Діоксид кремнію: пірогенний чи осаджений, для чого і скільки додавати

Діоксид кремнію в промисловості буває двох типів, і обидва аморфні. Пірогенний народжується у полум'ї, осаджений — у реакторі з рідкого скла. Ціна різниться кратно. При цьому для матування, антизлипання та сипкості порошків дешевший осаджений працює не гірше, і саме тому світовий випуск осадженого кремнезему на порядок більший.

Ми возимо осаджений — марку NK-70 з питомою поверхнею 100–115 м²/г, номер CAS 112926-00-8. Нижче розберу, чим він відрізняється від «аеросилу», що ховається за словом «гідратований» і скільки його кладуть у кожній галузі.

Два способи отримання, звідси вся різниця

Пірогенний діоксид кремнію роблять спалюванням тетрахлориду кремнію у воднево-кисневому полум'ї. Частинки виходять непористі, надчисті, злипаються в розгалужені просторові агрегати. Саме ця структура дає ефект «загущення з нічого»: пірогенного треба зовсім трохи, щоб рідина стала тиксотропною.

Мокрий спосіб виглядає інакше. Силікат натрію розкладають сірчаною або соляною кислотою, осад промивають, фільтрують і сушать. Частинки більші, пронизані порами, з помітно більшою кількістю силанольних груп на поверхні. Чистота нижча за пірогенну, зате й собівартість непорівнянна.

Показник	Пірогенний (аеросил)	Осаджений (наш NK-70)
Синтез	полум'яний піроліз	мокрий, з рідкого скла
Структура частинок	непориста	пориста
Питома поверхня	50–600 м²/г	12–800 м²/г, у NK-70 100–115
Силанольні групи	менше	більше
Сильна сторона	максимальне загущення на мінімумі дозування	матування, антизлипання, наповнення, вбирання рідин
Ціна	висока	у рази нижча

«Гідратований діоксид кремнію» — це той самий осаджений

Плутанина тут стабільна. У переліку складників зубної пасти чи скрабу стоїть «гідратований діоксид кремнію», людина йде шукати окремий продукт і не знаходить. Окремого продукту немає. Гідратований і осаджений це одне й те саме, слово лише підкреслює, що після мокрого синтезу на поверхні лишається зв'язана вода. У паспорті вона видна рядком вологості: 5 ± 1,5%.

Пірогенний такої вологи не має, його висушує полум'я. Тож коли рецептура вимагає гідратований кремнезем, осаджений підходить прямо. Зворотна підміна працює не завжди.

Питома поверхня: головна цифра в паспорті

Метод BET (Брунауера, Еммета й Теллера) міряє, скільки квадратних метрів поверхні припадає на грам порошку. У осаджених кремнеземів діапазон широченний, від 12 до 800 м²/г. Наші 100–115 — середина шкали, робоча для більшості наповнювальних і матуючих задач.

Сама по собі поверхня ще нічого не вирішує. Поруч завжди дивляться розмір частинок, і тут у NK-70 цікава пара чисел: первинні частинки 18–20 нм, але поодинці вони в порошку не існують — зібрані в агломерати 10–12 мкм. Матує саме агломерат, і чим він крупніший, тим глибша матовість. А вбирає рідину пориста структура: водопоглинання 230–260% означає, що кілограм порошку забирає понад два кілограми рідини й лишається сипким.

Насипна щільність 0,12–0,16 г/см³ теж говорить сама за себе. Мішок на 25 кг виходить об'ємним — це не тальк, який лягає щільно.

Лаки та фарби: матування і тиксотропія

Дві різні задачі, які часто плутають між собою. Матування — це коли частинки виводять на поверхню плівки мікрошорсткість, і світло замість дзеркального відбиття розсіюється. Працює розмір. що крупніший агломерат матуючого агента, то сильніший ефект, і осаджений діоксид кремнію тут ефективніший за пірогенний саме через свою крупність. Дозування 2–5% від маси.

Тиксотропія — інша механіка. Силанольні групи зшивають частинки водневими зв'язками в просторову сітку, вона тримає систему густою в спокої й розпускається під зсувом, коли валик чи пістолет розганяє матеріал. Пігмент не осідає в банці, а на вертикалі не тече патьоками. Тут вистачає 0,5–2%.

Одна засторога, про яку згадують усі виробники матуючих агентів: пориста структура жадібна до зв'язуючого. Порошок вбирає і смолу, і розчинник, тому при переході з пірогенного на осаджений баланс рецептури доводиться перераховувати, а не просто міняти мішки. У системах з високим сухим залишком це відчувається сильніше за все. Для лакофарбових задач кремнезем часто ставлять у парі зі стеаратом алюмінію — той дає тиксотропію по-своєму, через мильну структуру.

Гума: армування і «зелені шини»

Найбільший ринок діоксиду кремнію за тоннажем — саме гумовий, і головне застосування там протектор шини. Осаджений діоксид кремнію разом із силановим апретом замінює технічний вуглець і дає ту саму економію палива, заради якої з'явився термін «зелена шина»: 3–4% витрати пального проти сажових рецептур, а опір коченню падає на 20–30%.

Без силану це не працює. Поверхня діоксиду кремнію полярна, каучук неполярний, тому частинки тягнуться одна до одної, а не до полімеру — і в суміші лишаються нерозбиті грудки наповнювача. Апрет зшиває обидві сторони. одним кінцем чіпляється за силанольні групи, іншим за подвійний зв'язок каучуку.

Промислові завантаження великі: на 100 частин каучуку кладуть від 20 до 150 частин кремнезему і від 1 до 25 частин силану. Дрібні гумові виробництва беруть скромніше. Там діоксид кремнію частіше йде як напівпідсилювальний наповнювач у світлих сумішах, де сажа неприйнятна за кольором. Деталі по рецептурах вулканізації — у розділі гума та РТВ.

Плівка: антиблок

Свіжоекструдований поліетиленовий рукав злипається сам із собою. Дві гладкі поверхні на молекулярному рівні зчіплюються так, що плівку потім не розкрити без розриву. Частинки діоксиду кремнію виступають над поверхнею мікроскопічними горбками, тримають шари на відстані, і рулон розмотується.

Дозування тут рахують не у відсотках, а в частинах на мільйон. Для поліпропілену, поліетилену низької густини й лавсану типово 500–2000 частин на мільйон. У парі зі слизьким агентом у поліетилені низької густини вистачає 300–1000. Виробники плівки для складних випадків піднімають до 2000–5000. У рукаві завтовшки 25 мкм комбінація 0,15% кремнезему з 0,05% слизького агента збиває коефіцієнт тертя до значень близько 0,1 — далі плівка вже ковзає сама.

Фармацевтика: глідант і сухий носій для рідин

У таблеткуванні діоксид кремнію працює глідантом. Частинки обволікають зерна порошку, знімають міжчастинкове тертя й вирівнюють наповнення матриці — без нього маса зависає у бункері та йде нерівномірною дозою. Норма 0,1–1%, у переважній більшості рецептур ближче до нижньої межі.

Друга роль цікавіша. Пориста структура перетворює рідину на сипкий порошок: олійний активний компонент, вітамін, ароматизатор вбирається всередину пор, а зовні лишається сухий продукт, який можна пресувати чи капсулювати. Олієємність спеціальних фармацевтичних марок сягає 100–300 мл на 100 г порошку, у окремих сортів і більше. Наші 230–260% водопоглинання — з того самого ряду, хоча для фармвиробництва зазвичай беруть марки з паспортом під фармакопею. Поруч у рецептурі майже завжди стоїть стеарат магнію: він змащує стінки матриці, кремнезем відповідає за сипкість. Про пару докладніше — у статті про металеві стеарати й у розділі фармацевтика.

Харчова промисловість і корми: Е551

Під цим індексом діоксид кремнію виконує дві функції — антизлежувач і носій. У цукровій пудрі, сухому молоці, спеціях і суповних сумішах він забирає надлишкову вологу, і порошок не збивається в камінь, дозування 0,1–0,5%. У кормових преміксах роль та сама, тільки масштаб інший, і поруч зазвичай працює стеарат кальцію — той зменшує налипання на обладнанні. Європейське агентство з безпечності харчових продуктів перевіряло Е551 повторно й генотоксичності не знайшло; окремо переглядали навіть продукти для немовлят до 16 тижнів і при чинних рівнях застосування ризику не побачили.

Носійна функція в кормах не менш ходова: рідкий вітамінний концентрат або ароматизатор наносять на діоксид кремнію і вводять у суху суміш уже порошком. Практика для комбікормових заводів розписана в розділі корми для тварин.

Зубна паста

Тут гідратований кремнезем відіграє одразу дві партії — абразив і загусник, і це рідкісний випадок, коли один складник закриває дві функції в одній тубі. Абразивна фракція зчищає наліт, загущувальна тримає пасту стовпчиком на щітці. Типове завантаження абразиву 8–20% від маси, стандартні й середньочистні марки кладуть у діапазоні 10–30%, робоча більшість паст сидить на 15–25%.

Стримує все показник стирання дентину. Пасти вкладаються в 40–250 одиниць, американська стоматологічна асоціація поставила стелю на 250, а комфортною для щоденного чищення вважають зону 70–150. Дрібніша й м'якша фракція кремнезему дозволяє тримати чистильну здатність без виходу за верхню межу — тому марки для оральної гігієни підбирають не за поверхнею, а за абразивністю.

Пиво: колоїдна стабілізація

Каламуть у пиві з'являється, коли чутливі білки зв'язуються з поліфенолами. Кремнеземний гель вибірково садить на себе саме ці поліпептиди, а хміль і смак не чіпає — на відміну від полівінілполіпіролідону, який працює з протилежного боку і забирає поліфеноли.

Дозування рахують у грамах на гектолітр. Під час холодного витримування додають до 50 г/гл, у потік перед фільтрацією 20–100 г/гл, у важких випадках із високим вмістом чутливих білків доходять до 125 г/гл. Комбінована схема економніша: 15 г/гл полівінілполіпіролідону разом із 50 г/гл кремнеземного гелю тримають прозорість не гірше за подвійну дозу чогось одного.

Акумуляторні сепаратори

Це застосування мало хто очікує побачити в переліку. Сепаратор свинцево-кислотної батареї, який усі звуть поліетиленовим, насправді складається з надвисокомолекулярного поліетилену, нафтенової олії та осадженого кремнезему — причому кремнезему там багато.

Причина проста: поліолефін гідрофобний, сірчана кислота його не змочує, іони крізь суху мембрану не йдуть і батарея просто не працює. Діоксид кремнію робить сепаратор змочуваним, збиває електроопір і додає механічної стабільності. Без нього конструкція нежиттєздатна, тому назва «поліетиленовий сепаратор» технічно неточна.

Аморфний і кристалічний — різниця, яку не можна ігнорувати

Синтетичний аморфний кремнезем і кварцовий пил хімічно однакові, формула в обох SiO₂. Різниця у будові ґратки, і вона вирішує все. Кристалічний кремнезем у формі кварцу чи кристобаліту Міжнародне агентство з вивчення раку віднесло до першої групи — доведені канцерогени для людини; з ним же пов'язаний силікоз, незворотний фіброз легень. Для аморфного таких доказів немає ні в людських, ні в тваринних дослідженнях.

Тому заміна меленого кварцового наповнювача на осаджений діоксид кремнію — це не тільки про технологію, а й про умови праці в цеху. Пилити порошок усе одно буде, респіратор ніхто не скасовував. Але природа ризику інша.

Скільки додавати: зведення по галузях

Застосування	Функція	Дозування
Лаки, фарби	матуючий агент	2–5%
Лаки, фарби	тиксотропний загусник	0,5–2%
Гума, протектор	армуючий наповнювач + силан	20–150 ч. на 100 ч. каучуку
Плівка	антиблок	500–2000 частин на мільйон
Таблетки	глідант	0,1–1%
Сипкі харчові, премікси	антизлежувач, носій	0,1–0,5%
Зубна паста	абразив і загусник	8–20%, типово 15–25%
Пиво	колоїдна стабілізація	20–125 г/гл

Цифри в таблиці це стартові точки, а не рецепт. Пориста структура жадібна до зв'язуючого, тому кожна нова система вимагає пробного замісу: у лаках я б починав з 3%, хоча в системах з високим сухим залишком частіше виходить ближче до чотирьох.

Що дивитись у паспорті

Три рядки вирішують придатність під задачу. Питома поверхня діоксиду кремнію показує активність — 100–115 м²/г це універсальна середина. Розмір агломератів визначає глибину матування, у NK-70 це 10–12 мкм. Водопоглинання каже, скільки рідини порошок забере: 230–260% перекриває носійні й антизлежувальні задачі із запасом.

Далі йдуть контрольні показники, які рідше згадують, але саме вони ловлять брак партії. Втрата при прожарюванні до 6,0% при 900 °C — це зв'язана вода й залишки органіки. Показник pH водної витяжки 6,2–7,0 важливий там, де кремнезем іде в чутливу до кислотності систему. Залишок на ситі 300 меш не більше 1,0% означає відсутність грубих включень, які в лаку дадуть крупинку на плівці, а в плівці — прокол.

Повернуся до плутанини з назвами, з якої почав. Коли постачальник пише в прайсі просто «діоксид кремнію» і не вказує спосіб отримання, питайте питому поверхню й вологість. Пірогенний видасть себе сухістю й високою поверхнею, осаджений — вологою в кілька відсотків. Це швидша перевірка, ніж запит паспорта.

Осаджений діоксид кремнію NK-70 виробництва M.L.A. Industries ми тримаємо на складі в мішках по 25 кг, з паспортом якості на кожну партію. Технічні питання щодо конкретної рецептури можна поставити менеджеру — підберемо дозування під вашу систему. Картка товару з повними показниками: діоксид кремнію осаджений. Якщо задача ближче до наповнення й матування покриттів, поруч варто подивитись мікротальк 5-SW — його часто ставлять у пару з кремнеземом для балансу матовості й механічної міцності.