Kieselsäure

Als Kieselsäuren werden die Sauerstoffsäuren des Siliciums (SiO₂ · n H₂O) bezeichnet. Im Deutschen hat es sich eingebürgert, auch alle möglichen Formen von synthetischem Siliciumdioxid allgemein als Kieselsäure zu bezeichnen.

Orthokieselsäure Si(OH)₄ / H₄SiO₄ ist eine sehr schwache Säure. Sie entsteht durch Zersetzung von Siliciumtetrahalogeniden mit Wasser. Weitere Wasserabspaltungen führen zur Orthodikieselsäure H₆Si₂O₇ und zur Metakieselsäure (H₂SiO₃). Wird auch das letzte Wasser entfernt, entsteht das Kieselsäureanhydrid SiO₂.

In der Natur kommen Stützgerüste aus Kieselsäureanhydrid in pflanzlichen und tierischen Lebewesen vor, etwa bei den im Meer weit verbreiteten Kieselalgen (Diatomeen) und Strahlentierchen (Radiolarien) und Glasschwämmen (Hexactinellida) sowie beim Schachtelhalm. Die Kieselsäureanhydrid-Skelette abgestorbener Kieselalgen und Strahlentierchen sinken auf den Meeresgrund, reichern sich dort an und bilden Ablagerungen aus Kieselgur (Diatomeenerde) bzw. Radiolarienschlamm. Ablagerungen aus dem Miozän enthalten 70–90 % SiO₂, 3–12 % Wasser und Spuren von Metalloxiden.

Kieselsäure kommt auch im Grundwasser vor. Das Regen- oder Sickerwasser, das durch die Bodenschichten nach unten rinnt und Kohlensäure enthält, nimmt aus den Silikaten der Bodenminerale Kieselsäure auf. Daher enthält Trinkwasser auch geringe Mengen an Kieselsäure. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt Kieselsäureanhydrid die Bezeichnung E 551.

Als Kieselgel bezeichnet man eine kolloide Kieselsäure von elastischer bis fester Beschaffenheit, meist in Pulverform vorliegend. Sie wird z. B. als Trocknungsmittel für flüssige Medien eingesetzt.

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Kieselerde

Kieselerde besteht zu etwa 94 Prozent aus Siliciumdioxid. Weitere Bestandteile sind kleinere Mengen Eisen, Kalzium, Magnesium, Phosphor und Aluminium. Kieselerde wird aus sedimentierten Kieselalgenschalen (Kieselgur) hergestellt (abgebaut, gereinigt und gemahlen).

Industrielle Nutzung

Industriell werden Kieselsäureanhydrid-Produkte, sogenannte Kieselgele, gefällte Kieselsäuren und pyrogene Kieselsäuren, großtechnisch hergestellt.

Kieselgele und gefällte Kieselsäuren erhält man durch Reaktion von Wasserglas mit Schwefelsäure in saurem bzw. basischem Milieu:

Pyrogene Kieselsäuren werden durch Reaktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasser, welches in einer Wasserstoffflamme gebildet wird, hergestellt, wobei Chlorwasserstoff-Gas entweicht:

Hersteller (Auswahl):

• Degussa AG: Gefällte Kieselsäuren (SIPERNAT^®, ULTRASIL^® und SIDENT^®) und pyrogene Kieselsäuren (AEROSIL^®, AERODISP^®, AEROXIDE^®, sowie AEROPERL^®). Kieselsäure ist auch der Basisstoff aus dem die Mattierungsmittel dieses Unternehmens hergestellt werden. Sie werden unter dem Markennamen ACEMATT^® vertrieben.
• Wacker Chemie AG: Pyrogene Kieselsäuren HDK^®.
• Du Pont: Gefällte Kieselsäuren mit den Markennamen LoVel (Mattierungsmittel) und HiSil (technische Füllstoffe, z. B. Reifen).

Weitere Hersteller von Kieselgel und Kieselsäure:

• Grace, Marke: Syloid
• Fuji, Marke: Sylysia
• Chemiewerk Bad Köstritz, Marke: Köstrosorb
• Ineos, Marken: Gasil, NeoSyl
• Cabot, Marke: Cab-O-Sil
• Tokuyama, Marken: Reolosil, Finesil

Anwendungen pyrogener Kieselsäuren

Anwendungen finden pyrogene Kieselsäuren z. B.:

• In Kunststoffen und Klebstoffen zur Verdickung/Thixotropierung, als Antiabsetzmittel, zur Verstärkung und Antiblocking.
• In Farben und Lacken auch als Korrosionsschutz und zur Verbesserung der Kratzfestigkeit.
• In Druckfarben zur Verbesserung der Druckschärfe und zur Pigmentdispergierung.
• In Pharmazie und Kosmetik als Konsistenzregler, Fließregulierungsmittel und zur Verbesserung des Freisetzverhalten von Tabletten und Kapseln.
• Pulver aus pyrogener Kieselsäure (engl. auch: fumed silica) wird als Stützkern bei der Herstellung von evakuierten Dämmmaterialien verwendet (VIP = Vakuum Isolations Paneele bzw. VIS = Vakuum Isolation Sandwichelemente). Das hochporöse Material erreicht schon bei relativ niedrigen Anforderungen an das anliegende Vakuum (etwa unterhalb 10 mbar) niedrige Wärmeleitfähigkeitswerte.
• Entschäumerzusatz.

Anwendungen gefällter Kieselsäuren

Typische Anwendungen für gefällte Kieselsäuren sind z. B.:

• Folien für Batterieseperatoren.
• Zusätze zu Reifen, Schuhsohlen und anderen Gummiartikeln (z. B. auch Handytastaturen) um Abriebsfestigkeit zu erhöhen und Nassrutschverhalten und Rollwiderstand zu verbessern.
• Zusätze, die das Fließverhalten von Futtermitteln, Suppen- und Getränkepulvern oder anderen Substanzen, die nicht verbacken sollen (zum Beispiel das Pulver in Feuerlöschern), verbessern.
• Beschichtungen für Inkjetpapiere, die schnelles Trocknen und eine bessere Druckqualität ermöglichen.
• Entschäumer in Waschmitteln.
• Proteinadsorber bei der Bierherstellung.
• Mattierungsmittel für Lacke besonders Klarlacke im Holzbereich und Automobil-Innenbereich
• Zugabe zu Flüssigkeiten, um Filtrationseigenschaften zu verbessern (Filterhilfsmittel, Anschwemmfiltration)

Ernährung

Silicium geht in die Bildung von Haut, Haaren und Bindegewebe ein.

Vorkommen: Vollkorngetreide (z. B. Hafer, Gerste, Hirse, Weizen), Kartoffeln, ferner ballaststoffreiches Gemüse und Obst sowie in den Sprossen des Bambus.

Traditionell wird Kieselerde als Nahrungsergänzung angeboten. Die im Handel erhältlichen Produkte bestehen zu 80–90 % aus Siliziumdioxid. Ihre nahrungsphysiologische Wirkung wird neuerdings sehr angezweifelt. Es besteht sogar der Verdacht, dass die direkte Einnahme des Pulvers zu Speiseröhrenkrebs führen kann.

Untersuchung von Kieselerde-Produkten Plusminus und NDR Info beauftragten ein Institut für Mineralogie einer Universität in Norddeutschland und die Bundesanstalt für Materialforschung, zehn Kieselerde-Produkte zu untersuchen. Das Ergebnis beider Institute war eindeutig: Neun der zehn Mittel enthielten – vergleichbar mit normalen Sand – hauptsächlich Quarz oder Cristobalit. Beide Stoffe sind kristalline Formen von Siliziumdioxid. Fein gemahlen gilt kristallines Siliziumdioxid in anderen Industriebereichen sogar als "Gefahrstoff". Wird beispielsweise Quarzstaub eingeatmet, kann es zu Lungentumoren führen. Nach Erkenntnissen des Fraunhofer Instituts für Toxikologie in Hannover kann eine Gesundheitsgefahr auch nicht ausgeschlossen werden, wenn Quarzstäube geschluckt werden.

Einige Konsumenten sind der Überzeugung dass Kieselerde hilfreich für die Neubildung von Haut, Haaren, Nägeln, Zähnen, Knochen und (Binde-)Gewebe ist und somit auch eine kosmetische (Langzeit-)wirkung besitzt. Einen wissenschaftlichen Nachweis dazu gibt es jedoch bisher nicht.
Die vom Körper benötigte Menge Siliciumdioxid sollte normalerweise über die normale Ernährung gedeckt sein. Eine Überdosierung könnte eventuell die Bildung von Nierensteinen begünstigen. Der wissenschaftliche Nachweis dazu ist jedoch ebenfalls bisher nicht erbracht.

Mattierungsmittel

Als Mattierungsmittel in Lacken werden sowohl gefällte Kieselsäuren, Kieselgel-Kieselsäuren und eine pyrogene Kieselsäure eingesetzt. Die Mattierungswirkung besteht in der Bildung einer Mikrostruktur während der Lacktrocknung. An den so entstehenden Bergen und Tälern werden die Lichtstrahlen in alle Richtungen gestreut. Daraus ist ersichtlich, dass die Mattierungswirkung vom Ausmaß des Schrumpfes des Lackfilmes durch Lösemittelverdunstung und von der Teilchengröße (genauer von der Agglomeratgröße) abhängt. Einen gewissen Einfluss hat auch die Porösität der Kieselsäuren.

Siehe auch

• Zur Ernährung:
  • Ein Überblick über mehrere Ernährungsstudien
  • Eine etwas zurückhaltende Studie,(Eng.)
  • Eine leicht euphorische Studie, (Eng.)
  • Grundlagenforschung, z.B.:
    • Response surface analysis of rat bone composition changes by dietary calcium and silicon. Shelly McCrady, University of Wisconsin Stout, 2003 (Pdf 2,4 Mb)