Siliziumdioxid (SiO2) ist die häufigste Verbindung des Siliziums und ein Hauptbestandteil der Erdkruste.

 

Eigenschaften und Anwendungen

Siliziumdioxid ist ein sehr harter, gegen chemischen Angriff und Verwitterung beständiger Stoff. In Wasser und Säuren sind die kristalline wie auch die amorphe Form des SiO2 nahezu unlöslich. Sehr feinteiliges amorphes SiO2 setzt sich jedoch in wässrigen Suspensionen langsam zu Kieselsäure SiO2 x n H2O um. Bei 25 °C und einem pH-Wert von 7 (neutral) lösen sich so etwa 0,12 g SiO2 pro Liter Wasser (120 ppm) [6,7]. Die Lösungsgeschwindigkeit von amorphen SiO2 ist ca. 10-mal höher als die von Quarz. Insbesondere amorphes SiO2 kann von wässrigen Alkalien gelöst werden. Gegen Säuren ist SiO2 sehr beständig. Es wird lediglich von Flusssäure angegriffen.

 

Natürliches Siliziumdioxid ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die Glasindustrie, die optische Industrie und das Bauwesen. Quarzgläser bilden die Grundlage für die Fertigung von Linsen und anderen optischen Bauelementen sowie für die Herstellung temperaturbeständiger Ausrüstungsgegenstände der chemischen Industrie. Für die Fertigung von Beton und anderen Baustoffen kommen verschiedene Formen von SiO2 zum Einsatz. Es wird zudem als Filter und Trockenmittel eingesetzt.

 

Nanostrukturiertes Siliziumdioxid dient neben Carbon Black in neuen Rollwiderstand-minimierten Reifen als Füllstoff. © B.Mathes, Dechema.Nanostrukturiertes Siliziumdioxid dient neben Carbon Black in neuen Rollwiderstand-minimierten Reifen als Füllstoff. © B.Mathes, Dechema.Synthetisches, amorphes SiO2 wird als Füllstoff in Kunststoffen, Gummi, Farben und Klebstoffen verwendet. Sie dienen als Adsorbens oder Rieselhilfsmittel. Bei Oberflächenbeschichtungen und in Lacken sollen sie hauptsächlich die Härte und Kratzfestigkeit der Oberflächen erhöhen. Zwar besitzt SiO2 eine geringere Härte als das alternativ eingesetzte Aluminiumoxid, die Transparenz von Klarlacken mit Nano-SiO2 ist jedoch deutlich besser.

Nanoskaliges Siliziumdioxid findet zudem wachsende Anwendung bei der Herstellung von Autoreifen. Wird dem Reifen neben Industrieruß (Carbon Black) auch amorphes SiO2 als Füllstoff zugemischt, verringert sich der Rollwiderstand des Reifens und der Spritverbrauch sinkt um bis zu fünf Prozent. Es profitiert nicht nur der Geldbeutel sondern auch die Umwelt, durch die verringerte Menge an ausgestoßenem CO2[5].

 

Amorphes Siliziumdioxid wird seit über vier Jahrzehnten als Lebensmittelzusatzstoff mit der Kennzeichnung E551 eingesetzt. Es kann bestimmten pulverförmigen Lebensmittel, wie bspw. Kochsalz, Würzmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und Trockenlebensmitteln zugesetzt werden [3], um ein Verklumpen zu verhindern. Darüber hinaus ist es als Trägerstoff von Emulgatoren, Farbstoffen und Aromen zugelassen [9]. Gemäß der EG-Öko-Verordnung[11] ist ein SiO2-Zusatz auch bei Bio-Lebensmitteln erlaubt. Der menschliche Organismus kann Siliziumdioxid weder aufnehmen noch verwerten, es wird unverändert ausgeschieden. Amorphes SiO2 ist seit nunmehr über 40 Jahren als Lebensmitteladditiv getestet und zugelassen. Struktur und Teilchenfeinheit wurden seither nicht verändert. Es gilt somit nicht als Produkt der modernen Nanotechnologie [4].

 

Hochdisperses (nanoskaliges), amorphes SiO2 ist auch in verschiedenen Erzeugnissen der Pharmaindustrie, wie bspw. Tabletten, Zäpfchen, Gels und Cremes, enthalten. Die Eigenschaften der zugelassenen Zusätze sind im Europäischen Arzneibuch festgeschrieben [10].

Weitere Anwendungsfelder amorpher Siliziumdioxid-Nanopartikel sind die Textilindustrie, wo sie verwandt werden, um Baumwolle wasserabweisend auszustatten und die Elektronikindustrie. Hier werden sie als Schleifmittel eingesetzt [8].

 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Aufnahme eines Naturopals. © K. Luginsland, TECHNOSEUM Mannheim.Aufnahme eines Naturopals. © K. Luginsland, TECHNOSEUM Mannheim.Siliziumdioxid tritt in der Natur in kristalliner und amorpher Form auf. Die häufigste kristalline Erscheinungsform ist der Quarz. Er bildet den Hauptbestandteil von Sand und ist Bestandteil zahlreicher Gesteine wie Granit oder Sandstein. Darunter sind auch Edel- und Schmucksteine, wie der Bergkristall.

Auch die nicht-kristallinen, die sogenannten amorphen Formen, sind in der Natur weit verbreitet. Sie entstehen, wenn Gesteine hohen Temperaturen ausgesetzt werden (Vulkan, Meteoriten- oder Blitzeinschlag, Geysire), können aber auch einen .biologischen Ursprung haben. Eine amorphe Form stellen die Opale dar, die wegen ihrer schillernden Farben beliebt sind.

 

Großtechnisch wird amorphes SiO2 in großen Mengen über Fällungsprozesse oder in der Knallgasflamme hergestellt. Letzteres wird häufig auch als pyrogenes SiO2 oder pyrogene Kieselsäure bezeichnet. Pyrogenes SiO2 fällt als Pulver an, das aus Primärteilchen von 5-50 nm besteht, die feste Aggregate einer Größe über 100 nm (150-200 nm) bilden. Die Pulver weisen eine hohe spezifische Oberfläche auf (über 50 m²/g).

 

Literatur arrow down

  1. Roempp Online (DE): Silizium (Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  2. Wikipedia (DE): Siliziumdioxid (Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  3. Zusatzstoffe-online.de: Siliziumdioxid (Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  4. NanoTrust Dossier No.004 (Mai 2008). Nanopartikel und nanostrukturierte Materialien in der Lebensmittelindustrie, NanoTrust, Institut für Technikfolgen-Abschätzung (ITA), Wien.
  5. Hessen-Nanotech NEWS 4/2006. Nano-Produktion – Herstellung von und mit Nanotechnologie, Band 9, 01.09.2006.
  6. Amjad, Z (1998). Water soluble polymers: solution properties and applications, Kluwer Academic Publishers, New York, ISBN 0-306-45931-0 .
  7. Iler, RK (1979). The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica, John Wiley Sons, ISBN 978-0471024040 .
  8. Som, C et al. (Mar 2010). Nanomaterialien in Textilien: Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheits-Aspekte, Fokus: synthetische Nanopartikel. Empa und TVS Textilverband Schweiz, St. Gallen 2010.
  9. Zusatzstoff-Zulassungsverordnung (ZZulV) (1998). Verordnung über die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken. gesetze-im-internet.de (Stand letzter Zugang: Mar 2010).
  10. Europäisches Arzneibuch (Pharmacopoea Europaea) (2008), 6. Ausgabe, Grundwerk, Deutscher Apotherker Verlag Stuttgart. ISBN 978-3769253832 .
  11. EG-Öko-Basisverordnung (EG) Nr. 834/2007 (28.06.2007). Ökologische/biologische Produktion und die Kennzeichnung von ökologischen/biologischen Erzeugnissen und zur Aufhebung der Verordnung (EWG) Nr. 2092/91, ABl. Nr. L 189 vom 20.07.2007, S. 1.