der Erfindung ist es ferner möglich, die Hohlraumstruktur der
porösen Siliciumdioxid-Präparate dadurch zu beeinflussen, daß während der Hydrolyse
zusätzlich ein mit Wasser nicht mischbares organisches Lösungsmittel zugegeben wird.
Die Porosität der Präparate kann auf
diese Weise ganz erheblich
gesteigert werden. Mit steigenden Mengen dieses mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittels
nehmen sowohl der Porendurchmesser als aucll die Porosität der Siliciumdioxide zu.
Auf diese Art und Weise lassen sich z.B. mittlere Porendurchmesser von etwa 800
i und Werte der Porosität von etwa 90 ffi ohne weiteres erreichen.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens wird das Polyäthoxysiloxan zunächst
in dem mit Wasser nicht mischbaren organischen Lösungsmittel gelöst. Geeignet ist
vor allem Cyclohexan, jedoch können auch andere Lösungsmittel, etwa Benzol, Xylol,
Toluol verwendet werden. Man setzt etwa 0,2 bis 2 Mole dieser Lösungsmittel pro
Mol SiO2 im Polyalkoxysiloxan ein. Dann wird ein Gemisch aus Wasser und einem mit
Wasser mischbaren Lösungsmittel, vorzugsweise -Äthanol, zugegeben. Das Volumenverhältnis
von Äthanol zu Wasser beträgt vorzugsweise 2:3.
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Das wässerige Gemisch enthält gleichzeitig die Hydroxylionen liefernde
Verbindung. Das so erhaltene heterogene Gemisch wird dann bei Zimmertemperaturen
oder auch bei erhöhten Temperaturen bis zu 800 dispergiert. Es entstehen dabei Tröpfchen,
die schließlich zu Teilchen von wasserhaltigem Polykieselsäuregel erstarren. Es
fallen zwei Phasen an, eine organische und eine wässerige, die das ausgefallene
Polykieselsäuregel enthält. Die organische Phase wird abdekantiert, und das Polykieselsäuregel
wird mit destilliertem Wasser elektrolytfrei gewaschen und, wie oben beschrieben,
aufgearbeitet.
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Durch die Gegenwart des mit Wasser nicht mischbaren organischen Lösungsmittels
wird der Vernetzungsgrad bei der Bildung von Siloxanbriicken stark- herabgesetzt,
so daß auf diese Weise das Hohlraumvolumen und die Porosität der entstehenden Siliciumdioxidteilchen
beträchtlich zunimmt.
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Die so erhaltenen porösen Siliciumdioxide sind oberflächenreiche Adsorbentien
mit kugelförmigem und zugleich porösem Korn, die vielfache Anwendung finden. Sie
sind vor allem als stationäre Phasen für chromatographische Trenn- und Analysenmethoden
von Bedeutung.
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Beispiel l a) 2670 ml (12 Mol) Tetraäthoxysilan werden in einem 5
1 Kolben in 1400 ml (23 Mol) Äthanol gelöst. Dann werden unter Rühren 300 ml 0,01
N Salzsäure zugegeben. Nach einstündigem Rühren wird das Äthanol schnell unter Stickstoffatmosphäre
abdestilliert. Der Rückstand.wird unter ständigem Durchleiten von trockenem Stickstoff
mindestens 24 Stunden im Temperaturbereich von l20-l40°C getempert. Anschließend
werden alle niedriger siedenden Produkte bei 150 - 170°C im Vakuum (Druck zwischen
10 3 und lO 1 Torr) abdestilliert. Das so erhaltene Polyäthoxysiloxan ist haltbar
und kann in verschlossenen Flaschen aufbewahrt werden. Es läßt sicWdurch die kinematische
Viskosität, den Brechungsindex, das mittlere Molekulargewicht, den Gehalt an Si,
C und H und das Molverhältnis Si: Alkoxygruppen charakterisieren.
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In der folgenden Tabelle.I sind diese Eigenschaften für verschiedene
Polyäthoxysiloxane angegeben, die durch Variation der bei der Hydrolyse zugegebenen
Menge an Wasser (bzw. Salzsäure) erhalten wurden.
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Tabelle I : Polyäthoxysiloxane
Polyäthoxy- Zugabe an kinemat. Viskosität Brechungsindex mittleres
Gehalt (Gew.%) Molverhältnis |
siloxan 0,01 N HCl C St 20°C Molekular- Si C H Si/OC2H5 |
n |
ml D gewicht |
A 275 127 1,4090 1600 24,9 32,1 6,4 1 : 1,5 |
B 290 157 1,4097 1700 25,3 31,4 6,4 1 : 1,45 |
C 300 579 1,4115 2000 26,1 30,7 6,3 1 : 1,37 |
D 325 16 344 1,4135 2800 27,2 29,5 6,2 1 : 1,27 |
b) 110 g des nach Beispiel la) erhaltenen Polyäthoxysiloxans C
(Tabelle I) werden mit 200 ml Äthanol und 300 ml Wasser, das die gewählte Menge
an A!nmoniumhydroxid enthält, versetzt. Das heterogene Gemisch wird unter Rühren
bei 25°C dispergiert. Die Reaktionsdauer liegt zwischen 0,5 und 2 Stunden. Beim
Rühren entstehen Tröpfchen von Polyäthoxysiloxan, die zu harten kugelförmigen Teilchen
von wasserhaltigem Polykieselsäuregel erstarren. Diese werden abgetrennt und entweder
zunächst mit destilliertem Wasser ausgekocht oder direkt mit destilliertem Wasser
elektrolytfrei gewaschen und anschließend bei etwa 120 0G 24 Stunden getrocknet.
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Die Eigenschaften der nach diesem Verfahren in Abhängigkeit von der
Konzentration an Ammoniumhydroxid erhaltenen, porösen Siliciumdioxide sind in der
Tabelle II zusammengestellt. Der mittlere Porendurchmesser (dp, in i) kann in weiten
Grenzen (hier von 40 bis etwa 600 i) variiert werden.
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Die Tabelle zeigt ferner den Einfluß, den die Bedingungen des Auswaschens
der frisch hergestellten Präparate auf die Hohlraumstruktur haben. Beim zusätzlichen
Auskochen vor dem Auswaschen nimmt die spezifische Oberfläche (SBETin m2/g) ab und
der mittlere Porendurchmesser (dp in steigt entsprechend an.
Tabelle II - |
NH4OH konz. H2O Nachbehandlung SBET Vp dp Porosität |
N |
Präparat 25 %ig#13,3 M ml/g Å % |
m2/g |
ml Mol OH# pro ml |
Mol SiO2 |
1 1 0,013 299 2 h ausgekocht, 358 0,73 82 63 |
ausgewaschen |
2 2 0,026 298 2 h ausgekocht, 311 0,78 100 65 |
ausgewaschen |
3 2 0,026 298 nur ausgewaschen 630 0,63 40 60 |
4 5 0,045 295 2 h ausgekocht, 276 0,82 120 66 |
ausgewaschen |
5 10 0,130 290 2 h ausgekocht 188 0,86 185 67 |
ausgewaschen |
6 10 0,130 290 nur ausgewaschen 420 0,70 65 62 |
7 15 0,195 285 2 h ausgekocht, 178 0,88 200 67 |
ausgewaschen |
8 25 0,325 275 2 h ausgekocht, 66 0,95 570 69 |
ausgewaschen |
9 50 0,650 250 nur ausgewasch 327 0,89 110 68 |
Beispiel 2 Ein Polyäthoxysiloxan des Typs C, hergestellt nach
Beispiel la, wird analog Beispiel lb, jedoch unter Verwendung von Natriumhydroxid
als Zusatz hydrolYsiert.
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Reaktionstemperatur 250 bzw. 700C, Reaktionszeiten l - lO Stunden.
Bei Erhöhung der Reaktionstemperatur können die Reaktionszeiten verringert werden.
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Die erhaltenen Gele werden jeweils 2 Stunden mit destilliertem Wasser
ausgekocht und anschließend elektrolytfrei gewaschen.
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Die Variationsmöglichkeiten in der Hohlraumstruktur gehen aus der
Tabelle III hervor. Gleichzeitig wird darin der Einfluß der Reaktionstemperatur
demonstriert. Bei Steigerung der Reaktionstemperatur von 250 auf 70 0C unter sonst
gleichen Bedingungen nimmt der mittlere Porendurchmesser dp um etwa 100 % zu.
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Tabelle III
Präparat NaOH 1 N H2O Re1ktions- SBET Vp dp Porosität |
temperatur |
Mol OH# ml |
°C m2/g ml/g Å % |
ml pro Mol SiO2 |
10 5 0,005 295 25 341 0,25 30 37 |
11 5 0,005 295 70 350 0,73 85 63 |
12 10 0,010 290 25 334 0,49 60 53 |
13 10 0,010 290 70 272 0,70 100 62 |
14 25 0,025 275 25 112 0,31 110 42 |
15 50 0,050 250 25 82 0,25 120 37 |
16 75 0,075 225 25 140 0,50 140 54 |
17 100 0,100 200 25 140 0,60 170 58 |
Beispiel 3 110 g (= 90 ml) des nach Beispiel la) hergestellten
Polyäthoxysiloxans des Typs C werden in den in Tabelle IV angegebenen Mengen an
Cyclohexan (zwischen 50 und 200 ml = 0,4 - 1,8 Mole) gelöst. Dann wird ein Gemsich
von Wasser/ Äthanol (3 : 2) zugegeben, das den Hydroxylionen liefernden Zusatz enthält.
Diese Mischung wird jeweils in einer solchen Menge zugegeben, daß das Endvolumen
des Reaktionsgemisches bei 500 ml liegt (also in Mengen zwischen 360 und 210 ml).
Durch die Zugabe des alkalischen Gemisches findet die hydrolytische Polykondensation
statt. Es entstehen hydrophile Polykieselsäuregelteilchen, deren Porosität mit der
Menge an zugesetztem Cyclohexan zunimmt.
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Die Reaktionstemperatur liegt bei 25 0C. Die erhaltenen Produkte,
deren Charakteristika in Tabelle IV angegeben sind, werden mit destilliertem Wasser
elektrolytfrei gewaschen und etwa 24 Stunden bei 1200C getrocknet.
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Entsprechende Ergebnisse werden auch erhalten, wenn das Cyclohexan
durch die entsprechende Menge an Benzol, Toluol oder Xylol ersetzt wird.
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Tabelle IV:
Präparat Cyclohexan NH4OH konz. SBET Vp dp Porosität |
% |
ml 25 %ig#13,3 M ml/g |
m2/g Å |
ml Mol OH # pro |
Mol SiO2 |
18 50 25 0,325 270 0,97 140 70 |
19 100 10 0,130 235 1,40 240 77 |
20 100 25 0,325 231 1,39 240 77 |
21 100 50 0,650 248 1,45 240 77 |
22 150 25 0,325 217 2,10 380 83 |
23 200 25 0,325 220 4,20 800 91 |