Рынок аморфного диоксида кремния в России

ЧАСТЬ 1. ВИДЫ АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Все синтетические аморфные диоксиды кремния делятся на четыре основных типа по технологии получения. 

·         Пирогенный (фьюмед) диоксид кремния (пирогенный кремнезём не нуждается в микронизации — он уже получается в виде ультрадисперсного порошка с наноразмерными частицами);

·         Осаждённый диоксид кремния (белая сажа) (осаждённый кремнезём может быть микронизированным (D50 2–15 мкм), а может быть и не микронизирован);

·         Силикагель. В свою очередь силикагель может в зависимости от обработки может быть микронизированным, гранулированным или кусковым.

·         Коллоидный диоксид кремния - золь кремнезёма или кремнезоль.

1.1. Осажденный диоксид кремния

Осажденный диоксид кремния - это аморфный синтетический кремнезем, получаемый «мокрым» химическим методом: путем осаждения из раствора силиката натрия (жидкого стекла) кислотой (обычно серной) с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой.

В отличие от пирогенного диоксида, который синтезируется в пламени и не имеет внутренних пор, осажденный кремнезем обладает развитой пористостью и контролируемым размером частиц.

Физико-химические свойства осажденного диоксида кремния

Свойства этого материала можно тонко настраивать в процессе осаждения (изменяя pH, температуру и скорость перемешивания):

Высокая пористость и удельная поверхность: В зависимости от марки, площадь поверхности составляет от 30 до 250 м²/г. Он имеет внутренние мезо- и макропоры.

Высокая маслоемкость (абсорбционная способность): Способен впитывать огромные объемы жидкостей (масел, пластификаторов), превращая пастообразные или жидкие компоненты в свободно текучие сухие порошки.

Оптимальная плотность и текстура: Его насыпная плотность выше, чем у летучего пирогенного аэросила (примерно 100–200 г/л), поэтому он значительно меньше пылит, легче дозируется и проще внедряется в полимерные матрицы.

Контролируемая абразивность: Обладает мягким, регулируемым абразивным действием, что делает его безопасным для полировки чувствительных поверхностей (включая зубную эмаль).

Химическая инертность и безопасность: Белый порошок без вкуса и запаха, нетоксичен, одобрен для применения в пищевой и фармацевтической отраслях (зарегистрирован как пищевая добавка E551).

Области применения осажденного диоксида кремния

Осажденный кремнезем - один из самых коммерчески успешных видов диоксида кремния, объемы производства которого исчисляются миллионами тонн.

1. Шинная промышленность и резинотехнические изделия (РТИ)

Это ключевой потребитель материала (так называемый высокодисперсный кремнезем, или HDS):

 «Зеленые» шины: Осажденный диоксид кремния частично или полностью заменяет технический углерод (сажу) в составе протекторов. Это кардинально снижает сопротивление качению (экономия топлива до 5–8%), улучшает сцепление шины с мокрой и обледенелой дорогой, а также повышает износостойкость.

Цветные и прозрачные резины: Позволяет выпускать прочные резиновые подошвы для обуви, кабели и шланги любых цветов (с сажей они могли быть только черными).

2. Зубные пасты и гигиена

Мягкий абразив и очиститель: Является главным очищающим компонентом в современных зубных пастах. Он эффективно удаляет зубной налет, но, в отличие от мела (карбоната кальция), не царапает и не разрушает эмаль. Регулятор вязкости: Помогает получить прозрачную или гелевую текстуру пасты.

3. Пищевая промышленность и корма для животных (добавка E551)

Антислеживающий агент: Предотвращает комкование и слеживание сухих продуктов (сухие сливки, специи, сахарная пудра, соль).

Носитель жидких добавок: Превращает жидкие витамины, ароматизаторы, холинхлорид и питательные масла в сыпучие премиксы для животных, удерживая их внутри своих пор.

4. Лакокрасочные материалы (ЛКМ) и пластмассы

Матирующий агент: Добавляется в лаки и краски для придания им матового или полуматового эффекта. Частицы кремнезема рассеивают свет, падающий на высушенную поверхность.

Загуститель: Используется для контроля вязкости жидких полимерных систем, клеев и герметиков.

Виды осажденного диоксид кремния

Осажденный диоксид кремния, исторически известный в России как «белая сажа», классифицируется не по жестким ГОСТам (как силикагель), а по своим физико-химическим функциональным свойствам, форме выпуска и степени поверхностной модификации. Поскольку это синтетический материал с управляемыми свойствами, производители на этапе осаждения задают нужную удельную площадь поверхности, пористость и размер частиц под конкретные отрасли промышленности.

1. Классификация по целевому назначению

Это ключевое разделение, так как структура пор и финишный помол порошка адаптируются под конечный продукт:

Шинный / Резиновый: Самый массовый вид осажденного кремнезема. Делится на традиционный и высокодисперсный (HDS). Обладает высокой удельной поверхностью (150–200 м²/г) и используется как усиливающий наполнитель в «зеленых шинах» для снижения сопротивления качению и в цветных резинотехнических изделиях.

Кормовой и пищевой (добавка E551): Высокочистый, химически нейтральный аморфный порошок. Обладает экстремально высокой маслоемкостью (впитывающей способностью). Применяется для перевода жидких витаминов, кислот и премиксов в сыпучую форму, а также как антислеживатель для пищевых порошков.

Дентальный (Абразивный для зубных паст): Вид кремнезема с контролируемым размером частиц и мягкой, регулируемой силой истирания. Он эффективно счищает налет, но не царапает зубную эмаль в отличие от карбоната кальция.

Матирующий и загущающий (для ЛКМ): Порошок очень тонкого помола с развитой макропористостью. Используется для придания матовости лакам и краскам, а также как агент контроля вязкости в клеях и герметиках.

2. Классификация по форме выпуска (морфологии)

Коммерческий осажденный диоксид кремния поставляется в трех основных физических формах, что критично для удобства дозирования и экологии цехов:

Порошковый: Классическая форма в виде тонкодисперсного белого порошка. Самый доступный вариант, но имеет существенный минус - высокая склонность к «пылению» при промышленном замешивании.

Гранулированный: Порошок, спрессованный в мелкие неправильные гранулы. Практически не пылит, легче транспортируется и дозируется в бункерах, однако требует более высоких механических усилий при замешивании в резиновую матрицу.

Микрожемчуг / Микросферы: Самая современная форма выпуска в виде крошечных сферических шариков. Они идеально сыпятся, не пылят, обладают высокой насыпной плотностью и мгновенно деагломерируются (растворяются и распределяются) в полимерах.

3. Классификация по химии поверхности

По аналогии с пирогенным аэросилом, свойства поверхности осажденной белой сажи могут быть изменены:

·         Гидрофильный (Базовый): Стандартный продукт, поверхность которого покрыта полярными силанольными группами . Он отлично взаимодействует с водой, спиртами и полярными каучуками.

·         Гидрофобный (Модифицированный): Продукт, прошедший постобработку силиконовыми маслами или силанами, блокирующими полярные группы. Такой кремнезем отталкивает воду, не слеживается в условиях экстремальной влажности и используется в специальных гидроизоляционных составах, кабельных пластикатах и герметиках.

·         Основные технические характеристики

·         Удельная поверхность (по БЭТ) - обычно 50–250 м²/г. Для «шинных» марок часто 120–180 м²/г, для матирующих и адсорбционных - в нижней части диапазона. В отличие от пирогенного SiO₂, здесь высокая поверхность сочетается с выраженной внутренней пористостью частиц.

·         Пористость и объём пор - у осаждённого кремнезёма заметная внутренняя пористость: средний размер пор 20–50 нм, объём пор 0,8–1,5 см³/г. Это важно для адсорбции присадок и влаги, а также для армирующего эффекта в эластомерах.

·         Размер первичных частиц и агрегатов - первичные частицы 5–40 нм, агломераты - 1–40 мкм. Размер и форма агломератов влияют на диспергируемость в матрице и на вязкость смеси.

·         Насыпная плотность - типично 120–250 кг/м³ (для негранулированных марок), у гранулированных - до 350–450 кг/м³. Это критично для логистики и дозирования.

·         Истинная плотность - около 2,0–2,2 г/см³.

·         pH водной суспензии - чаще всего 7,0–9,5 (слабощелочной), потому что в производстве остаются следы щелочных солей. У некоторых марок специально регулируют pH под задачу.

·         Влажность / потери при прокаливании - 3–8% (обусловлено адсорбированной водой и остаточными солями). В спецмарках нормируют отдельно влагу и сульфат-ионы.

·         Маслоёмкость (DBP-абсорбция) - важный показатель для резин и ЛКМ: обычно 150–350 см³/100 г. Чем выше маслоёмкость, тем сильнее материал загущает систему и тем лучше армирует эластомер.

·         Содержание примесей - нормируют сульфаты (часто ≤ 2%), натрий, железо, алюминий. Для пищевой добавки E551 и косметики требования к чистоте самые жёсткие.

·         Белизна и цветность - для покрытий и косметики важна высокая белизна (коэффициент отражения) и отсутствие жёлтого оттенка.

·         Важные специализированные показатели для резин

·         CTAB-поверхность - показатель «внешней» поверхности, значимый для оценки взаимодействия с каучуком. Часто ниже БЭТ из-за вклада внутренних пор. Разница между БЭТ и CTAB косвенно говорит о степени пористости.

·         Диспергируемость - способность равномерно распределяться в каучуке при смешении. Для шин это критично: плохая дисперсия ведёт к неоднородности и снижению эксплуатационных свойств.

·         Структурность - связана с рыхлостью агломератов и коррелирует с маслоёмкостью. Высокая структурность улучшает каркасность наполнителя в резине.

Таблица 1.1.

Сравнительные характеристики осажденного и пирогенного диоксида кремния

·         1.2. Стандарты и технические характеристики осажденного диоксида кремния

·         На территории РФ производство и использование осажденного диоксида кремния регламентирует ГОСТ 18307-78 «Сажа белая». Согласно данного нормативу промышленность выпускает четыре марки: БС-30, БС-50, БС-100 и БС-120. Для каждой есть свои требования.

·         Технические характеристики

·         Внешний вид. Для БС-30 - порошок и непрочные комочки белого цвета. Для остальных марок (БС-50, БС-100, БС-120) допускается также форма гранул.

·         Средний размер частиц: БС-30 - 60–108 нм; БС-50 - 50–77 нм; БС-100 - 23–34 нм; БС-120 - 19–27 нм.

·         Массовая доля диоксида кремния (SiO₂), % (не менее): БС-30 - 85; БС-50 - 76; БС-100 - 86; БС-120 - 87.

·         Массовая доля влаги, % (не более): БС-30 - 6,5; БС-50 - 6,0; БС-100 - 6,5; БС-120 - 6,5.

·         Потери в массе при прокаливании, %: БС-30 - 4,5–7,5; БС-50 - 7,0–10,0; БС-100 - 5,0–7,0; БС-120 - 3,5–7,0.

·         Массовая доля железа (в пересчёте на окись железа), % (не более): для БС-30 не нормируется; для БС-50 - 0,03; для БС-100 - 0,15; для БС-120 - 0,17.

·         Массовая доля алюминия (в пересчёте на окись алюминия), % (не более): для БС-30 не нормируется; для БС-50 - 0,10; для БС-100 - 0,15; для БС-120 - 0,10.

·         Массовая доля хлоридов (Cl⁻), % (не более): для БС-30 не нормируется; для БС-50 - 0,6; для БС-100 - 1,0; для БС-120 - 0,3.

·         Массовая доля сульфатов (SO₄), % (не более): для БС-30 и БС-50 не нормируется; для БС-100 - 0,5; для БС-120 - 0,5.

·         Массовая доля кальция и магния (в пересчёте на окись кальция), % (не более): БС-30 - 0,5; БС-50 - 7,0; БС-100 - 0,8; БС-120 - 0,8.

·         Массовая доля щелочности (в пересчёте на окись натрия), %: для порошкообразной БС-30 - 0,9; для порошкообразной БС-50 - 1,8; для БС-100 не нормируется; для БС-120 - 1,1 (для порошка), 0,5 (для гранул).

·         Массовая доля фторидов (F⁻), % (не более): для БС-30 - 2,5; для остальных марок не нормируется.

·         pH водной вытяжки: для порошкообразной БС-30 - 8,0–10,0; для БС-50 - 9,0–10,5; для БС-100 - 7,0–8,5; для БС-120 - 8,0–9,5 (для порошка), 7,0–8,5 (для гранул).

·         Насыпная плотность, г/дм³: для неуплотнённой - БС-30 170–220; БС-50 150–200; БС-100 80–130; БС-120 120–150. Для уплотнённой - БС-30 220–280; БС-50 200–230; БС-100 170–220; БС-120 180–230. Для гранулированной (только БС-120) - 220–320.

·         Удельная поверхность по адсорбции фенола, м²/г: БС-30 - 35±10; БС-50 - 45±10; БС-100 - 100±20; БС-120 - 120±20.

·         Массовая доля остатка на сите с сеткой 014К (по ГОСТ 6613), % (не более): БС-30 - 0,25; БС-50 - 0,15; БС-100 - 0,10; БС-120 - 0,02.

·         Массовая доля пыли (только для гранулированной сажи), % (не более): 2,0. docs.cntd.ru +1

·         Механическая прочность гранул (только для гранулированной сажи), %: 1,0–2,5.

·         В стандарте есть примечания, которые уточняют требования для отдельных случаев:

·         Для БС-50, которую получают из фторсодержащего сырья и используют для резиновой обуви, медицинских изделий и средств защиты растений, устанавливают особые нормы: потери в массе при прокаливании 5,0–10,0%, массовая доля фторидов не более 2,5%, удельная поверхность по адсорбции фенола 55–75 м²/г.

·         Для БС-120, которую получают углекислотным способом с применением соляной кислоты, действуют свои нормы: массовая доля диоксида кремния не менее 86%, хлоридов - не более 1,0%, сульфатов - не более 0,2%.

·         По согласованию с потребителем допускается выпускать БС-100 с удельной поверхностью 100–150 м²/г.

1.2. Пирогенный диоксид кремния

Пирогенный материал синтезируют путем высокотемпературного гидролиза паров четыреххлористого кремния в пламени водородно-кислородной горелки при температуре выше 1000 °C. На выходе получается не пористый полупрозрачный шарик, а голубовато-белый, экстремально легкий, пушистый микронизированный порошок.

Физико-химические свойства пирогенного диоксида кремния

Свойства пирогенного диоксида кремния уникальны из-за его ультрадисперсной наноструктуры (размер первичных частиц составляет всего от 5 до 40 нанометров):

Экстремально низкая насыпная плотность: Порошок невероятно «летуч». Его насыпная плотность составляет всего 40–60 г/л (он почти в 20 раз легче воды). Попытка просто высыпать его из мешка создает густое пылевое облако.

Огромная внешняя удельная поверхность: Составляет от 150 до 400 м²/г. Но, в отличие от гранулированного силикагеля, у него практически нет внутренних пор - вся эта площадь образована внешней поверхностью мельчайших наночастиц.

Выраженная тиксотропность (загущающая способность): Это главное свойство аэросила. При введении в жидкие среды (смолы, лаки, масла) его молекулы сцепляются водородными связями в трехмерную сетку. Жидкость превращается в гель. При механическом воздействии (перемешивании, нанесении кистью) сетка рвется и состав снова становится жидким, а в покое мгновенно густеет.

Высокая химическая и температурная стойкость: Выдерживает температуры свыше +1000 °C, инертен к большинству химикатов и кислот.

Области применения пирогенного диоксида кремния

Если гранулированный силикагель - это прежде всего осушитель, то пирогенный аэросил - это в первую очередь модификатор реологии, загуститель и наполнитель.

1. Лакокрасочная промышленность (ЛКМ) и клеи

·         Защита от потеков: Добавляется в автомобильные эмали, лаки, краски и эпоксидные/полиэфирные смолы. Благодаря тиксотропности краска не стекает с вертикальных стен и деталей, ложась идеальным ровным слоем.

·         Предотвращение осаждения пигментов: Не позволяет тяжелым частицам красителя оседать на дно банки при длительном хранении.

2. Производство герметиков и силиконов

Армирующий наполнитель: Аэросил - обязательный компонент при производстве силиконовых каучуков и герметиков. Без него силикон оставался бы хрупким и жидким; пирогенный кремнезем придает ему прочность, эластичность и упругость.

3. Фармацевтика и косметика

·         Энтеросорбент (Полисорб): Всем известный аптечный препарат «Полисорб МП» - это на 100% чистый пирогенный диоксид кремния. За счет колоссальной площади поверхности он связывает и выводит из ЖКТ токсины, аллергены и бактерии.

·         Таблетирование: В фармации его добавляют в порошки для улучшения текучести смеси (чтобы они равномерно засыпались в пресс-формы).

·         Косметика: Применяется в качестве матирующего агента в пудрах, зубных пастах (как мягкий абразив и загуститель), кремах и сухих шампунях.

4. Химическая и пищевая индустрия

·         Антислеживатель (добавка E551): Добавляется в сухие слеживающиеся продукты (порошковые смазки, удобрения, специи, стиральные порошки), обволакивая крупинки и сохраняя их абсолютную сыпучесть.

·         Консистентные смазки: Используется для загущения базовых масел при производстве термостойких смазок.

Виды пирогенного диоксида кремния

Пирогенный диоксид кремния («аэросил») выпускают в разных видах - классификация строится вокруг свойств поверхности и ключевых характеристик, от которых зависит применение.

По характеру поверхности: гидрофильные и гидрофобные

·         Гидрофильные марки - на поверхности частиц много силанольных групп (–OH), поэтому они хорошо взаимодействуют с водой и полярными средами. Примеры: Aerosil 200, Aerosil 300, «Аэросил-300», «Экстрасил» разных серий. Их используют, когда нужно загустить полярную систему, стабилизировать эмульсии, предотвратить оседание пигментов.

·         Гидрофобные марки - поверхность модифицирована (обычно хлорсиланами или органосиланами): часть –OH-групп заменена на органические радикалы (например, метильные). Примеры: Aerosil R972, R974, R812. Они лучше работают в неполярных средах (углеводороды, масла, некоторые полимеры), меньше комкуются от влаги и дают иной тип реологии.

По удельной поверхности

Удельная поверхность - главный параметр, который определяет активность и загущающий эффект. Чем она выше, тем сильнее влияние на вязкость при той же дозировке.

·         Низкоповерхностные (около 50–100 м²/г): например, Aerosil OX 50. Дают умеренное загущение, часто применяются как антислеживатели в порошках и для улучшения сыпучести.

·         Среднеповерхностные (100–200 м²/г): Aerosil 130, 150, 200. Универсальные марки для ЛКМ, герметиков, клеёв, где нужен баланс между загущением и диспергируемостью.

·         Высокоповерхностные (200–400 м²/г и выше): Aerosil 300, 380. Очень сильные реологические добавки: даже малые дозы заметно меняют вязкость и тиксотропию. Применяются в прозрачных лаках, фармацевтике (как носитель), спецсоставах.

По структуре и особенностям

·         «Обычные» пирогенные SiO₂ - стандартный продукт пламенного гидролиза SiCl₄: лёгкие, рыхлые, с сильно разветвлённой структурой агрегатов. Это большинство марок Aerosil, HDK, российских «Аэросилов» и «Экстрасилов».

·         Модифицированные по структуре - иногда делают варианты с иной плотностью упаковки или формой агрегатов, чтобы получить, например, более высокую плотность набивки при сохранении удельной поверхности. Такие марки встречаются в линейках HDK и у некоторых российских производителей.

Таблица 1.2.

Примеры конкретных марок пирогенного диоксида кремния и их типичное назначение

Реология и тиксотропия. Пирогенный SiO₂ в жидкой среде формирует слабую пространственную сетку из частиц - отсюда загущение и тиксотропность (снижение вязкости при сдвиге). Эффект сильно зависит от дозировки, полярности среды и способа диспергирования.

Гигроскопичность. Гидрофильные марки активно набирают влагу, что может менять их сыпучесть и поведение в рецептуре. Для чувствительных систем используют гидрофобные или герметичную упаковку.

Диспергирование. Из за высокой удельной поверхности и склонности к агломерации важно правильно вводить аэросил: либо в виде преддисперсии, либо на стадии тонкого размола (в бисерной мельнице), либо через специальные добавки-диспергаторы.

Чистота и примеси. Для фармацевтики, косметики и электроники критичны низкие уровни металлов и точная воспроизводимость характеристик.

1.2. Технические характеристики пирогенного диоксида кремния

Ключевые технические характеристики

Удельная поверхность (по методу БЭТ) - главный параметр, определяющий активность продукта. Измеряется в м²/г. Диапазон у распространённых марок: от ~50 м²/г (Aerosil OX 50) до 380 м²/г и выше (Aerosil 380). Чем выше удельная поверхность, тем сильнее загущающий и стабилизирующий эффект при той же дозировке.

Средний размер первичных частиц - обычно 5–40 нм. Сами частицы агрегируются в рыхлые «хлопья» (агрегаты) и агломераты, поэтому объёмная плотность очень низкая.

Насыпная плотность - для не уплотнённого порошка типично 40–60 кг/м³, для уплотнённого - 120–180 кг/м³. Это важно для логистики и дозирования.

Истинная плотность - около 2,2 г/см³ (это плотность самого материала без учёта пор).

pH водной суспензии - чаще всего 3,7–4,5 для гидрофильных марок из за поверхностных силанольных групп (–OH). У гидрофобных марок pH может немного отличаться в зависимости от типа модификации.

Влажность (потеря массы при высушивании) - для гидрофильных марок обычно 1,5–3% (может быть выше при хранении во влажной среде). У гидрофобных - ниже, часто <1,5%.

Содержание примесей (металлов) - критично для фармацевтики и электроники. В спецмарках содержание Fe, Al, Ti, Ca строго нормируют (часто на уровне ppm).

Маслоёмкость - показатель, который используют в лакокрасочных материалах. Чем выше удельная поверхность и чем «рыхлее» агрегаты, тем выше маслоёмкость и тем сильнее продукт загущает систему.

Реологические свойства в среде - пирогенный SiO₂ придаёт системам тиксотропию (снижение вязкости при сдвиге) и структурную вязкость. Эффект зависит от полярности среды, дозировки и качества диспергирования.

Таблица 1.3.

Сравнение характеристик пирогенного диоксида кремния по типам марок

Физико-химические особенности

Агрегация и диспергирование. Из-за высокой удельной поверхности частицы склонны к образованию прочных агломератов. Для раскрытия полного эффекта нужно качественное диспергирование: преддисперсия в жидкой среде, использование диспергаторов, обработка на бисерной мельнице.

Адсорбционная способность. Высокая удельная поверхность делает аэросил хорошим адсорбентом - он может связывать воду, растворители, некоторые присадки. Это полезно в одних задачах (осушение, стабилизация) и нежелательно в других (потеря активности присадок).

Химическая стойкость. SiO₂ инертен к большинству кислот (кроме плавиковой HF), устойчив к нагреву до высоких температур. При этом поверхностные –OH-группы могут взаимодействовать с силанами, изоцианатами и т. п., что используют для модификации.

Безопасность и хранение. Пыль пирогенного SiO₂ может раздражать дыхательные пути, поэтому при работе используют СИЗ. Хранить нужно в герметичной таре, чтобы избежать набора влаги (особенно для гидрофильных марок).

Примеры типичных марок и их ориентировочные характеристики

Aerosil 200: удельная поверхность ~200 м²/г, гидрофильный, pH ~3,8–4,2. Часто применяют в ЛКМ, клеях, герметиках для загущения и предотвращения оседания пигментов.

Aerosil 300: ~300 м²/г, гидрофильный. Сильнее загущает, используют в силиконовых компаундах, прозрачных лаках, косметике.

Aerosil 380: ~380 м²/г, гидрофильный. Максимальная активность, подходит для матирующих и высокоструктурированных систем.

Aerosil R972: ~110–140 м²/г, гидрофобный (модифицирован диметилдихлорсиланом). Применяют для антислеживания порошков, в неполярных композициях.

1.3. Силикагели

Силикагели (высушенный гель кремниевой кислоты) - это высокопористые тела с развитой внутренней поверхностью. В данном отчете отдельно анализируются рынки гранулированного и микронизированного силикагелей.

Гранулированный силикагель выпускается в виде правильных шариков одинакового размера. Обладает высокой механической прочностью, меньше истирается в порошок и создает равномерное сопротивление воздушному потоку в промышленных осушителях.

Микронизированный силикагель – это тонкодисперсный белый порошок. Используется как матовый агент в лакокрасочной промышленности, загуститель для смазок и зубных паст, а также в пищевой индустрии.

Гранулированный силикагель - это твердый гидрофильный сорбент сферической формы, представляющий собой высушенный гель кремниевой кислоты (SiO₂ ⋅ nH₂O). Шарообразная (гранулированная) форма выпуска является наиболее востребованной в промышленности, так как круглые гранулы обладают повышенной механической прочностью, минимально истираются в пыль и обеспечивают равномерный ток газов сквозь адсорбционный слой.

Физико-химические свойства гранулированного силикагеля

Огромная удельная площадь поверхности: Составляет от 100 до 700 м²/г, что позволяет гранулам удерживать колоссальные объемы влаги и газов.

Высокая скорость поглощения: Силикагель способен впитать до 10% от собственного веса всего за один час работы.

Механическая прочность и износостойкость: Устойчивость гранул к истиранию достигает 85–95% для мелкопористых марок, что предотвращает забивание промышленных фильтров силикагелевой пылью.

Термическая стабильность и регенерация: Продукт негорюч, взрывобезопасен и химически инертен. Насыщенный влагой силикагель полностью восстанавливает свои свойства (регенерирует) после прокаливания при температуре +150…+180 °C (максимально до +250 °C) в течение 3–4 часов. [1, 2, 3, 4]

Зависимость от структуры пор:

·         Мелкопористые гранулы (радиус пор 1–1.5 нм) эффективно работают при относительной влажности воздуха до 70%.

·         Крупнопористые гранулы (радиус пор 5 нм) активизируются при высокой влажности - более 80%.

Области применения гранулированного силикагеля

Благодаря высокой сорбционной емкости гранулированный силикагель используется повсеместно - от тяжелой индустрии до бытовых нужд:

1. Промышленная осушка газов и воздуха

Подготовка сжатого воздуха: Защищает пневматические системы, магистральные трубопроводы и промышленное оборудование от выпадения конденсата, обледенения и ржавчины.

Осушка технологических газов: Применяется на нефтегазовых и химических предприятиях для осушения водорода, кислорода, углекислого газа, азота и хлора.

2. Очистка и рекуперация нефтепродуктов и жидкостей

Осветление и фильтрация масел: Гранулированный силикагель (преимущественно крупнопористый КСКГ) удаляет смолистые вещества, высокополимерные соединения и серу из индустриальных масел и продуктов дистилляции нефти.

Рекуперация летучих органических паров: Улавливает пары бензина, эфира, ацетона и бензола из коксовых печей и отходящих газов.

3. Электротехника и приборостроение

Защита трансформаторов: Мелкие гранулы засыпаются в воздухоотводные трубки масляных трансформаторов для предотвращения попадания влаги в изоляционное масло.

Стеклопакеты: Гранулы закладываются внутрь дистанционной рамки пластиковых окон, чтобы стекла не запотевали изнутри.

4. Бытовое использование и хранение

Транспортная упаковка: Всем знакомые бумажные пакетики с надписью «Silica Gel» вкладываются в коробки с обувью, электроникой, оптикой и одеждой для защиты от сырости и плесени при доставке.

Бытовые нужды: Применяется для сушки цветов (сохраняет их форму и цвет) и как основа для премиальных впитывающих наполнителей кошачьих туалетов.

1.2. Технические характеристики гранулированного силикагеля

Технические характеристики гранулированного силикагеля регламентируются государственным стандартом ГОСТ 3956-76. Сравнительные технические свойства двух наиболее востребованных в промышленности видов гранулированного силикагеля представлены в таблице:

Таблица 1.4.

Технические характеристики гранулированного силикагеля

Статическая влагоемкость и структура пор:

Мелкопористые марки (КСМГ) обладают огромной площадью поверхности и «жадно» забирают влагу даже из относительно сухого воздуха (до 70% влажности). Крупнопористые марки (КСКГ) в сухом воздухе малоэффективны, но раскрывают свой потенциал в условиях тумана и экстремальной сырости (от 80 до 100%), впитывая до 70-80% влаги от собственного веса. [1, 2]

Механическая прочность (до 98%):

Показывает устойчивость гранул к раздавливанию и истиранию. Высокая прочность сферических зерен критична для динамических систем (например, адсорберов сжатого воздуха), так как хрупкий материал быстро превращается в пыль и забивает воздушные магистрали. [1, 2]

Температура регенерации (восстановления):

Физико-химическая структура гранул полностью восстанавливает сорбционные свойства после прокаливания при температуре +150…+180 °C в течение 3–4 часов. Перегрев свыше +250 °C необратимо разрушает пористую структуру (спекает поры).

На территории РФ производство и использование гранулированного силикагеля регламентируется ГОСТ 3956-76 «Силикагель технический». Силикагель по этому ГОСТу - это высушенный гель кремниевой кислоты с пористой структурой и большой внутренней поверхностью. В зависимости от формы зёрен его выпускают гранулированным и кусковым, а по пористости - мелкопористым и крупнопористым. Есть разные марки, например: КСМГ (гранулированный мелкопористый, крупный), ШСМГ (гранулированный мелкопористый, шихта), КСКГ (гранулированный крупнопористый, крупный), КСМК (кусковой мелкопористый) и другие

Таблица 1.5.

Нормы для технических характеристик силикагеля по ГОСТ 3956-76

Источник: ГОСТ 3956-76

1.4. Кремнезоли

Кремнезоль - это стабильная водная коллоидная дисперсия наночастиц аморфного диоксида кремния. Частицы имеют размер примерно 5–100 нм и равномерно распределены в воде. Чтобы система не расслаивалась, частицы стабилизируют - обычно ионами щелочных металлов, но иногда используют и другие катионы.

Промышленные способы производства.

1. Золь-гель синтез из натриевых силикатов

Суть в том, чтобы взять раствор натриевого силиката (жидкое стекло) и провести контролируемый процесс: сначала осаждение, затем стабилизацию катионами натрия и фракционирование. Фракционирование нужно, чтобы добиться равномерного распределения частиц по размеру — это напрямую влияет на стабильность коллоидной системы. Такой подход позволяет получать стабильные водные дисперсии аморфного диоксида кремния с заданными характеристиками.

2. Ионообменный способ

Идея в том, чтобы пропустить раствор силиката через ионообменные смолы. Это позволяет тонко регулировать состав: удалять нежелательные примеси, менять тип стабилизатора (не только натрий, но и другие катионы), а также точнее настраивать итоговые свойства золя - размер частиц, кислотно-щелочной баланс. Такой подход особенно ценят, когда нужно получить продукт для узкоспециализированных задач: в металлургии для обработки поверхностей, в литейном производстве для керамических форм, в строительстве для модификации бетонов. 

Виды кремнезолей.

Классифицируют их по разным признакам:

• По стабилизатору. Натриевые (наиболее распространены, дают щелочной pH 9–10), калиевые (менее гигроскопичны, подходят для условий высокой влажности), аммонийные (не вносят натриевых ионов - это важно для высокотемпературных процессов и синтеза катализаторов). 
• По pH. Кислотно-стабилизированные (слабокислый или нейтральный pH 4–7) - лучше совместимы с органическими полимерами и пигментами, поэтому их берут для лакокрасочной и текстильной промышленности. 
• По концентрации SiO2. Различают низкоконцентрированные (5–15%), среднеконцентрированные (15–30%) и высококонцентрированные (30–50%). Чем выше концентрация, тем выше вязкость и тем сильнее влияние на формообразование и остаток при сушке. 
• По размеру частиц. Можно получать системы с разным средним размером частиц - это напрямую влияет на активность и проникающую способность. 

Каждый вид подбирают под конкретную задачу: например, для огнеупоров и литейных форм часто берут натриевые, а для катализаторов -аммонийные. 

Таблица 1.6

Физико-химические характеристики кремнезоля

Источник: по данным открытых источников информации

1.2. Отрасли потребления силиказолей

1. Литейное производство.

Для чего используют: как связующее в формовочных и стержневых смесях, в составе огнеупорных покрытий и оболочек для литья (в том числе по выплавляемым моделям). Как это работает: силиказоль повышает прочность сырой и сухой формы, уменьшает осыпаемость, улучшает газопроницаемость, формирует защитный барьер, снижающий взаимодействие расплава с формой, и помогает получать более качественную поверхность отливок. Требования: критически важны однородный размер частиц (часто 10–30 нм) для равномерного распределения, низкая вязкость для хорошей текучести (особенно при литье по выплавляемым моделям), устойчивость к окислению и химическому воздействию жидкого металла, совместимость с другими компонентами смеси. Для разных задач подбирают специализированные марки: натриевые (универсальные), аммонийные (чтобы избежать щелочных остатков), стабилизированные (для длительного хранения без осадка), кислотные (для огнеупорных красок). 

2. Химическая промышленность.

Для чего используют: в производстве катализаторов (как носители активных фаз, для регулирования распределения металлических компонентов и повышения термической стабильности), при синтезе полимеров и смол (как структурообразующие и регулирующие вязкость компоненты), при создании сорбентов (для формирования развитой поверхности и регулируемых пор), в качестве стабилизаторов и дисперсантов в различных химических системах, а также при формировании плёнок и покрытий. Требования: нужна точная настройка параметров — уровень стабилизации, концентрация SiO₂, размер частиц, совместимость с конкретными реагентами и носителями. Для катализаторов важна развитая поверхность и оптимальная пористая структура, для полимерных систем — способность равномерно распределяться в матрице и улучшать механические, реологические или барьерные свойства. 

3. Лакокрасочная промышленность и производство покрытий.

Для чего используют: как структурообразующие добавки, тиксотропные агенты и модификаторы реологических свойств в красках, лаках, грунтовках, эмалях, пропитках и защитных покрытиях. Как это работает: силиказоли улучшают стабильность дисперсий (предотвращают седиментацию и агломерацию пигментов), регулируют вязкость, повышают адгезию покрытия к подложке, формируют более прочную трёхмерную структуру при высыхании, увеличивают стойкость плёнки к влаге, УФ-излучению, механическим и химическим воздействиям. Требования: важна высокая степень дисперсности, низкая вязкость для удобства введения в рецептуру, химическая инертность и совместимость с полимерами, смолами и пластификаторами. Для разных типов систем (водные, алкидные, эпоксидные, полиуретановые) могут потребоваться разные типы силиказолей (например, кислотно-стабилизированные для акриловых или полиуретановых систем). 

4. Водоочистка и обработка сточных вод.

Для чего используют: как коагулянты, флокулянты, стабилизаторы осадков и компоненты, повышающие эффективность удаления взвешенных веществ, органики, коллоидных частиц и тяжёлых металлов. Как это работает: силиказоль помогает укрупнять мелкие частицы загрязнений, ускорять их осаждение, улучшать фильтруемость воды и стабилизировать состав сточной воды. Его применяют в схемах как предварительной, так и финишной очистки - на предприятиях энергетики, металлургии, химической и нефтехимической промышленности, целлюлозно-бумажных и пищевых комбинатах, а также в системах подготовки питьевой воды. Требования: нужно подбирать марку под конкретный состав воды и тип загрязнителей. Важны оптимальная концентрация, размер частиц, pH, а также совместимость с другими реагентами (например, с железо- или алюмосодержащими коагулянтами). 

5. Другие значимые области.

• Целлюлозно-бумажная промышленность. Силиказоли применяют как компонент связующих систем при производстве бумаги и картона - для повышения прочности, улучшения печатных характеристик, снижения водопоглощения. 
• Нефтедобыча. Добавляют к пластовым водам: наночастицы SiO₂ изменяют смачиваемость породы, что помогает более эффективно вытеснять углеводороды из порового пространства. 
• Строительство. Входят в состав бетонов, минеральных композиций и специальных растворов для укрепления грунта: частицы проникают в поры, уплотняя структуру, повышая плотность, прочность, износостойкость, снижая водопоглощение и пыление. 
• Электроника и оптика. Используют в процессах химико-механической полировки полупроводниковых пластин и оптических элементов — здесь критически важны высокая дисперсность, стабильность, чистота и отсутствие грубых включений. 
• Фармацевтика и косметика. Могут выступать как загустители, диспергаторы, матирующие агенты или носители активных веществ. 
• Производство композитов. Служат функциональными наполнителями: направленно изменяют структуру и эксплуатационные свойства (прочность, термостойкость, барьерные свойства) полимерных и гибридных материалов. 

Куплю

19.04.2011 Белорусские рубли в Москве  Москва

18.04.2011 Индустриальные масла: И-8А, ИГНЕ-68, ИГНЕ-32, ИС-20, ИГС-68,И-5А, И-40А, И-50А, ИЛС-5, ИЛС-10, ИЛС-220(Мо), ИГП, ИТД  Москва

04.04.2011 Куплю Биг-Бэги, МКР на переработку.  Москва

Продам

19.04.2011 Продаем скипидар  Нижний Новгород

19.04.2011 Продаем растворители  Нижний Новгород

19.04.2011 Продаем бочки новые и б/у.  Нижний Новгород