辉煌五十年 - Wacker Chemie AG


辉煌五十年

气相二氧化硅是一种全能型材料。瓦克生产的这种名为HDK®的产品应用极其广泛:可用作有机硅弹性体中的增强填料、药用粉末中的抗结剂,以及涂料、表面涂料和胶粘剂中的流动改性剂。瓦克开发HDK®的历史可以追溯到50年前。

气相二氧化硅可谓是一种真正的全能型材料,在化学品行业的应用相当广泛。然而,尽管消费者每天都会与之接触,却往往没有意识到它的存在。从物理形态上讲,瓦克的HDK®气相二氧化硅其实就是一种具有较大的比表面积和低密度的高纯度无定形二氧化硅。它可以用于医药行业,使药品具有最佳的自由流动特性,这样就可以生产方便服用的片剂和胶囊制剂。HDK®可充当墨粉流动改进剂,用以提高印刷清晰度和分辨率;而在化妆品领域,则可确保口红不会因受热而融化。此外,添加了HDK®的汽车涂料更易加工。

“气相二氧化硅对众多产品和工业生产工艺至关重要,因此市场需求量极大。”瓦克欧洲、中东、非洲(EMEA)/印度HDK®业务负责人Maria-Anna Biebl说道。

只要看看蓬勃发展中的风电市场,就知道这种看似普通的添加剂有多重要。风力发电目前仅占德国电力需求的10%左右,但一直保持持续上升的态势。现代风力发电机的叶片长度可达50米以上,最高输出功率超过7.5兆瓦。

HDK ®可控制流变性

气相二氧化硅是氯硅烷在温度超过1,000摄氏度的氢氧焰中发生水解反应而制得。该反应会产生二氧化硅和氯化氢,后者作为助剂重新返回生产循环。在氢氧焰中形成的原生粒子最初只有数纳米大。冷却后,它们便熔合在一起,形成更大的高度支化的片状聚集体,并最终得到微米级附聚体——即具有大比表面积的HDK®

随着风力发电机性能的不断提升,对所用材料的要求也越来越高。长达50米的转子叶片的末端转速高达340千米/小时,产生的离心力相当于重力加速度的18倍。因此,由玻纤增强塑料制成的转子叶片半壳必须牢固地粘接在一起,才永远不会分开。在这里,将转子叶片半壳粘接在一起的胶粘剂起着关键作用。HDK®可控制胶粘剂的流动性能,防止成分分离和填料沉降。

“气相二氧化硅有助于创造最理想的加工条件。”Biebl在总结这款添加剂的各种优点时这样说道。如果不添加气相二氧化硅,胶粘剂会因为太稀而流挂。

HDK®是由氯硅烷在温度超过1,000摄氏度的氢氧焰中发生水解反应而制得。最初于氢氧焰中形成的球状原生粒子(见上图)会永久熔合在一起,形成更大的高度支化的聚集体,粒径达100至500纳米,聚集体冷却后形成微米级片状附聚体。

用水试验

博格豪森生产基地的HDK®灌装设施内景:由于气相二氧化硅密度很低,因此袋装运输非常方便。

今年是瓦克高纯度无定形二氧化硅诞生50周年。早在1955年,瓦克就开始在博格豪森研究生产二氧化硅,同时也在深入研究超纯硅。当时,化学师们试图用水来处理四氯硅烷副产物,将其转换成纯二氧化硅。但事实证明,这种方法存在太多问题,遂被放弃。

1966年,捷报传来:在位于德国南部城市肯普滕的ESK铸造厂开展的一项研究中,Gunter Kratel博士带领科学家们尝试将低等级碳化硅粉末转换成有用的材料。他们将这种粉末与氯反应,得到四氯硅烷,然后将四氯硅烷提纯并与氢发生热解反应,最后获得了一种有用的“白灰”,即“白炭黑”或“气相二氧化硅”,这是一种精细分离的高纯度二氧化硅。

1972年,HDK®开始在肯普滕进行工业化生产。此后,产量一直在不断增加。越来越多的工厂相继在博格豪森(1978)、农特里茨(2002)和张家港(2008)等生产基地拔地而起,瓦克也因此一跃成为世界领先的二氧化硅生产商之一。肯普滕生产基地于2011年关闭,HDK®业务被转移至博格豪森。据瓦克估计,全球二氧化硅市场目前正以每年3–6%的速度增长。

HDK®拥有众多优异特性,而且还可用作性能卓越的绝热材料。例如,一块15mm厚的HDK®真空绝热板的绝热效果可与一块100mm厚的聚苯乙烯板相媲美。因此,在需要调节极高或极低温度、或空间非常有限的情况下,HDK®高性能绝热材料已成为首选产品。因此,HDK®在工业中用于高温应用领域也就不足为奇了。在日常生活中,例如在陶瓷炉盘的辐射加热器或在冰箱中,都可以看到HDK®的身影。

亲水型和疏水型

瓦克同时提供亲水型和疏水型气相二氧化硅,以满足不同的应用要求。亲水型HDK®是通过氯硅烷在氢氧焰中发生水解反应而制得的,而疏水型HDK®则通过使用硅氧烷等反应活性硅烷对亲水型HDK®进行化学改性而制得。通过这种方式产生的疏水性能意味着疏水型二氧化硅不能分散于水中。

瓦克将博格豪森、农特里茨和张家港基地生产的部分气相二氧化硅加工成填料,用于生产有机硅弹性体和接缝密封胶。HDK®可显著提高硅橡胶的拉伸强度,还可用于调节硅油的粘度。

Maria-Anna Biebl在博格豪森生产基地的HDK®灌装设施内。HDK®生产厂是博格豪森基地综合生产系统的重要组成部分,因为它能够加工有机硅和多晶硅生产过程中产生的多余硅烷。

对瓦克来说,HDK®还有一个完全不同的功能:它可用于优化原材料的产率,在公司的综合生产系统中起着至关重要的作用。超纯多晶硅是太阳能电池和电脑芯片的原材料,生产该产品时会产生大量副产物——四氯硅烷。四氯硅烷既可以直接返回生产过程,也可以被转换成气相二氧化硅。在生产过程中释放的氯化氢气体(HCI)可返回综合生产循环,重新与原材料硅发生反应,形成氯硅烷。之后,采用蒸馏法将氯硅烷提纯,最后转换成超纯多晶硅。

在有机硅和多晶硅的生产中,由于HCI分子在一定程度上起着助剂的作用,该材料经过处理后可返回生产过程,同时对产品质量没有任何影响。因此,HDK®工厂发挥着三重作用:提高生产基地的附加值、减少浪费,并有助于HCI的回收利用。

乍看之下,HDK®可能会被人认为是一种极为普通的产品,但深入了解之后,您会发现气相二氧化硅的应用领域极其广泛。正因如此,Maria-Anna Biebl和她的团队一直为这种看似毫不起眼的白色粉末不断探索新的应用。