Ein Generalist feiert Geburtstag - Wacker Chemie AG


Ein Generalist feiert Geburtstag

Pyrogene Kieselsäure ist ein Alleskönner. Von WACKER als HDK® vermarktet, kommt sie in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz: als verstärkender Füllstoff in Siliconelastomeren, als Rieselhilfe in pharmazeutischen Pulvern oder zur Einstellung des Fließverhaltens von Farben, Lacken und Klebstoffen. Vor 50 Jahren begannen bei WACKER die ersten Arbeiten an HDK®.

Pyrogene Kieselsäure gehört zu jenen universal eingesetzten Alleskönnern der chemischen Industrie, mit denen der Verbraucher im Alltag ständig Berührung hat und von denen er in der Regel doch nichts weiß. Im Prinzip ist HDK® – so der Markenname von WACKER für pyrogene Kieselsäure – nichts anderes als Siliciumdioxid in hochreiner, amorpher Form, mit großer Oberfläche und geringer Dichte. Mit HDK® sorgt die Pharmaindustrie beispielsweise für eine optimale Rieselfähigkeit ihrer Produkte, die der Patient in Tabletten- oder Kapselform einnimmt. Als Fließhilfe in Tonern verbessert HDK® die Druckschärfe und Auflösung. In Kosmetikartikeln wiederum ist HDK® dafür verantwortlich, dass der Lippenstift bei höheren Temperaturen seine Form behält und nicht zerläuft. Und Autolacke werden durch die Zugabe von Kieselsäure optimal verarbeitbar.

„Pyrogene Kieselsäure ist in vielen Produkten und industriellen Produktionsprozessen unverzichtbar und deshalb sehr gefragt“, bestätigt Maria-Anna Biebl, Leiterin des HDK®-Geschäfts in EMEA/Indien bei WACKER.

Wie wichtig solche auf den ersten Blick unscheinbaren Additive sind, zeigt das Beispiel von Windkraftanlagen – ein stark wachsender Markt. Allein die Bundesrepublik Deutschland bezieht mittlerweile rund zehn Prozent ihres Strombedarfs aus Wind – Tendenz steigend. Heutige Windkraftanlagen erzielen Spitzenleistungen von bis zu 7,5 Megawatt. Die dazu verwendeten Rotorblätter können mehr als 50 Meter lang sein.

HDK® steuert Rheologie

Pyrogene Kieselsäure entsteht, wenn Chlorsilane mit Sauerstoff und Wasserstoff bei über 1.000 Grad Celsius in einer Knallgasflamme verbrannt werden. Dabei entstehen Siliciumdioxid und Chlorwasserstoff. Letzterer wird wieder als Hilfsstoff in den Produktionskreislauf eingespeist. Die in der Flamme gebildeten Partikel sind zunächst nur wenige Nanometer groß und verschmelzen beim Abkühlen zu größeren, hochverzweigten flockigen Aggregaten, die schließlich einige Mikrometer umfassen – auf diese Weise entsteht die große Oberfläche von HDK®.

Stetig gewachsen sind mit der Leistungsfähigkeit der Anlagen auch die Anforderungen an deren Materialien. Die Flügelspitze eines 50-Meter-Rotorblatts dreht sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 340 Stundenkilometern. Dadurch treten Fliehkräfte auf, die dem 18-Fachen der Erdbeschleunigung entsprechen. Vor allem die Rotorblatthalbschalen, die aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen, müssen absolut reißfest und langfristig stabil miteinander verbunden werden. Eine tragende Rolle kommt dabei dem Klebstoff zu, der die Bauteile zusammenhält. HDK® steuert das Fließverhalten des Klebstoffs und verhindert Separationseffekte sowie das Absetzen von Füllstoffen.

„Pyrogene Kieselsäure sorgt dafür, optimale Verarbeitungsbedingungen zu schaffen“, fasst Maria-Anna Biebl die vielfältigen Wirkungen dieses Additivs zusammen. Ohne pyrogene Kieselsäure wäre der Klebstoff dünnflüssig und nicht standfest.

HDK® wird durch die Reaktion von Chlorsilanen mit Wasserstoff und Sauerstoff in einer Knallgasflamme bei über 1.000 Grad Celsius hergestellt. Die in der Flamme zunächst gebildeten kugelförmigen Primärpartikel (siehe Grafik oben) verschmelzen fest zu größeren, hochverzweigten Aggregaten mit einem Durchmesser von 100 bis 500 Nanometern. Diese bilden beim Abkühlen flockige, mehrere Mikrometer große Agglomerate.

Versuche mit Wasser

In der HDK®-Abfüllung in Burghausen: Weil pyrogene Kieselsäure eine so geringe Dichte hat, sind die Säcke sehr leicht zu transportieren.

In diesem Jahr feiert das hochreine, amorphe Siliciumdioxid von WACKER sein 50-jähriges Jubiläum. Die ersten Arbeiten zur Herstellung von Kieselsäure hatten 1955 parallel zu den Forschungen an Reinstsilicium in Burghausen begonnen. Chemiker versuchten, das anfallende Silicium-Tetrachlorid mit Wasser zu reiner Kieselsäure weiterzuverarbeiten. Allerdings schienen die Schwierigkeiten bald zu groß, diesen Weg verfolgten die Chemiker nicht weiter.

1966 brachten Forschungen im Elektroschmelzwerk Kempten Erfolge aus einer ganz anderen Richtung. Dort versuchten Wissenschaftler unter Leitung von Dr. Günter Kratel, minderwertiges Siliciumcarbid in Pulverform nutzbringend zu verwerten. Es wurde zu Tetrachlorsilan chloriert und anschließend gereinigt und mit Wasserstoff verbrannt. Das Ergebnis war eine nutzbringende weiße Asche – sehr reine Kieselsäure in besonders fein verteilter Form.

Die industrielle HDK®-Produktion in Kempten begann 1972. Es war der Start für ein Erfolgsprodukt mit stetig wachsenden Volumina. Mit weiteren Anlagen in Burghausen (ab 1978), Nünchritz (ab 2002) und Zhangjiagang (ab 2008) stieg WACKER zu den führenden Kieselsäureherstellern der Welt auf. 2011 übernahm Burghausen zudem die Produktionskapazitäten des mittlerweile geschlossenen Standorts Kempten. Nach WACKER-Schätzungen wächst der Markt für Kieselsäure jedes Jahr zwischen drei und sechs Prozent.

Neben ihren vielen anderen Qualitäten ist HDK® auch ein hervorragender Wärmeisolator. So besitzt beispielsweise ein 15 Millimeter dickes Vakuumisolationspanel aus HDK® eine vergleichbare Dämmleistung wie eine 100 Millimeter starke Platte aus Polystyrol. Insbesondere wenn extrem hohe oder niedrige Temperaturen zu kontrollieren sind und kaum Platz zur Verfügung steht, sind HDK®-basierte Hochleistungsdämmstoffe das Mittel der Wahl. So werden Dämmstoffe aus HDK® beispielsweise in industriellen Hochtemperaturbereichen verwendet. Im Alltag findet man HDK® in Strahlungsheizkörpern für Cerankochfelder und in Kühlschränken.

Hydrophil und hydrophob

WACKER bietet pyrogene Kieselsäure, je nach Anwendung, in einer hydrophilen und einer hydrophoben Variante an: Hydrophile HDK® ist das Produkt der Hydrolyse von Chlorsilanen in einer Knallgasflamme. Hydrophobe HDK® dagegen entsteht durch chemische Modifizierung von hydrophiler HDK® mit reaktiven Silanen beziehungsweise Siloxanen. Dadurch hat die hydrophobe Kieselsäure wasserabstoßende Eigenschaften und ist nicht mehr in Wasser dispergierbar.

Einen Teil der in Burghausen, Nünchritz und Zhangjiagang produzierten pyrogenen Kieselsäuren verarbeitet WACKER selbst weiter – als Füllstoff in Siliconelastomeren und Fugendichtmassen des Konzerns. In Siliconkautschuken verbessert HDK® signifikant deren Reißfestigkeit. Auch die Viskosität von Siliconölen lässt sich mit HDK® einstellen.

„Pyrogene Kieselsäure ist in vielen Produkten und industriellen Produktionsprozessen unverzichtbar.“

Maria-Anna Biebl Leiterin des HDK®-Geschäfts in EMEA/Indien bei WACKER
Maria-Anna Biebl in der HDK®-Abfüllung in Burghausen: Die Anlage ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Verbundproduktion am Standort, verarbeitet sie doch überschüssige Silane aus der Silicon- und Polysiliciumproduktion.

Für WACKER selbst hat HDK® aber noch eine ganz andere Bedeutung: Es spielt eine entscheidende Rolle in der Verbundproduktion, genauer gesagt bei der Optimierung der Rohstoffausbeute. Bei der Herstellung von hochreinem, polykristallinem Silicium, dem Grundstoff für Solarzellen und Computerchips, fällt Tetrachlorsilan als Nebenprodukt in großen Mengen an. Es kann entweder direkt in den Produktionsprozess zurückgeführt werden oder es wird zu pyrogener Kieselsäure weiterverarbeitet. Der im Prozess frei werdende Chlorwasserstoff (HCl) geht ebenfalls zurück in den Verbundkreislauf, das heißt, er wird wieder mit rohem Silicium zu Chlorsilanen umgesetzt. Diese Chlorsilane werden anschließend durch Destillation gereinigt, um daraus hochreines, polykristallines Silicium herzustellen.

Da HCl-Moleküle bei der Herstellung von Siliconen und Polysilicium fast nur als Hilfsstoff benötigt werden, lassen sie sich mit einem gewissen Aufwand ohne Qualitätsverluste zurück in den Produktionsprozess spielen. Die HDK®-Anlage schlägt damit drei Fliegen mit einer Klappe: Sie erhöht die Wertschöpfung am Standort, reduziert die Abfälle und dient dem HCl-Recycling.

Und natürlich stellt die Anlage ein Produkt her, das auf den ersten Blick unspektakulär wirken mag: HDK®. Auf den zweiten Blick aber offenbart pyrogene Kieselsäure vielfältigste Einsatzmöglichkeiten. Und deshalb sind Maria-Anna Biebl und ihr Team ständig auf der Suche nach neuen Anwendungen für das so unscheinbar wirkende weiße Pulver.