Процессы получения коллоидного кремнезема и переход золей в гели лежат в основе многих современных технологий, связанных с производством материалов самого разнообразного назначения, обладающих уникальными свойствами и регулируемой структурой. Оксид кремния - самое распространенное вещество на Земле; на его основе золь-гель методом получено большое количество материалов: катализаторов и адсорбентов, цеолитов, покрытий и стекол, термо- и звукоизоляционных, пористых материалов, керамики, композиционных и лакокрасочных материалов, буровых растворов и реагентов и т.д. Щелочные силикатные суспензии широко используются при получении строительных материалов . Наиболее эффективным методом синтеза наночастиц кремнезема считается золь-гель технология, представляющая химический конденсационный метод синтеза в жидкой фазе. Золь-гель технология позволяет проводить процесс в оптимальных условиях с точки зрения эффективности управления свойствами конечного продукта, энергетических затрат и производительности процесса .
Превращение золей в гели - основа новейших нанотехнологий получения световодов, керамических ультрафильтрационных мембран, оптических и антикоррозионных покрытий, фотоматериалов, высокодисперсных абразивов и других материалов с уникальными свойствами и регулируемой структурой.
Благодаря связующим свойствам коллоидный кремнезем с успехом используется в качестве неорганического связующего в материалах с различными наполнителями: неорганическими порошками, волокнами, полимерами, металлами и т.д. Характерная особенность таких материалов - их прочность и жаростойкость. Примером может служить получение керамических форм при литье по выплавляемым моделям, огнеупорной керамики, изоляционных материалов и т.д.
Химия коллоидного кремнезема и области его применения достаточно подробно рассмотрены в литературе, и прежде всего в работах Айлера. Тем не менее, интерес к этим системам не ослабевает, что проявляется в разработке на основе кремнезема новых материалов, обладающих уникальными свойствами, а также в большом количестве научных и патентных публикаций, проведении периодических международных конференций, посвященных кремнезему .
Наиболее распространено применение силикагелей в гранулированной или шариковой форме в качестве катализаторов, адсорбентов и осушителей, например, при консервации энергетического оборудования. По данным Айлера, использование кремнеземных порошков можно сгруппировать в соответствии с их следующими назначениями: упрочнение, загущение и отверждение органических веществ; понижение адгезии между поверхностями твердых веществ: повышение адгезии клеев; повышение вязкости и тиксотропии в жидкостях; создание разнообразных оптических эффектов. Другие общие эффекты: изменение поверхностного состояния; создание гидрофобных эффектов; применение в качестве адсорбентов; носителей катализаторов; для получения реакционноспособного кремнезема; образование ядер конденсации в облаках; в количественном анализе в качестве наполнителя хроматографических колонок .
Необходимо отметить чрезвычайно важное применение аморфного наноразмерного кремнезема в качестве добавок в масла и смазки для двигателей внутреннего сгорания, а также для любых узлов и механизмов, где есть металлические пары трения, например, масла и смазки марки XADO. Образование керамических пленок на поверхностях трущихся пар приводит к восстановлению геометрических размеров узлов и механизмов до их первоначального состояния, в несколько раз снижает степень их последующего износа. При этом существенно (до 20 %) снижается расход топлива за счет резкого уменьшения шероховатости металла вследствие образования на его поверхности силикатной пленки.
В качестве армирующего наполнителя для резины ранее применялась углеродная черная сажа, но сейчас наблюдается тенденция ее частичной или полной замены тонкодисперсным кремнеземом. Это позволяет увеличить прочность резины и придать ей цвета, отличные от черного. Прочность резины на растяжение, раздир и общая величина жесткости заметно повышаются, если частицы наполнителя (кремнезема или этерифицированного кремнезема) имеют небольшой размер диаметром 5-10 нм, полностью диспергированны и находятся в виде разделенных, дискретных частиц внутри матрицы. Для хорошей диспергируемости небольшие частицы должны быть гидрофобными, наличие на частицах наполнителя полярных и гидрофильных участков поверхности приводит к образованию цепочек из частиц, что придает жесткость структуре резины .
Аморфный тонкодисперсный кремнезем (АТК) применяется в качестве наполнителя для силиконовых эластомеров. АТК дополнительно повышает пористость ионобменных смол. Это достигается посредством включения кремнезема в мономер с последующим его растворением и удалением путем воздействия разбавленной плавиковой кислотой HF. Мембраны из ацетата целлюлозы, применяемые для обратного осмоса, при содержании в них 50 % кремнезема приобретают в 5 раз более высокую пропускную способность по сравнению с мембранами из ацетата целлюлозы без кремнезема .
АТК более эффективен и менее заметен для предотвращения слипания листовых и клейких материалов по сравнению с традиционно использующимися тальком и крахмалом. Это становится возможным вследствие чрезвычайно малых размеров частиц АТК и низким значением показателя преломления. АТК предотвращает слеживание порошков или гранул, перемещающихся или некристаллизующихся при хранении, при этом он нетоксичен и инертен. Слипание полимерных пленок предотвращается добавлением кремнезема к перемешиваемым мономерам перед их полимеризацией. Примерно 0,5 % кремнезема способствует понижению адгезии на 50 % .
Если кремнезем находится в виде диспергированных частиц в среде клеящего вещества - адгезива, который отвердевает при контакте с твердой поверхностью, то адгезия системы не понижается, а напротив, возрастает. Например, добавление 10 % АТК в жидкий бутилцианакрилат вызывает повышение прочности и адгезии системы с кожей пациента и применяется в хирургии. Также кремнезем используется как загуститель в компонентах эпоксидных клеев. Этерифицированный кремнезем в технике используется как загуститель консистентных смазок, приготовляемых из нефтяных и силиконовых масел. Полученные таким образом смазки имеют заметно более высокую адгезию к стальной поверхности во влажных условиях, не подвержены абразивному износу, имеют меньшую окисляемость при повышенных температурах. АТК используется как загуститель, т.е. регулятор вязкости, для красок, грунтовок и чернил. В этом случае достигается несколько эффектов: матирование или понижение блеска, предотвращение образования осадка из пигмента при хранении продукта, стабилизация эмульсии и возможность нанесения красящих веществ без образования капель .
Прозрачность высокопористого, с высоким значением удельной поверхности кремнезема позволила разработать прозрачные зубные пасты, при этом обладающие свойством эффективно удалять зубной камень. В косметические препараты АТК добавляют с целью удаления жира из кожи, при этом используются свойства АТК как адсорбента .
Когда диспергированный АТК находится в масле, например в моноолеате глицерина, при приложении трехфазного переменного тока напряжением 2000 В проявляется электровязкостный эффект, за счет электростатического сцепления двух пластин, в узком зазоре между которыми находится масло.
При этом кремнезем загущает масло до состояния геля, который передает вращающий момент от одной пластины к другой .
Другое интересное применение АТК - кристаллы больших размеров, которые не могут быть выращены в воде, выращиваются в среде геля кремнезема. Структура геля предотвращает конвекцию и позволяет равномерно протекать процессу диффузии компонентов .
Алкилнитраты, гидразин и другие виды ракетного топлива загущаются до состояния геля или до состояния смазки за счет введения рыхлого объёмистого силикагеля. Достигается загущение кислот, например, в свинцовых аккумуляторных батареях. Кремнезем в качестве загустителей пен усиливает их противопожарные свойства .
АТК широко используется для разбавления сильноокрашенных органических красителей, например фталоцианина, а также для матирования и удаления эффектов блеска в красках, пластмассах и печатных красках. Частицы АТК как с гидрофильной, так и с органофильной поверхностями будут собираться на границе раздела фаз и таким образом стабилизировать эмульсии, например систему масло-вода, или краску, где АТК может выполнять и другие функции .
Бумага и ткани, а также другие материалы, приобретают высокие гидрофобные или водоотталкивающие свойства вследствие наложения невидимой адсорбционной пленки, состоящей из гидрофобных коллоидных частиц кремнезема .
Интересно применение АТК для получения «сухой порошкообразной воды», получаемой путем покрытия полученных помолом тонкодисперсных частиц льда гидрофобным АТК. Аналогично концентрированный пероксид водорода (20-70 %) может превращаться в устойчивый порошок путем вибрирующего перемешивания жидкости с АТК .
Несмотря на множество интересных применений, по-видимому наиболее широко АТК используется в качестве осушителя для изделий в упаковке, которые могут подвергаться коррозии или порче под действием влаги .
АТК с нанесенными на его поверхность алкилсилильными группами может использоваться как адсорбент для ферментов, митохондрий и других клеточных органелл с сохранением их активности. Это применение АТК позволило открыть новые области исследований в биохимии. Подобные органические образования могут прилипать к модифицированной поверхности АТК, давая монослойные покрытия при 27 °С, но они способны десорбироваться при 5 °С. По-видимому этот эффект связан с тем, что вода вытесняет эти образования с поверхности АТК за счет того, что при 5 °С водородные связи становятся более прочными .
Роль соединений кремния в биохимии жизни до сих пор неясна. Возможно, это связано с тем, что коллоидные частицы кремнезема не напрямую участвуют в биохимических процессах, а играют транспортную роль. По последним данным, частицы кремнезема с размером до 5 нм способны проходить через клеточную мембрану, при этом транспортируя на себе питательные вещества при входе в клетку и удаляя сорбированные токсичные вещества при выходе из нее.
Высокие значения удельной поверхности и скорости растворения АТК позволяют проводить необходимые реакции при значительно более низких температурах, чем это требуется для измельченного в порошок тонкокристаллического кремнезема. Например, прозрачное плавленое кварцевое стекло образуется при давлении 140 кг/см2 и температуре 1200 °С из АТК с размером первичных частиц 15 нм, тогда как для получения такого материала в виде выдуваемых в форму изделий требуется температура 2000 °С. Реакцией измельченного в порошок бора с АТК получают кварцевое стекло с дефицитом кислорода, которое лишь с трудом подвергается расстекловыванию.
АТК настолько реакционноспособен, что его можно использовать для приготовления синтетических глинистых материалов, например, каолин образуется в гидротермальных условиях при 200-300 °С .
Частицы АТК с размером 30-100 нм при определенных характеристиках их поверхности оказываются активными для образования центров кристаллизации льда, или первого этапа формирования дождевых капель в облаке. Кроме того, применение АТК для этих целей экономически более выгодно, чем использование иодида серебра .
Масштабы применения специально разработанных АТК для применения в качестве набивки хроматографических колонок и литература по этим вопросам настолько огромны, что эта тема требует отдельного рассмотрения .
Добавление аморфного кремнезема в почву или в культуральные растворы дает значительный благотворный эффект в том случае, когда имеется дефицит усвояемого фосфора.
Это происходит вследствие того, что силикатный ион в слабощелочной среде способен вытеснять фосфат-ион с поверхности частиц почвы или коллоидного материала, таким образом, содержание фосфора в рассматриваемой системе увеличивается. Такое применение АТК особенно эффективно для латеритных почв, на которых фосфат-ионы адсорбируются особенно прочно и становятся недоступными для растений из-за образования нерастворимых фосфатов железа и алюминия. В результате в почвах такого типа этот прием ведет к увеличению урожая зерновых в 2-3 раза, если среда щелочная, и возрастают вплоть до пятикратного размера, если среда нейтральная. В песчаной среде благоприятное воздействие аморфного кремнезема на урожаи бобовых и крестоцветных заключается в улучшении физического состояния песчаной почвы и использования имеющегося фосфора по механизму, описанному выше. Применение АТК, кроме улучшения накопления и использования растениями фосфора, аналогично влияет в отношении кальция, калия и магния .
Тонкодиспергированный аморфный кремнезем используется как инсектицид против определенных насекомых, взаимодействуя с ними физическим способом, не включаясь каким-либо образом в биохимические процессы. АТК при этом поглощает липиды (масла) из кутикулы насекомого, организм которого при этом быстро дегидратируется. Гидрофобный кремнезем действует в этом отношении сильнее, чем гидрофильный. Кремнеземный аэрогель, отчасти органофильный благодаря способу его приготовления, при концентрации 0,05 % тормозит активность долгоносика и точильщика зернового в зернохранилищах, обладает более продолжительным защитным действием по сравнению с химическими инсектицидами и при этом нетоксичен для животных и человека .
Водный гидрозоль кремнезема используется для полива горячих поверхностей изложниц для разлива стали. Таким образом, предотвращается эрозия поверхности изложниц и улучшается отделение слитка металла. При обработке таким же образом поверхности рельсов улучшается тяговое усилие локомотива за счет большей сцепляемости колес с рельсами .
Золь кремнекислоты используют для производства диоксида кремния, который помимо всего вышеперечисленного, применяется в химической промышленности для производства катализаторов. Оксид кремния как носитель обладает рядом свойств, которые делают его весьма полезным в тех случаях, когда оксид алюминия неприменим, например, в сильнокислых средах .
В промышленности синтеза катализаторов золь кремнезема специально готовят по следующему методу: к 4 % раствору метасиликата натрия, приготовленному растворением достаточного количества сухой соли в воде, прибавляют азотную, соляную или серную кислоту, чтобы изменить реакцию среды, от сильно щелочной до сильно кислой, со значением рН < 2. В этих условиях оксид кремния не образует гель, а будет находиться в виде стабильного золя, который и добавляют к раствору исходных солей катализатора, также имеющему кислую реакцию. Осадитель, которым может быть карбонат или бикарбонат аммония, натрия или калия, прибавляют до тех пор, пока рН не станет равным 6,8-7,5. В этих условиях осаждаются каталитические компоненты, а оксид кремния захватывается осадком и таким образом становится эффективным носителем, действующим как стабилизатор или даже как промотор .
Полученный из осадка оксид кремния значительно менее реакционно способен, чем оксид, полученный из золя (подкисленного силиката), а следовательно, более устойчив к образованию силикатов при более высоких температурах (до 700 °С). Около 700 °С оксид кремния становится высокоактивным, спекается и в значительно степени, если не полностью, переходит в силикаты . Таким образом, стабильный золь кремнезема является высококачественным сырьем для получения носителя - диоксида кремния и катализаторов на его основе с отличными техническими характеристиками.
Диоксид кремния в качестве носителя катализаторов используется в следующих важнейших крупнотоннажных промышленных процессах: при производстве серной кислоты (катализатор - оксид ванадия, промотированный сульфатом калия на диоксиде кремния); во второй низкотемпературной стадии конверсии водяного газа (катализатор - композиция меди и оксида цинка на носителе - оксиде алюминия или оксиде кремния); при производстве фталевого ангидрида из нафталина или оксилола окислением воздухом (катализатор - оксид ванадия на диоксиде кремния); в синтезе винилацетата из этилена и уксусной кислоты с кислородом используется палладий на кислотостойких носителях, лучшим из которых является диоксид кремния . Кроме того, катализатором такого важнейшего для промышленности процесса, как крекинг нефти, является кристаллический цеолит на алюмосиликатной матрице. Так как цеолиты синтезируют в гидротермальных условиях из геля, образующегося при добавлении гидроксида натрия к раствору силиката и алюмината натрия , диоксид кремния является важнейшим исходным компонентом при их промышленном производстве.
Наибольшее применение в промышленности нашли следующие методы синтеза золей кремниевой кислоты: нейтрализация растворимых силикатов кислотами, ионный обмен, пептизация свежеобразованных гелей кремниевой кислоты, электродиализ, гидролиз алкилпроизводных кремния, растворение элементарного кремния, диспергирование пирогенного кремнезема. В промышленности чаще всего применяется метод ионного обмена, впервые запатентованный Бердом . В литературе известны многочисленные модификации этого процесса. Основные стадии синтеза гидрозолей кремнезема с плотными частицами: получение раствора кремниевой кислоты; синтез «зародышевого» золя; выращивание частиц; концентрирование золя; модифицирование поверхности частиц .
Золь-гель технология позволяет вводить модифицирующие компоненты на стадии получения золя. Таким образом, получают, например, микропористые алюмосиликагели, оптически прозрачные гели алюмосиликатов, силикагели, легированные соединениями бора, титана, германия, а также сорбенты для высокоэффективной жидкостной хроматографии. Золь-гель технология дает возможность также получать ксерогели, модифицированные органическими и неорганическими реагентами, для использования в качестве тест-средств при определении различных веществ в аналитической практике .
Химически модифицированный кремнезем представляет большой интерес для жидкостной хроматографии высокого разрешения, а также как носитель катализаторов . Аморфная структура золей кремниевой кислоты, приготовленных различными методами, сохраняется в течение длительного времени, начало кристаллизации отмечено после двух лет старения системы. В результате развития напряжений первичные аморфные частицы распадаются на множество мелких кристаллических частиц, которые при дальнейшем старении золя растут, агрегируют, образуют структуры. Аморфный кремнезем менее заполимеризован. чем кварц, и различия в их структуре являются не качественными, а лишь количественными. На полимерную природу кремнезема указывал еще Менделеев .
Процессы кристаллизации, приводящие к возникновению значительных напряжений и в результате к растрескиванию изделия, ограничивают эффективное использование ряда материалов, содержащих в качестве связующего коллоидный кремнезем, при температурах более 1000-1100 °С. Адсорбционное модифицирование поверхности - один из способов регулирования агрегативной устойчивости золей и адсорбционной способности поверхности частиц кремнезема. Синтез модифицированных золей позволяет существенно расширить область применения коллоидного кремнезема. Закономерности адсорбции катионов металлов на кремнеземе при различных рН и температуре рассмотрены в ряде работ . Проведение процесса возможно как в кислой, так и в щелочной среде. Фундаментальные исследования рассмотренных выше процессов золь-гель технологий синтеза материалов на основе наноразмерного кремнезема проводятся в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева .
Диоксид кремния, известный как пищевая добавка под номером Е551, имеет вид кристаллического вещества, не обладающего цветом. Это соединение имеет высокую степень прочности и твердости. Диоксид проявляет устойчивость к влиянию кислот, а также не вступает в реакцию с водой.
В природе соединение можно встретить в виде кварца, обычный песок состоит из мельчайших кварцевых зерен. Диоксид в данной форме применяется в таких областях и технологиях, где не стоит условие касательно высокой степени чистоты материала. Оксид кремния в виде кристаллов представлен яшмой, горным хрусталем, агатом, морионом, аметистом, халцедоном, топазом. На дне океанов образуется аморфный диоксид кремния из погибших водорослей и инфузорий.
Синтетическое вещество получают через окисление кремния при температуре около 500 градусов по Цельсию в атмосфере кислорода.
Пищевая добавка Е551 известна также под названиями аэросил, аморфный диоксид кремния, кремнезем, белая сажа, тонкодисперсный диоксид.
Пищевой диоксид кремния благодаря своим свойствам нашел широкое распространение как эмульгатор и вещество, препятствующее слеживанию и комкованию. Эту добавку можно встретить в таких группах продуктов:
Свое применение диоксид кремния нашел при производстве зубных паст, энтеросорбентов, некоторых видов лекарств.
Соединение используется во время производства керамики, стекла, абразивов, изделий из бетона, в качестве наполнителя в процессе производства резин, для получения кремния, во время производства кремнеземистых огнеупоров, в сфере хроматографии и др. Благодаря пьезоэлектрическим свойствам, которыми обладают кристаллы вещества, применение диоксид кремния нашел в ультразвуковых установках, а также радиотехнике.
Пленки диоксида, которые были получены искусственным путем, применяются как изолятор во время производства микросхем и иных электронных компонентов. Диоксид в чистом плавленом виде в сочетании с разными специальными ингредиентами применяется с целью производства волоконно-оптических кабелей.
Пищевой диоксид кремния, известный в качестве добавки под номером Е551, причисляется к группе химических соединений, которые разрешены к использованию в производственных процессах продуктов питания. Но согласно предостережениям ряда специалистов, существует и вред диоксида кремния для организма человека, который проявляется в случае взаимодействия с соединением.
Однако стоит отметить, что вред диоксид кремния может нанести в случае пренебрежения мерам предосторожности во время работы с веществом в чистом виде. Например, пыль, которая образуется в процессе взаимодействия диоксида с иными химическими реагентами, может вызывать серьезные раздражения легких и бронхов человека.
В случае употребления соединения внутрь, в неизменном состоянии оно проходит через желудочно-кишечный тракт, а после естественным образом покидает организм. Также заметим, что во Франции в течение пятнадцати лет проходили исследования касательно данной добавки, которые показали, что в случае употребления воды с высоким уровнем содержания диоксида сокращается риск развития болезни Альцгеймера на целых 11%.
Популярные статьи Читать больше статей
02.12.2013
Все мы много ходим в течение дня. Даже если у нас малоподвижный образ жизни, мы все равно ходим – ведь у нас н...
610240 65 Подробнее
10.10.2013
Пятьдесят лет для представительниц прекрасного пола – это своеобразный рубеж, перешагнув который каждая вторая...
451130 117 Подробнее
02.12.2013
В наше время бег уже не вызывает массу восторженных отзывов, как это было лет тридцать назад. Тогда общество б...
356878 41 Подробнее
Аморфный кременезем может быть подразделен на три типа:
1. Кварцевое стекло, изготовленное плавлением кварца (а также высокотемпературным гидролизом тетрахлоида кремния или окислением его в низкотемпературной плазме).
2. Кремнезем М – аморфный кремнезем, получаемый при облучении быстрыми нейтронами аморфных или кристаллических разновидностей кремнезема. При этом плотность исходного аморфного кремнезема повышается, а кристаллического – понижается. Кремнезем М термически нестабилен и переходит в кварц при 930С в течение 16 часов. Его плотность – 2260 кг/м 3 (у кварцевого стекла – 2200).
3. Мироаморфный кремнезем, включающий золи, гели, порошки и пористые стекла, которые состоят в основном из первичных частиц размером менее одного микрометра или с величиной удельной поверхности более 3 м 2 /г.
Микроаморфный кремнезем, синтезированный в лабораторных условиях, можно подразделить на три класса:
I Микроскопические разновидности, получаемые в результате специальных процессов в форме листочков, ленточек и волокон.
II Обычные аморфные формы, состоящие из элементарных сферических частиц SiO 2 , по своему размеру меньших 100 нм, поверхность которых образована либо из безводного SiO 2 либо из групп SiOH. Такие частицы могут быть отдельными или связанными в трехмерную сетку: а) дискретные или обособленные (частицы, как это имеет место в золях; б) связанные в цепочки трехмерные агрегаты с силоксановой связью в точках контакта, как в гелях; в) объемные трехмерные агрегаты частиц, как это наблюдается в аэрогелях, кремнеземе трогенного происхождения и некоторых диспергированных порошках кремнезема (см. рис. 1.13).
III Гидратированный аморфный кремнезем, в структуре которого все или почти все атомы кремния удерживают по одной или более гидроксильной группе.
Рис. 1.13. Элементарные частицы обычных форм коллоидного кремнезема. Рисунок представлен плоским, но на самом деле агрегация частиц трехмерна: а – золь, б – гель, в – порошок кремнезема
Микроаморфный кремнезем слоистых, ленточных и волокнистых микроформ получают:
1. Образованием частиц на поверхности раздела газ – жидкость в результате гидролиза SiF 4 в газообразном состоянии при 100 или гидролизом паров SiCl 4 при 100С. Чешуйки представляют собой тонкие пленки геля кремнезема, образованные на поверхности контакта чрезвычайно реакционноспособных паров SiF 4 с капельками воды. “Распушенный” характер приготовленного из SiF 4 порошка проявляется в его очень низком значении кажущейся плотности, составляющей 25 кг/м 3 , а также в “текучести” порошка, сходной с текучестью воды. Чешуйки геля кремнезема неправильной формы диаметром около 1 мкм и толщиной 1/10 мкм содержат 92,86% SiO 2 и 7,14% Н 2 О.
2. Образованием золей кремнезема вымораживанием. Когда замораживается раствор коллоидального кремнезема или поликремниевой кислоты, растущие кристаллы льда будут вытеснять кремнезем до тех пор, пока последний не накопиться между кристаллами льда в виде концентрированного золя. Такой кремнезем затем полимеризуется и образует плотный гель. При последующем расплавлении льда получается кремнезем в виде чешуек неправильной формы, образовавшихся между гладкими поверхностями кристаллов льда. Высушенный в вакууме порошок кремнезема содержит приблизительно 10% Н 2 О.
К наиболее распространенному кремнезему в аморфной форме относятся силикагель и кварцевое стекло. Силикагель получают при нагревании гелей кремнезема до температур не выше 1000С. Готовый технический силикагель – это твердые полупрозрачные гранулы белого или желтоватого цвета. Широко используется в качестве поглотителя влаги.
Расплав кремнезема легко переохлаждается с образованием кварцевого стекла. Применяемое в технике кварцевое стекло представляет собой однокомпонентное силикатное стекло. Его получают плавлением природных или искусственных разновидностей кремнезема высокой степени чистоты.
При повышении давления установлены модификационные превращения и для некристаллического кремнезема – кварцевого стекла. При сжатии стекла в нем изгибаются связи Si-O-Si. С повышением давления до 3100-3300 МПа наблюдается переход, сопровождающийся резким изменением плотности (превращение второго рода). Стекло, полученное при таком давлении, носит название супрапьезостекло (сокращенно S-P-стекло).
При увеличении давления свыше 9000 МПа плотность стеклообразного кремнезема снова начинает повышаться и при 20000 МПа становится равной 2,61 . 10 3 кг/м 3 , что близко к плотности кварца, но материал остается аморфным. Такое стекло при снятии давления не возвращается упруго к своему первоначальному объему, и тонкие диски сверхплотного (конденсированного) кварцевого стекла удается сохранить. Это уплотненное кварцевое стекло называется конденсированным.
Характеристика полиморфных модификаций SiO 2 приведена в таблице 1.1.
2. Кремнезем М - аморфный кремнезем, получаемый при облучении быстрыми нейтронами аморфных или кристаллических разновидностей кремнезема. При этом плотность исходного аморфного кремнезема повышается, а кристаллического - понижается. Кремнезем М термически нестабилен и переходит в кварц при выдерживании при 930 °С в течение 16 ч. Его плотность составляет 2,26 по сравнению со значением 2,20 для кварцевого стекла или для микроаморфных разновидностей кремнезема . Фактически кремнезем М, полученный из некоторых кристаллических форм, может незначительно различаться.
3. Микроаморфный кремнезем, включающий золи, гели, порошки и пористые стекла, которые состоят в основном из первичных частиц размером менее одного микрона или с величиной удельной поверхности более ~3 м2/г. (Детальное обсуждение микроаморфного кремнезема дается в главах 4 и 5.)
Существует мнение , что в действительности аморфный кремнезем не является аморфным, а состоит из упорядоченных микрообластей или кристаллов чрезвычайно малых размеров, которые при тщательном исследовании методом дифракции рентгеновских лучей проявляют, по-видимому, структуру кри - стобалита. Тем не менее при исследовании обычными методами дифракции для такого материала получается в отличие от макроскопических кристаллов только лишь широкая полоса при отсутствии мультиплетных пиков. Поэтому в данной монографии подобный кремнезем будет называться «аморфным».
В природных условиях микроаморфные типы кремнезема образуются либо в процессе конденсации из паровой фазы, выброшенной при вулканических извержениях, либо осаждением из пересыщенных растворов кремнезема в природных водах и в живых организмах. За исключением кремнезема,
осаждаемого в растениях или в диатомеях, микроаморфный кремнезем природного происхождения обычно слишком загрязнен и не годится для изучения растворимости. (Образование и свойства природного опала обсуждаются в гл. 4.)
Микроаморфный кремнезем, синтезированный в лабораторных условиях, можно подразделить на три класса:
1. Микроскопические разновидности, получаемые в результате специальных процессов в форме листочков, ленточек и волокон.
2. Обычные аморфные формы, состоящие из элементарных сферических частиц Si02, по своему размеру меньших 1000 А, поверхность которых образована либо из безводного Si02, либо из групп SiOH. Такие частицы могут быть отдельными или связанными в трехмерную сетку, как это показано на рис. 1.2: а) дискретные или обособленные частицы, как это имеет место в золях; б) связанные в цепочки трехмерные агрегаты с силоксановой связью в точках контакта, как в гелях; в) объемные трехмерные агрегаты частиц, как это наблюдается в аэрогелях, кремнеземе пирогенного происхождения и в некоторых диспергированных порошках кремнезема.
3. Гидратированный аморфный кремнезем, в структуре которого все или почти все атомы кремния удерживают по одной или более гидроксильной группе. Такой тип полимерной структуры образуется в том случае, когда монокремневая кислота или олигокремневые кислоты концентрируются и полимери - зуются в воде при условии небольшого подкисления раствора и при нормальной или пониженной температуре. В настоящее время утверждается, что в подобных условиях кремнезем полимеризуется до чрезвычайно малых сферических частиц, диаметром менее 20-30 А. При концентрировании такие частицы связываются вместе в трехмерную массу геля, удерживая воду в промежутках между частицами. Размеры таких промежутков близки к молекулярным, и поэтому они способны удерживать воду вплоть до температуры 60 °С, выше которой вода может десорбироваться.
При обычных условиях такие структуры не сохраняются вследствие того, что в процессе приготовления золей и гелей вплоть до конечного состояния системы величина рН не остается достаточно малой, а температура не выдерживается ниже 60 °С.
Высокие значения удельной поверхности и скорости растворения аморфного кремнезема позволяют проводить необходимые реакции при значительно более низких температурах, чем это требуется для измельченного в порошок кристаллического кремнезема. Повышенная химическая реакционная …
Для некоторых применений желательно, чтобы поверхность кремнезема или стекла смачивалась водой. Но в то же время должны отсутствовать различные характерные ионные, гидрофобные или водородные связи, которые возникают при адсорбции органических …
Несомненно, что наиболее древними ископаемыми остатками живых организмов являются сине-зеленые водоросли, обнаруженные в виде включений в шерте (микрокристаллическом кремнеземе), открытые Баргхорном и Тайлером и в дальнейшем изученные многими исследователями …
В статье описана пищевая добавка (антислеживатель и антикомкователь) диоксид кремния аморфный (Е551), ее применение, влияние на организм, вред и польза, состав, отзывы потребителей
Выполняемые функции
антислеживатель и антикомкователь
Законность использования
Украина
ЕС
Россия
Диоксид кремния – это неорганическое соединение, обладающее небольшой активностью при нормальных условиях. При комнатной температуре оно не растворяется в воде, не взаимодействует с ней и с другими веществами. Данный оксид относится к кислотным и при определенных условиях может образовывать соли кремниевой кислоты, которые называются силикатами.
Диоксид кремния широко распространен в природе, входит в состав многих горных пород, минералов. В каждодневной жизни известен всем как обычный (кварцевый) песок. Существует несколько видов кристаллических модификаций данного вещества.
Аморфная форма диоксида кремния используется в фармацевтике как вспомогательное и основное вещество. Аморфный диоксид кремния представляет собой пищевую добавку Е551, которая применяется в пищевой промышленности для предотвращения слеживания и комкования сухих порошкообразных продуктов.
В промышленности диоксид кремния применяется при производстве строительных материалов, керамической продукции, абразивов, волоконно-оптических кабелей. Для технических целей используют продукт из природных источников. В пищевой и фармацевтической промышленности в качестве добавки Е551 применяют диоксид кремния, синтезированный окислением кремния при очень высокой температуре.
Добавка Е551 – одно из самых безопасных для здоровья соединений. Данное вещество абсолютно не растворяется в пищеводе и выводится из организма в неизменном виде. Помимо положительного влияния на качество пищевых продуктов добавка E551 может оказывать очищающее воздействие на кишечник. Не случайно диоксид кремния применяют в практической медицине как энтеросорбент. Данное вещество присутствует в составе многих зубных паст и способствует механической и микробиологической очистке полости рта.
Учитывая нерастворимость диоксида кремния, злоупотреблять пищевыми продуктами с добавкой Е551 не стоит людям, имеющим проблемы с выделительной системой. При поступлении в организм больших количеств данного вещества нельзя полностью исключить его накапливание в протоках мочевыводящей системы, особенно в тех случаях, когда они деформированы или спазмированы.
Добавка Е551 препятствует слеживанию сухих пищевых продуктов, образованию в них комков. Применяется при расфасовке пряностей, других смесей. Добавление аморфного диоксида кремния особенно актуально в случае, если сухие пищевые продукты обернуты в фольгу. Максимальная концентрация E551 в одном килограмме пищевых смесей не должна превышать 30 граммов. Диоксид кремния разрешен к применению как добавка к пище во всех странах.
