Siliciumdioxid (SiO₂) ist die häufigste Verbindung des Siliciums und ein Hauptbestandteil der Erdkruste.

Eigenschaften  und Anwendungen

Siliciumdioxid 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 Siliciumdioxid 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.
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.
Nano-SiO₂ 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 Siliciumdioxid 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 ist ein SiO₂-Zusatz auch bei Bio-Lebensmitteln erlaubt. Der menschliche Organismus kann Siliciumdioxid 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 Siliciumdioxid-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

Siliciumdioxid 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

1. RÖMPP Online Version 3.6
2. Wikipedia: Siliciumdioxid
3. Datenbank zusatzstoffe-online.de: Siliciumdioxid 
4. NanoTrust Dossier Nr. 004 Mai 2008: Nanopartikel und nanostrukturierte Materialien in der Lebensmittelindustrie
5. Hessen-Nanotech NEWS 4/2006
6. Z. Amjad: Water soluble polymers: solution properties and applications. Verlag Springer, 1998, ISBN 0-306-45931-0
7. R. K. Iler, The Chemistry of Silica, John Wiley Sons, 1979
8. Nanomaterialien in Textilien: Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheits-Aspekte; Fokus: synthetische Nanopartikel; Som, Nowack, Wick, Krug; 2010
9. Verordnung über die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken (Zusatzstoff-Zulassungsverordnung - ZZulV)
10. Europäisches Arzneibuch (Pharmacopoea Europaea), 6. Ausgabe, Grundwerk 2008