Synthese und Charakterisierung neuartiger Silica-Gele

Zusammenfassung
Der Einbau des Additivs N-Trimethoxysilylpropyl-N,N,N-trimethylammoniumchlorid A1 kann ab einer Konzentration von 0,2 Gew.% dauerhaft eine Schrumpfung der nassen Silica-Gele durch repulsive Kräfte aufgrund von positiven Ladungen im SiO2- Netzwerk verhindern. Die Gelierdauer steigt mit zunehmender A1-Konzentration erheblich an. Ab einer Konzentration von 4,7 Gew.% ist die Oberfläche der SiO2- Cluster so stark positiv geladen, daß keine Gelierung mehr erfolgt und die Proben flüssig bleiben, wobei ein Ansteigen der Viskosität zu beobachten ist. Wie rheologische Messungen zeigen, wird die Gelfestigkeit durch größere A1-Mengen geschwächt. Neutronenstreumessungen deuten darauf hin, daß durch den Einbau von A1 eine gewisse Ordnung erhalten werden kann. Die Silica-Gele klingen nach mechanischer Anregung im hörbaren Frequenzbereich. Durch Alterungsprozesse verschiebt sich die Frequenz im Laufe der Zeit zu höheren Werten hin. Aus dieser Frequenzverschiebung können Aussagen über die Entwicklung der Gelfestigkeit getroffen werden. Die Schrumpfung durch die überkritische Trocknung kann durch das kationische Additiv nicht verhindert werden, im Gegenteil, mit steigender A1- Menge schrumpfen die Aerogele stärker, da das Additiv die Netzwerkfestigkeit reduziert. Die spezifische Oberfläche wird ebenfalls durch die Zugabe von A1 vermindert. Dies liegt wahrscheinlich an einem Verlust an Oberflächenrauhigkeit durch den Einbau der Ladungen. Durch die Calcinierung bei 600 °C verschiebt sich das Maximum in der Porenradienverteilung zu kleineren Werten hin. Die Oberfläche der Aerogele ist nun nahezu unabhängig von der A1-Konzentration und nimmt um 5 bis 25 % im Vergleich zu den nicht calcinierten Gelen ab. Auch hier ist eine Verminderung der Oberflächenrauhigkeit der Grund dafür.
Durch IR-Messungen, thermogravimetrische Messungen und Farbadsorptions- Versuche konnte der Einbau des Additivs in das SiO2-Netzwerk nachgewiesen werden.
Die Kombination von A1- und NaCl-Zugabe führt in einem Bereich des Verhältnisses NaCl:A1 von 5:1 bis 2,5:1 zu Gelen, die im beobachteten Zeitraum nicht schrumpfen. Gleichzeitig erhöht sich Gelfestigkeit und sinkt die Gelierdauer durch den Salzzusatz im Vergleich zu Gelen, die nur mit A1 modifiziert wurden. Erst ab einem zwölffachen Salzüberschuß wird der Einfluß von A1 nahezu vollständig kompensiert.