CN103370276A - 制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,其中:制备所述合成矿物颗粒的水凝胶,使所述水凝胶经历水热处理;其特征在于,至少一个所述水热处理步骤通过向处理介质添加至少一种羧酸盐来进行,所述羧酸盐具有式R-COOM’,其中M’表示选自由Na和K组成的组的金属,并且R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团。
Description
本发明涉及制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法。
在整个文本中,“矿物颗粒’表示不包含碳的,或在需要时,仅包含以碳酸盐或氰化物形式的碳的任何无机颗粒。
在整个文本中,“水热处理”表示在水存在下,在预先确定的温度下和在超过大气压的压力下进行的任何处理。
许多矿物例如硼酸盐或硅酸盐被使用于各种不同的工业领域中。
页硅酸盐矿物颗粒,例如滑石,被例如以精细颗粒的形式使用于许多工业部门中,诸如橡胶、热塑性塑料、弹性体、纸张、油漆、清漆、纺织品、冶金、制药、美容品、植物卫生产品或者肥料,其中页硅酸盐例如滑石,通过作为惰性填料(因其化学稳定性或者为了稀释昂贵的活性化合物)或功能性填料(例如为了增强某些材料的机械特性)掺入组合物中进行使用。
天然滑石,其是式Si4Mg3O10(OH)2的羟基硅酸镁,属于页硅酸盐家族。页硅酸盐由晶体结构的基本鳞片的不规则堆叠构成,鳞片的数目从几个单位至几十个单位变化。在页硅酸盐(层状硅酸盐)之中,尤其是包含滑石、云母和蒙脱石的一组页硅酸盐具有以下特征:每个基本鳞片由位于一个八面体层两侧的两个四面体层的联合而构成。该组对应于页硅酸盐2/1,其尤其是蒙皂石的一部分。从其结构的角度看,页硅酸盐2/1也被称为T.O.T.(四面体-八面体-四面体)型。
页硅酸盐2/1的八面体层由C2-和OH-(以2∶1的O2-/OH-摩尔比)两个离子平面形成。该中间层的两侧布置二维的四面体网,其一个顶点由八面体层的氧占据,而其他的三个由大致共面的氧占据。例如,在天然蒙皂石中,四面体位置通常由Si4+或Al3+离子占据,而八面体位置经常由阳离子Mg2+、Fe2+、Al3+和/或Fe3+占据。很小比例的蒙皂石八面体和/或四面体位置不被占据并且对形成基本鳞片的晶体网的阳离子缺乏负责。
关于滑石,由于其应用的数量,已研究了高的纯度、大的成层性和颗粒细度以及窄的粒度和层分布,因为它们对于最终产品的质量可以是决定性的。
然而,通过滑石的磨碎和处理从天然滑石块制备粉末状组合物,却不能控制所获得的滑石颗粒的纯度、成层性和大小。
在该背景下,WO2008/009799提供了在从3天至30天的时间内和在300℃-600℃的温度下,通过以液体状态的式(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的含硅/锗金属的凝胶的水热处理来制备包含至少一种式(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的含硅/锗金属的合成矿物的滑石组合物的方法。在根据WO2008/009799的方法中,在300℃下3天时间的水热处理对于能够获得具有在20nm-100nm之间变化的粒度的合成滑石颗粒是必需的,或者在600℃下30天时间的水热处理对于获得具有6μm级别粒度的合成滑石颗粒是必需的,水热处理的时间对于允许获得具有令人满意的结晶度和热稳定性的颗粒应当是足够长的。
因此,根据WO2008/009799的方法,尽管允许制备与滑石相似且其纯度可以得到控制的合成矿物,但就产率、效率和盈利性而言,仍难以符合高的工业要求。
本发明旨在提供制备包含合成矿物颗粒的组合物的经改善的方法。
本发明旨在提供制备包含硅化合成矿物颗粒的组合物的经改善的方法。
本发明旨在提供制备包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的组合物,所谓滑石组合物的改善方法。
本发明旨在提供通过含硅/锗金属的凝胶的水热处理来制备滑石组合物的方法,其时间相对于在现有技术中描述的滑石组合物制备方法中所需要的水热处理时间而言大大地缩短。
本发明还旨在提供制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,其中在减低的温度下和/或在缩短的时间内对所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶进行水热处理。
本发明还旨在提供制备滑石组合物的方法,其中在减低的温度下和/或在缩短的时间内进行含硅/锗金属的凝胶的水热处理,并使得能够获得包含具有改善的特性的页硅酸盐颗粒的滑石组合物。
本发明旨在这样的方法,其实施是简单的和快速的,并且符合工业开采限制。
本发明的目标也在于提供制备这样的组合物的方法,所述组合物包含可以在其各种不同的应用中被用于代替此类天然组合物的合成矿物颗粒。
本发明的目标也在于提供制备这样的滑石组合物的方法,所述滑石组合物可以在其各种不同的应用中被用于代替天然滑石组合物。
本发明旨在提供制备具有高的矿物学和晶体化学纯度的滑石组合物的方法,所述滑石组合物包含具有成层性和细的且低分散的粒度和热稳定晶体结构的合成矿物颗粒。
为此,本发明涉及制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,其中:
-制备所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶,
-使所述水凝胶经历水热处理,
其特征在于,至少一个所述水热处理的步骤是通过向处理介质添加至少一种羧酸盐来进行,所述羧酸盐具有式R-COOM’,其中:
-M’表示选自由Na和K构成的组的金属,和
-R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团。
这是因为,发明者们已惊奇地观察到,根据本发明的方法使得能够制备包含合成矿物颗粒的组合物,同时大大减低所述水热处理的时间和/或温度,其中在第一个步骤中,制备这些合成矿物颗粒的前体的水凝胶,以及在第二个步骤中,通过添加至少一种例如前面定义的式R-COOM’的羧酸盐进行水凝胶的水热处理。
有利地且根据本发明,在羧酸盐的式R-COOM’中,R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团,且特别地,选自氢H-、甲基CH3-和正丙基CH3-CH2-CH2-。因此,有利地且根据本发明,在由H-、CH3-和CH3-CH2-CH2-构成的组中选择R。
有利地且根据本发明,所述合成矿物颗粒为硅化矿物颗粒,即属于硅酸盐家族的颗粒,其结构包含四面体的[SiO4]基团。特别地,有利地且根据本发明,所述合成矿物颗粒为页硅酸盐矿物颗粒,即属于层状硅酸盐家族的颗粒,其是例如云母和滑石的一部分。
在根据本发明的方法的一个特别有利的实施方案中,所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶为式(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的含硅/锗金属的凝胶:
-M表示至少一个具有式Mgy(1)Coy(2)Zny(3)Cuy(4)My(8-5)Fey(6)Niy(7)Cry(8)的二价金属;每个y(i)表示区间[0;1]的实数,并且例如和
-x为区间[0;1]的实数,
-n’是指与所述含硅/锗金属的凝胶缔合的水分子的数目。
令人惊奇地,发明者们观察到,根据本发明的方法使得能够制备一种包含页硅酸盐矿物颗粒的组合物,所谓滑石组合物,同时大大地减低所述水热处理的时间和/或温度,所述方法包括:制备由式(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的含硅/锗金属的凝胶形成的前体的水凝胶的第一个步骤,以及在至少一种式R-COOM’的羧酸盐存在下对含硅/锗金属的凝胶进行水热处理的第二个步骤。对通过本发明获得的非常令人惊奇的结果,无法给予任何清楚的解释,其允许通过在水热处理介质中简单地添加式R-COOM’的羧酸盐,就以与催化剂相同的方式大大地提高水热处理的速度。在所述含硅/锗金属的凝胶的水热处理期间,在水热处理介质中至少一种式R-COOM’的羧酸盐的存在,看起来对所述页硅酸盐矿物颗粒的晶核形成和生长具有非常重要的作用,尤其是借助于其对水热处理介质的pH的影响,并且这完全在水热处理过程中。
有利地且根据本发明,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便具有相对于所述合成矿物颗粒的所述水凝胶前体而言0.4-100的“R-COOM’/水凝胶”摩尔比。它是在水热处理开始时处理介质中羧酸盐的量与水凝胶的量的摩尔比。该“R-COOM’/水凝胶”比可以尤其在1.8-100,特别地在7.2-90和例如在40-90。
在其中制备硅酸盐矿物颗粒的情况下,有利地且根据本发明,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便具有相对于硅而言0.1-25的“R-COOM’/Si”摩尔比。它是在水热处理开始时处理介质中羧酸盐的量与硅原子的量的摩尔比。该R-COOM’/Si”比可以尤其在0.45-25,特别地在1.8-22.5和例如在10-22.5。
至少一个水热处理步骤通是过向处理介质添加至少一种式R-COOM’的羧酸盐来进行。可以将式R-COOM’的羧酸盐,在水热处理的任何时刻,例如在开始或任选地,在例如预水热处理的第一步后,添加入水热处理介质中。有利地且根据本发明,在所述水热处理开始的时候,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐。
有利地且根据本发明,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便将其pH调节至8-12的值。有利地且根据本发明,在150℃-600℃的温度下进行所述水热处理。在水热处理介质中至少一种式R-COOM’的羧酸盐以0.2mol/L-10mol/L的(总)浓度的存在,看起来尤其是为了维持8-12的水热处理介质pH和避免水热处理过程中pH的下降。这是因为,发明者已惊奇地观察到,在含硅/锗金属的凝胶的水热处理期间,在水热处理介质中至少一种式R-COOM’的羧酸盐的存在,使得能够维持8-12的所述介质的pH。该对pH的作用不同于缓冲液的作用。在其中使用乙酸钠的情况下,在水热处理过程中所测量的pH例如为9.47,而“乙酸/乙酸根离子”对的pKa为4.8。
调整处理介质中的羧酸盐浓度以允许在缩短的水热处理时间后获得包含合成矿物颗粒的组合物。有利地且根据本发明,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便处理介质中式R-COOM’的羧酸盐的浓度为0.2mol/L-10mol/L。
有利地且根据本发明,在150℃-600℃,特别是200℃-400℃的温度下进行所述水热处理。因此,在至少一种上面定义的式R-COOM’的羧酸盐存在下在150℃-600℃,特别是200℃-400℃的温度下进行所述水热处理,使得能够获得包含合成矿物颗粒的组合物。此外,借助于至少一种这样的羧酸盐的存在,250℃-350℃的水热处理温度,例如300℃的温度,足以获得包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的组合物,所谓滑石组合物。通过限制其实施中所需要的能量消耗,根据本发明的滑石组合物制备方法因此比属于现有技术的滑石组合物制备方法是对环境更友好的(低温方法)。
有利地且根据本发明,调整水热处理的时间,尤其是根据在其下进行水热处理的温度,以便允许获得所述合成矿物颗粒。有利地且根据本发明,使所述水凝胶经历水热处理30分钟至45天,尤其是1小时至15天,特别是2小时至24小时和更特别地2小时至12小时的时间。
有利地且根据本发明,借助于高压釜进行所述水凝胶,和特别是所述含硅/锗金属的凝胶的水热处理。它可以例如是由镍基合金,例如(由HaynesInternational,Kokomo,美国,销售)制成的高压釜,或者钛的,或任选地,在其中水热处理温度不超过250℃的情况下,具有聚四氟乙烯(PTFE)内衬的钢的高压釜。这样的高压釜可以具有任何容量,例如从200mL到50L的容量。
有利地且根据本发明,在机械搅拌下进行所述水热处理。为此,可以例如使用装备有内部金属螺旋桨的高压釜。
有利地且根据本发明,在饱和蒸汽压下和在搅拌下进行所述水热处理。有利地且根据本发明,在高压釜中,与所述水凝胶一起,和特别地与所述含硅/锗金属的凝胶一起添加这样的水(优选地,蒸馏水)量,其至少足以在带至处理温度下的该高压釜内部产生饱和蒸汽的气氛。有利地且根据本发明,在自然发生的压力下,即在至少等于饱和水蒸气压力(在其下蒸汽相与液相相平衡的压力)下进行所述水热处理。在水热处理过程中在高压釜中达到的自然发生的压力因此尤其取决于在其下进行所述水热处理的温度、高压釜的体积和存在的水量。还可能的是,在超过饱和水蒸气压力或超过自然发生的压力的压力下,在其中发生水热处理的容器内进行水热处理。为此,在其中发生水热处理的高压釜或容器中注射面对水热反应化学中性的气体。这样的气体选自由惰性气体(稀有气体),特别是氩气、氮气(N2)、二氧化碳和空气(压缩空气)构成的组。以这种方式,有利地且根据本发明,水热处理在0.5MPa(5巴)-20MPa(200巴)的压力下进行。
有利地且根据本发明,用液化的、具有2-20,尤其是5-15的液体/固体比例(液体的量以cm3表达,固体的量以克表达)的水凝胶,特别是这样的含硅/锗金属的凝胶进行水热处理。任选地,如果需要,向液化的含硅/锗金属的凝胶添加适合于达到该比例的水量。
另一方面,有利地且根据本发明,所述页硅酸盐矿物颗粒具有至少一个由页硅酸盐2/1类型的和化学式(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的基本鳞片的堆叠形成的非膨胀相。特别地,在根据本发明的方法的一个特别有利的实施方案中,所述非膨胀相可以由页硅酸盐2/1类型的和化学式(SixGe1-x)4M3O10(OH)2,和更特别地,化学式Si4Mg3O10(OH)2的基本鳞片的堆叠形成。
因此,在根据本发明的方法的一个特别有利的实施方案中,就按照本发明的含硅/锗金属的凝胶的水热处理而言,获得这样的滑石组合物,其以包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的胶体溶液的形式存在。这些以在水中的溶液的合成矿物颗粒,可以如此存在:要么以相互或多或少个体化的状态,要么被组织成相互聚集的由合成矿物基本颗粒形成的或多或少粗糙的聚集体。尤其是根据选白150℃-600℃,特别是选自200℃-400℃的所应用的水热处理温度,这些基本颗粒的粒度可以在几十纳米至约十微米变化。
有利地且根据本发明,在水热处理之后,回收包含合成矿物颗粒的胶体组合物并使所述组合物经历干燥步骤。所述包含通过根据本发明的方法获得的合成矿物颗粒的组合物可以通过任何的粉末干燥技术进行干燥。有利地且根据本发明,紧接着所述水热处理,使通过冻干获得的所述合成矿物颗粒干燥。该干燥还可以借助于干燥炉,例如在60℃级别的温度下,在12小时至48小时内,或者在微波辐射下来进行。
在根据本发明的方法的一个有利的实施方案中,通过根据下列反应的共沉淀来制备所述含硅/锗金属的凝胶:
m、n’和(m-n’+1)为正整数。
所述含硅/锗金属的凝胶可以通过使用至少一种式MC12的金属氯化物的共沉淀反应来制备。获得以包含式(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的颗粒的胶体溶液形式存在的含硅/锗金属的凝胶。随后需要在进行所述含硅/锗金属的凝胶的水热处理前,用至少一种-尤其是一种且唯一的-式R-COOM’的羧酸盐几乎完全取代在该共沉淀过程中获得的氯化钠。有利地且根据本发明,向所述处理介质添加至少一种式R-COOM’的羧酸盐以便等摩尔取代NaCl。
该含硅/锗金属的凝胶被强烈且以下面的化学式地水合:
(SixG1-x)4M3O11·n’H2O,
n’是指与该含硅/锗金属的凝胶缔合的水分子的大数目并且其准确值可以是可变的并且不是已知的。
在根据本发明的方法的一个特别有利的实施方案中,所述含硅/锗金属的凝胶具有式Si4M3O11·n’H2O。在这中情况下,所述式Si4M3O11·n’H2O的含硅/锗金属的凝胶为含金属硅的凝胶。
有利地且根据本发明,紧接着所述水热处理,使获得的所述合成矿物颗粒,尤其是所述页硅酸盐颗粒干燥。有利地且根据本发明,紧接着所述水热处理,进行通过冻干获得的合成矿物颗粒,尤其是所述页硅酸盐颗粒的干燥。包含在通过根据本发明的方法获得的滑石组合物中的页硅酸盐矿物颗粒的该干燥技术,尤其使得能够获得个体化的基本颗粒并且避免所述颗粒的磨碎步骤。
有利地,通过根据本发明的方法制备的包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物在X射线衍射中具有滑石的特征性衍射峰,和特别是位于9.30-10.25距离处的平面(001)的特征性衍射峰。有利地且根据本发明,包含页硅酸盐矿物颗粒的所述组合物在X射线衍射中具有下列的特征性衍射峰:
-位于9.50-10.25距离处的平面(001);
此外,有利地且根据本发明,所述滑石组合物还具有至少一个膨胀相。
此外,有利地且根据本发明,所述膨胀相由页硅酸盐2/1类型的基本鳞片的堆叠和至少一个在两个连续的基本鳞片之间的层间间隔形成,所述膨胀相具有化学式:
Si4M3-εO10(OH)2,(Xr+)ε′·nH2O
-Xr+表示至少一种存在于所述膨胀矿物相的所述基本鳞片的层间间隔中的阳离子,所谓层间阳离子,
-r是区间[0;3]的实数并且表示阳离子Xr+的阳性电荷,
-ε是区间[0;3]的实数并且表示所述膨胀相的基本鳞片的阳离子短缺,
-ε’是区间[0;3]的实数并且表示存在于所述膨胀矿物相的层间间隔中的层间阳离子Xr+的比例,和
-n是指与所述膨胀相相结合的水分子的数目。
在膨胀相的化学式Si4M3-εO10(OH)2,(Xr+)ε’·nH2O中,n是指与膨胀相相连接的几个水分子,可以特别是存在于层间间隔中,与或不与层间阳离子Xr+相结合。
特别地,有利地且根据本发明,所述滑石组合物包含由所述膨胀相与所述非膨胀相之间的间层形成的页硅酸盐矿物颗粒。包含由这样的间层形成的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物可以例如在在150℃-300℃的温度下进行的水热处理之后获得。
随后可以使这样的包含由在膨胀相与非膨胀相之间的间层形成的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物经历在低于5巴(0.5Mpa)的压力下,在300℃-600℃的温度下进行的无水热处理1-15小时,尤其是2-10小时,例如在500℃-550℃的温度下4小时的热处理。
因此,在根据本发明的方法的一个实施方案中,紧接着所述水热处理,进行在300℃-600℃的温度下的无水热处理。这样的无水热处理使得能够至少部分地将包含由在膨胀相与非膨胀相之间的间层形成的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物转变为包含仅由化学式(SixGe1-x)4M3O10(OH)2,和特别是化学式Si4M3O10(OH)2的非膨胀相形成的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物。
本发明也涉及制备包含页硅酸盐矿物颗粒的组合物,所谓滑石组合物的方法,其特征在于,完全或部分地组合有上面或下面提到的特征。
本发明的其他目标、优点和特征随着对下面的描述和实施例的阅读而出现,并且涉及:
-附图1表示对应于在通过本发明的方法获得的组合物上进行的X射线分析的衍射图谱,和
-附图2表示对应于在通过本发明的方法获得的组合物上进行的X射线分析的衍射图谱。
A/-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物的通用实验方案
根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物的制备包括制备所述合成矿物颗粒的水凝胶前体的第一步,然后是该前体的水凝胶的水热处理步骤,在该过程中添加至少一种式R-COOM’的羧酸盐。
下面更特别地描述了制备包含页硅酸盐颗粒,尤其是滑石颗粒的组合物的实验方案。
1/-硅胶/金属锗的制备
含硅/锗金属的凝胶可以通过共沉淀反应进行制备,其牵涉,作为试剂,至少一种式MC12的金属氯化物。该共沉淀反应使得能够获得具有滑石的化学计量学(4Si,对于3M,M具有式Mgy(1)Coy(2)Zny(3)Cuy(4)Mny(5)Fey(6)Niy(7)Cry(8))的水合的含硅/锗金属的凝胶。
该含硅/锗金属的凝胶根据下面的反应方程式的共沉淀来制备:
该反应从下述开始来实施:
1.五水偏硅酸钠水溶液或偏锗酸钠水溶液,或者以摩尔比x∶(1-x)的这两种溶液的混合物,
2.用一种或多种稀释在蒸馏水中的金属盐(以吸湿结晶形式)制备的金属氯化物溶液,和
3.1N盐酸溶液。
该含硅/锗金属的凝胶的制备通过遵循下面的实验方案来进行:
1.混合盐酸溶液与金属氯化物溶液,
2.向偏硅酸钠和/或偏锗酸钠的溶液添加该混合物;共沉淀凝胶立即形成,
3.在离心(3000-7000转/分钟,5-20分钟,例如3500转/分钟,15分钟)并除去上清液(形成的氯化钠溶液)后,回收凝胶,
4.用水,特别是用蒸馏水或低渗水洗涤该凝胶,同时进行至少两轮洗涤/离心,
5.离心后回收该凝胶。
在该第一阶段结束时,获得强烈水合的和胶稠度的含硅/锗金属的凝胶(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O。该凝胶可以具有触变行为,即当搅拌其时,从粘滞状态转变为液体状态,然后在一定的静止时间后返回其起始状态。
在使其经历水热处理前,可以使在离心后回收的强烈水合的凝胶干燥,例如在干燥炉(60℃,2天)中、通过冻干或者通过在微波辐射下的干燥。含硅/锗金属的凝胶(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的干燥使得能够获得这样的粉末,其可以被贮存并在使用前再水化以使经历根据本发明的水热处理。
2/-含硅/锗金属的凝胶的水热处理
使经干燥或未经干燥的含硅/锗金属的凝胶(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O,例如前面所获得的,在150℃-600℃,和特别是在200℃-400℃的温度下经历水热处理。
为此:
1.将事先经干燥的或以液化形式的凝胶放在反应器/高压釜中;
2.在搅拌下向所述凝胶添加包含至少一种式R-COOM’的羧酸盐(以水合的或无水的形式)的溶液,
3.任选地,调节固体/液体比至2-20,尤其是5-15的值(液体的量以cm3表达,固体的量以克表达),
4.在预先确定的反应温度下,在全部处理时间内,将反应器/高压釜放在干燥炉内部。
任选地,可以在添加了包含式R-COOM’的羧酸盐的溶液后使凝胶干燥,以便可以例如储存直至水热处理的时刻。在这种情况下,将只要把已经包含羧酸盐的经干燥的凝胶与水相混合以建立想要的液体/固体比例。
发明者们已可以观察到,水热处理的温度对所获得的颗粒的粒度具有影响。该温度越低,所合成的颗粒越小(在300℃下几十纳米级别的,与对于更高温度的约十微米相对照)。
同样地,发明者们已可以注意到,相对少的水热处理时间足以允许起始凝胶状团块转变为结晶的和热稳定的固体材料。
在水热处理过程中,含硅/锗金属的凝胶逐渐丧失其胶稠度以采取其结晶度随时间增加的颗粒状晶体结构。已通过X射线衍射分析观察到该逐渐的材料结晶化,其在相应的衍射图谱上表现为在处理过程中尖锐化的和快速加强的特征性峰的快速出现。
在该水热处理结束时,获得包含悬浮在水中的页硅酸盐矿物颗粒的胶体状滑石组合物。就该水热处理而言,通过离心(在3000-7000转/分钟,5-20分钟)然后除去上清液来回收包含在反应器中的凝胶。上清溶液包含所述式R-COOM’的盐并且可以被保留以便回收该羧酸盐并使其再循环。
随后,将回收的凝胶优选地用水进行洗涤,特别是用蒸馏水或低渗水,同时进行至少两轮洗涤/离心循环。
随后,可以将在最后一次离心后回收的固体组合物进行干燥:
-在60℃下在干燥炉中12小时,或者
最后获得分开的固体组合物,其颜色随用于含硅/锗金属的凝胶的制备的金属氯化物的性质(同样,需要时,这些金属氯化物的各自比例)而变。
包含在通过根据本发明的方法获得的滑石组合物中的页硅酸盐矿物颗粒在纯度、结晶度和热稳定性方面具有出众的性能,并且这是对于相对于在已知的滑石组合物制备方法中以前所需要的水热处理时间而言显著缩短的水热处理时间。
紧接着水热处理,任选地可以使所获得的滑石组合物经历在低于5巴(0.5MPa)的压力下,在300℃-600℃的温度下在1-15小时内进行的无水热处理,特别是如果它包含由在膨胀相与非膨胀相之间的间层形成的页硅酸盐矿物颗粒。这样的无水热处理可以在这样的情况下实施,其中想要将包含由在膨胀相与非膨胀相之间的间层形成的页硅酸盐含矿物颗粒的滑石组合物转变为包含仅由非膨胀相形成的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物。
B/-结构特征的分析
在下面描述了通过根据本发明的方法获得的包含合成矿物颗粒的组合物的分析结果。
下面报告了通过按照前面陈述的实验方案获得的滑石组合物的分析结果。这些结果肯定了本发明使得能够有效地导致具有与天然滑石非常相似的结构特征(尤其是成层性和结晶度)的合成页硅酸盐矿物颗粒的形成。它们还显示,尤其是通过温度和实施时间的选择,本发明使得能够极其简单地合成稳定的和纯的含硅/锗金属的合成矿物颗粒,其具有确定的和可预见的大小和晶体特征。
分析尤其通过X射线衍射和通过电子显微镜观察来进行。将收集的数据具有在附图中和在实施例1至11中,并且在下面进行评论。
1/-X射线衍射分析
在X射线衍射中,天然滑石例如因具有尤其是四个特征性的衍射峰而被知晓:
图1显示了在对式Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射中进行的分析结果,所述组合物根据前面描述的方法(对于八面体阳离子,具有Mg2+),在含金属硅的凝胶沉淀,接着用1mol/L浓度的乙酸钠取代NaCl,和用6小时内的300℃水热处理后而制备。
图2显示了在对式Zn2SiO4的合成硅酸锌的组合物的X射线衍射中进行的分析结果,所述组合物在所述硅酸锌颗粒的前体的水凝胶沉淀,接着添加4mol/L浓度的乙酸钠和6小时内的250℃水热处理后制备。
在图1和2的每一个RX衍射图谱上表示了随衍射角度2θ而变的信号强度(脉冲数/秒)。
特别地,图1中表示的衍射图谱具有了对应于滑石信号的下列2θ角度值:5.72度;10.62度;21.65度;22.59度;32.90度;40.10度;41.97度;71.73度;85.40度。
图1和2中表示的RX衍射图谱已记录在由INEL公司(Artenay,France)销售的CPS120仪器上。它是具有允许在120°角域内的实时检测的曲线检测器的衍射仪。所使用的加速电压为40kV和电流强度为25mA。给出结构等距的Bragg关系式为:dhkl=0.89449/sinθ(使用钴对阴极)。
该通过X射线衍射的分析肯定了在按照本发明制备的滑石组合物的页硅酸盐矿物颗粒与天然滑石颗粒之间,以及在按照本发明制备的硅酸锌矿物颗粒与天然硅酸锌颗粒之间存在大的结构相似性。
特别地,各自对应于平面(020)、(003)和(060)的衍射峰3、4和5(图1)具有与对于天然滑石的参考衍射峰的位置完全吻合的位置。
-与天然滑石相反的纳米级粒度大小,
-页硅酸盐矿物颗粒的残余轻微水合,其由于滑石鳞片的螯合水分子的存在而增加了网间距离d(001),和
-可能地,晶体网八面体阳离子的性质。
然而,应当注意,由残余水合产生的偏差随着稍微更长的反应时间和更加力的干燥而降低。
最后,平面(001)、(020)、(003)和(060)的峰的半高宽度证明了根据本发明的滑石组合物的含硅/锗金属的矿物颗粒的良好结晶度。
2/-显微观察和颗粒粒度的评定
考虑可以构成按照本发明的滑石组合物的粉末的大的细度,通过扫描和场效应电子显微镜和透射电子显微镜的观察已评价了组成其的页硅酸盐矿物颗粒的大小和粒度分布。
观察到基本颗粒的粒度在20nm-100nm之间变化。
另一方面,已进行了根据通过氩量的BET方法测定的合成矿物颗粒的比表面(和单位质量相关的颗粒的表面面积)的测量,所述氩吸附在所述颗粒的表面以便形成完全覆盖所述表面的单分子层(根据BET方法的测量,标准AFNORX11-621和622)。观察到包含在通过根据本发明的方法获得的滑石组合物(在含硅金属的凝胶的沉淀和用1mol/L浓度的乙酸钠取代NaCl和在300℃下6小时的水热处理,然后冻干干燥之后)中的页硅酸盐矿物颗粒的比表面为175m2/g。
这样的比表面值(而天然滑石的比表面为20m2/g的级别)尤其可以显示非常低的粒度、所合成的颗粒的层状特性、颗粒状态的分开状态(非聚集的)和任选地,形成所述非膨胀相的基本鳞片的剥落。
下面的实施例1至11举例说明了根据本发明的制备方法和如此获得的包含合成矿物颗粒的组合物,和特别是包含页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物的结构特征。
实施例1-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
制备浓度为1.3M的三水合乙酸钠CH3COONa·3H2O的水溶液。将2g通过冻干事先进行干燥的含硅金属的凝胶分散在27mL该乙酸钠溶液中。将获得的悬浮液放在密闭的钛反应器中。将该钛反应器放在温度为300℃的炉中6小时。
在冷却至环境温度后,将反应器打开并离心包含白色粉末的悬浮液。回收乙酸钠上清溶液并使其再循环。
将分开的乙酸钠溶液的白色糊状物用去离子水洗涤2次,然后在带至130℃温度的干燥炉中干燥12小时。干燥后获得1.13g白色固体。
在图1上表示了如此获得的式Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石的组合物的X射线衍射图谱。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于9.717(I=100)距离处的平面(001);
将给出的相应峰强度I相对于衍射图谱的最强峰进行标准化,最强峰的强度被认为等于100。
图1的衍射图谱上表示的衍射峰2、3、4和5分别对应于上面所鉴定的平面(001)、平面(020)、平面(003)和平面(060)。
实施例2-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为0.2M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于4.535(I=65)距离处的平面(020):
-位于3.178(I=60)距离处的平面(003);
在该滑石组合物的X射线衍射图谱上,对应于平面(001)的衍射峰具有一个弱肩峰,其代表以相对于非膨胀相而言非常低的比例存在的膨胀相。
实施例3-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为2M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于9.704(I=92)距离处的平面(001);
在该滑石组合物的X射线衍射图谱上,对应于平面(001)的衍射峰具有一个弱肩峰,其代表以相对于非膨胀相而言非常低的比例存在的膨胀相。
实施例4-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1.3M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(通过微波辐射事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
实施例5-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1.3M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(在干燥炉中事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于4.542(I=50)距离处的平面(020);
-位于3.150(I=52)距离处的平面(003);
实施例6-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为4M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(通过微波辐射事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于4.557(I=9)距离处的平面(020);
该滑石组合物的X射线衍射图谱还具有一个代表膨胀相的对应于位于20.239(对于I=5)距离处的平面(001)的衍射峰。
实施例7-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为4M的三合乙酸钠水溶液并在300℃的温度下进行(在干燥炉中事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
实施例8-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1.3M的三合乙酸钠水溶液并在350℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理2小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
实施例9-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1.3M的乙酸钾CH3-COOK水溶液并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
该滑石组合物的X射线衍射图谱还具有一个代表膨胀相的对应于位于12.562(对于I=20)距离处的平面(001)的衍射峰。
实施例10-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1.3M的甲酸钠HCOONa水溶液并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于3.170(I=100)距离处的平面(003);
在该滑石组合物的X射线衍射图谱上,对应于平面(001)的衍射峰具有一个肩峰,其代表以相对于非膨胀相而言非常低的比例存在的膨胀相。
实施例11-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
模仿在实施例1中描述的方法,其中使用浓度为1M的丁酸钠CH3-CH2-CH2-COONa水溶液并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
-位于3.168(I=75)距离处的平面(003);
-位于1.519(I=15)距离处的平面(060);
在该滑石组合物的X射线衍射图谱上,对应于平面(001)的衍射峰具有一个肩峰,其代表以相对于非膨胀相而言非常低的比例存在的膨胀相。
比较实施例12
模仿在实施例1中描述的方法,其中用浓度为1.3M的乙酸镁CH3-COOMg·4H2O代替乙酸钠并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
如此获得的组合物的X射线衍射图谱不具有任何对应于滑石衍射峰的衍射峰。
比较实施例13
模仿在实施例1中描述的方法,其中用浓度为1.3M的乙酸钙CH3-COOCa·H2O代替乙酸钠并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
如此获得的组合物的X射线衍射图谱不具有任何对应于滑石衍射峰的衍射峰。
比较实施例14
模仿在实施例1中描述的方法,其中用浓度为1.3M的碳酸氢钠NaHCO3(通常称为苏打重碳酸)代替乙酸钠并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
如此获得的组合物的X射线衍射图谱不具有任何对应于滑石衍射峰的衍射峰。
比较实施例15
模仿在实施例1中描述的方法,其中用浓度为1.3M的碳酸钠Na2CO3代替乙酸钠并在300℃的温度下进行(通过冻干事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理6小时。
如此获得的组合物的X射线衍射图谱不具有任何对应于滑石衍射峰的衍射峰。
没有一个在比较实施例12至15中所描述的水热条件使得能够在在300℃的温度下和在式R-COOM’的不同羧酸盐存在下水热处理6小时后,获得包含页硅酸盐矿物颗粒的组合物。
比较实施例16
模仿在实施例1中描述的方法,但在没有任何羧酸盐存在下。在350℃的温度下进行(在干燥炉中事先进行干燥的)含硅/锗金属的凝胶的水热处理18小时对于能够获得滑石组合物是必需的。
该滑石组合物的X射线衍射图谱具有对应于滑石衍射峰的衍射峰,和特别是下列的特征性衍射峰:
与实施例5相比较,通过使用相同的起始产物(含硅/锗金属的凝胶的沉淀和在干燥炉中凝胶的干燥)同时通过升高50℃的水热处理温度,应该是18个小时以获得滑石组合物,而不是在乙酸钠(1.3M)存在下在300℃下的6小时。
在实施例1至11中分别描述的水热处理条件都使得能够获得包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的组合物。在实施例1至11中制备的不同滑石组合物的X射线衍射分析使得能够肯定非膨胀相的存在,其由页硅酸盐2/1类型的且通过滑石的特征性衍射峰鉴定的化学式Si4M3O10(OH)2的基本鳞片的堆叠形成。
此外,从全部前述实施例得出结论:唯有在式R-COOM’(M’表示选自由Na、K组成的组的金属,和R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团)的羧酸盐存在下的水热处理,使得能够在少于10小时内获得包含具有至少一种非膨胀相的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物,例如在实施例1至11的每一个中所描述的条件下。
实施例17-制备根据本发明的包含合成矿物颗粒的组合物
首先制备式Zn2SiO4的硅酸锌颗粒的前体的水凝胶。为此,一方面制备包含10.6g溶解在100ml蒸馏水中的五水偏硅酸钠(Na2OSiO2·5H2O)的溶液,和另一方面,制备包含21.95g溶解在100ml蒸馏水中的二水合乙酸锌Zn(CH3COO)2的溶液。在磁力搅拌下向偏硅酸钠溶液添加乙酸锌。立即形成白色沉淀。
将获得的溶液在搅拌下保持5分钟,然后通过离心(在4000转/分钟下,5分钟)和2轮连续的蒸馏水洗涤和离心来回收硅酸锌颗粒的水凝胶前体。
将获得的水凝胶添加到100ml的蒸馏水中并通过冻干进行干燥。
随后进行前面所制备的硅酸锌颗粒水凝胶前体的水热处理。为此,制备浓度为4M的三水合乙酸钠CH3-COONa·3H2O水溶液。将事先通过冻干进行干燥的2g金属硅胶分散在27mL该乙酸钠溶液中。将获得的悬浮液放在封闭的钛反应器中。将该钛反应器放在250℃的温度下的炉中6小时。
冷却直至环境温度后,将反应器打开并离心包含白色粉末的悬浮液。回收乙酸钠上清溶液并使其再循环。
将从乙酸盐溶液分离出的白色糊状物用去离子水洗涤3次,然后在带至130℃温度的干燥炉中干燥12小时。干燥后获得1.51g白色粉末状固体。
在图2上表示了如此获得的式Zn2SiO4的硅酸锌的组合物的X射线衍射图谱。
在图2上表示的该硅酸锌组合物的X射线衍射图谱具有下列的衍射峰:
7.00(I=13);4.03(I=26);3.48(I=56);2.84(I=100);2.63(I=80);2.31I=45);1.86(I=30);1.55(I=13);1.42(I=28);1.36(I=13);1.33(1=16)。
将给出的相应峰强度I相对于衍射图谱的最强峰进行标准化,最强峰的强度被认为等于100。
硅酸锌Zn2SiO4的衍射峰,例如在相应的JCPDS卡片(willemite)中定义的,为下列:
6.97(I=14);4.09(I=16);4.02(I=33);3.48(I=72);2.83(I=100);2.63(I=86);2.31(I=50);1.86(I=40);1.55(I=17);1.42(I=34);1.41(I=24);1.36(I=18);1.34(I=19)。
比较实施例18
模仿在实施例17中描述的方法,但在没有乙酸钠存在下。在250℃的温度下(在干燥炉中事先进行干燥的)硅酸锌颗粒的前体的水凝胶在水(没有硅酸盐)中进行的水热处理不足以获得式Zn2SiO4的硅酸锌的组合物。
这是因为,在水热处理后获得的组合物的X射线衍射图谱不具有对应于硅酸锌衍射峰的衍射峰。
因此,从实施例17和18得出结论:唯有在式R-COOM’(M’表示选自由Na、K组成的组的金属,和R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团)的羧酸盐存在下的合成矿物颗粒,例如硅酸锌Zn2SiO4的颗粒的前体的水凝胶的水热处理,在缩短的时间后和在250℃的温度下,使得能够获得包含这样的硅酸锌颗粒的组合物。
本发明可以具有相对于上面所描述的实施方案和实施例而言的许多其他应用和各种不同的变化形式。特别地,所述滑石组合物可以包含这样的页硅酸盐矿物颗粒,其中不同的金属位于八面体的位置,例如在(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O中,M具有式(Co0.5Ni0.5)或(Mg0.34Cu0.33Fe0.33)。
Claims (18)
1.制备包含合咸矿物颗粒的组合物的方法,其中
-制备所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶,
-使所述水凝胶经历水热处理,
其特征在于,至少一个所述水热处理步骤是通过向处理介质添加至少一种羧酸盐来进行,所述羧酸盐具有式R-COOM’,其中
-M表示选自由Na和K组成的组的金属,和
-R选自H和包含少于10个碳原子的烷基基团。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于,在R选白于以下组中:H-、CH3-和CH3-CH2-CH2-。
3.根据权利要求1或2之一的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒为硅酸盐矿物颗粒。
4.根据权利要求1至3之一的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒为页硅酸盐矿物颗粒。
5.根据权利要求1至4之一的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶为式(SixGe1-x)4M3O11·n’H2O的含硅/锗金属的凝胶:
-M表示至少一种具有式Mgy(1)Coy(2)Zny(3)Cuy(4)Mny(5)Fey(6)Niy(7)Cry(8)的二价金属;每一个y(i)表示区间[0;1]的实数,例如和
-x为区间[0;1]的实数,
-n’是指与含硅/锗金属的凝胶缔合的水分子的数目。
6.根据权利要求1至5之一的方法,其特征在于,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便具有相对于所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶而言0.4-100的“R-COOM’/水凝胶”摩尔比。
7.根据权利要求3至6之一的方法,其特征在于,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐,以便具有相对于所述合成矿物颗粒的前体的水凝胶而言0.1-25的“R-COOM’/Si”摩尔比。
8.根据权利要求1至7之一的方法,其特征在于,在所述水热处理开始向处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐。
9.根据权利要求1至8之一的方法,其特征在于,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐以便将其pH调节至8-12的值。
10.根据权利要求1至9之一的方法,其特征在于,向所述处理介质添加式R-COOM’的羧酸盐以便处理介质中式R-COOM’的羧酸盐的浓度在0.2mol/L-10mol/L。
11.根据权利要求1至10之一的方法,其特征在于,在150℃-600℃,特别是在200℃-400℃的温度下进行所述水热处理。
12.根据权利要求1至11之一的方法,其特征在于,在饱和蒸汽压下和在搅拌下进行所述水热处理。
13.根据权利要求1至12之一的方法,其特征在于,在所述水热处理后,接着对通过冻干获得的所述合成矿物颗粒进行干燥。
14.根据权利要求1至13之一的方法,其特征在于,在所述水热处理后,接着进行在300℃-600℃温度下的无水热处理。
15.根据权利要求5至14之一的方法,其特征在于,所述含硅/锗金属的凝胶是通过根据下列反应的共沉淀来制备:
m、n’和(m-n’+1)为正整数。
16.根据权利要求5至15之一的方法,其特征在于,所述含硅/锗金属的凝胶具有式Si4M3O11·n’H2O。
17.根据权利要求4至16之一的方法,其特征在于,所述页硅酸盐矿物颗粒具有至少一种由页硅酸盐2/1类型的和化学式(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的基本鳞片堆叠形成的非膨胀相。
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