CN103827032A - 包含合成矿物颗粒的组合物的制备方法和该组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种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前体所用的共沉淀反应是如下化合物之间进行的:至少一种包含硅的化合物,和至少一种包含至少一种金属元素的化合物,其特征在于,所述共沉淀反应是在化学式为R2-COOM′的至少一种羧酸盐的存在下发生的,在化学式R2-COOM′中:M′代表选自Na和K的金属,而R2选自H和具有少于5个碳原子的烷基基团。本发明还涉及一种包含通过这种方法得到的合成矿物颗粒的组合物。
Description
发明领域
本发明涉及一种包括合成矿物颗粒的组合物的制备方法以及包括合成矿物颗粒的组合物。
背景技术
在全文中,术语“矿物颗粒”是指所有不含碳的非有机颗粒,如果有的话,则为碳酸盐或氰化物的形式。
在全文中,术语“水热处理”是指在如压热器的封闭容器中在有水存在的情况下的在预定温度和高于大气压的压力下实施的所有处理。
如硼酸盐或硅酸盐的许多矿物质被用于各种工业领域。在诸如热塑性塑料、弹性体、纸张、油漆、清漆、纺织品、冶金、医药、日化的许多行业中,如滑石的页硅酸盐矿物颗粒例如被以细微颗粒的形式使用,在农药又或肥料产品中,其中通过掺入到组合物中将如滑石的页硅酸盐作为惰性填料(用于其化学稳定性又或用于稀释成本较高的活性化合物)或功能性填料(例如用于提高一些材料的机械性能)使用。
天然滑石是一种化学式为Si4Mg3Oi0(OH)2的水合硅酸镁,属于页硅酸盐类。页硅酸盐由晶体结构基层的不规则叠层构成,其数目从几个单位到几十个单位。在页硅酸盐(层状硅酸盐)中,包括尤其是滑石、云母和蒙脱石的组群具有以下特征:通过位于八面体层两侧的两个四面体层的结合形成各个基本层。该组群对应于2/1页硅酸盐,其尤其为蒙脱石的一部分。由于其结构,2/1页硅酸盐也被定性为T.O.T类型(四面体-八面体-四面体)。
2/1页硅酸盐的八面体层由两个离子O2-和OH-的晶面形成(摩尔比O2-/OH-为2∶1)。该中间层的两侧布置有四面体的二维网络,四面体的一个顶点被八面体层的氧占据,而其他三个顶点被基本上共面的氧占据。
对于许多应用,关于滑石,高纯度的、微细的颗粒和良好的结晶特性是理想的,因为这是最终产品质量的决定性因素。
然而,通过滑石的研磨和加工由天然滑石块制备粉末化组合物却不能控制所得到的滑石颗粒的纯度、层数和尺寸。另外,天然滑石的研磨导致无法挽回的滑石非晶化,或至少导致其结晶度的显著下降。
在这方面,WO2008/009799提供了通过对化学式为(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶在温度在300℃和600℃之间的液体状态下进行的水热处理制备包含化学式为(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的至少一种硅/锗-金属合成矿物的滑石化合物。根据WO2008/009799的这种滑石组合物包含化学式为(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的硅/锗-金属颗粒,其呈现了与天然滑石相似的结构,并在X射线的衍射上呈现了一些滑石的特征性衍射射线,即对应于晶面(001)、(020)、(003)和(060)的衍射射线。
而且,根据WO2008/009799的方法,虽然允许制备与滑石相近纯度的可被控制的合成矿物质,但仍难以符合高工业要求,就效率而言,难以获得盈利和合成矿物颗粒的结构上的高质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备包含合成矿物颗粒的组合物的改进方法。
本发明的目的还在于提供一种制备包含硅酸盐合成矿物颗粒的组合物的改进方法。
本发明的目的在于提供一种制备包含呈现至少一个非溶胀相的合成矿物颗粒的组合物的改进方法。
本发明的目的在于提供一种制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,更具体地涉及页硅酸盐合成矿物颗粒,其呈现有改进的结构性能。
本发明的目的在于提供一种制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,其中相对于现有技术中描述的制备这种化合物的方法中所需的制备持续时间,本发明的方法的制备持续时间明显地被减少了。
本发明的目的还在于提供一种制备滑石组合物的方法,其中在降低的温度下和/或减少的持续时间内对硅/锗-金属水凝胶执行水热处理,并允许得到包含呈现改进性能的页硅酸盐颗粒的滑石组合物。
本发明的目的在于提供这种实施起来简单和快速的方法,且符合工业开采的制约规定。
本发明的目的在于提供一种制备组合物的方法,化合物包含高纯度的页硅酸盐合成矿物颗粒、包含具有一定层数和细微颗粒尺寸的和低色散的、有改进的晶体结构和热稳定的合成矿物颗粒。
本发明的目的还在于提供一种包含呈现了尤其是改进结构性能的合成矿物颗粒的组合物。
本发明的目的还在于提供一种包含页硅酸盐合成矿物颗粒的组合物,在其各种应用中,页硅酸盐合成矿物颗粒可被用于代替天然滑石。
要做到这点,本发明涉及一种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前体所用的共沉淀反应是在如下化合物之间进行的:
-至少一种包含硅的化合物,和
-至少一种包含至少一种金属元素的化合物,
其特征在于,所述共沉淀反应是在化学式为R2-COOM′的至少一种羧酸盐的存在下发生的,在化学式R2-COOM′中:
-M′代表选自Na和K的金属,和
-R2选自H和具有少于5个碳原子的烷基基团。
事实上,本发明人已经惊奇地发现,在根据本发明的方法中,在如前面定义的化学式为R2-COOM′的至少一种羧酸盐存在下,制备合成矿物颗粒的水凝胶前体并允许得到呈现有改进性能的合成矿物颗粒。对本发明所得到的令人惊讶的结果不能给出明确的解释,本发明尤其允许通过在水凝胶前体的制备介质中简单地添加化学式为R2-COOM′的这种羧酸盐,以制备包含特别是在结晶性方面呈现出改进性能的合成矿物颗粒的组合物。更具体而言,根据本发明的方法还允许制备包含呈现的结构性能非常接近天然滑石、和尤其比现有技术的滑石组合物更接近天然滑石的合成矿物颗粒的组合物。
有利地并根据本发明,对于包含至少一种金属元素的化合物,可利用所有适合的金属化合物在所述合成矿物颗粒的所述水凝胶前体的所述共沉淀反应中进行反应。有利地并根据本发明,所述包含至少一种金属元素的化合物为化学式为M(R1COO)2的二羧酸盐,其中:
-R1选自H和具有少于5个碳原子的烷基基团,和
有利地并根据本发明,对所述水凝胶进行例如水热处理的所有适合的处理,以允许得到所述合成矿物颗粒。
有利地并根据本发明,接下来在150℃~400℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理以得到所述合成矿物颗粒。
更具体地,实施水凝胶水热处理的温度在150℃~370℃之间、和尤其在200℃~350℃之间。
而且,根据尤其是实施水热处理的温度,采用水热处理的持续时间用于能够得到所述合成矿物颗粒。有利地并根据本发明,所述水凝胶进行水热处理的持续时间在30分钟和30天之间,更具体地在1小时和15天之间和例如在2小时和24小时之间。
更具体地,有利地并根据本发明,直接在所述水凝胶前体的共沉淀介质中进行水热处理。事实上,可以保留包含化学式为R2-COOM′的所述羧酸盐的所述水凝胶前体的共沉淀介质,用以进行水热处理,所述羧酸盐的存在还允许加速所述水热处理。
而且,根据本发明的方法允许以简化的方式制备包含合成矿物颗粒的组合物,其中在化学式为R2-COOM′的至少一种羧酸盐存在下制备合成矿物颗粒的水凝胶前体,并接下来在没有改变所述水凝胶的共沉淀介质的情况下,通过水热处理实施所述水凝胶前体向包含合成矿物颗粒的组合物的转变。
基团R1和R2是相同的或不同的。有利地并根据本发明,所述基团R1和R2在由CH3-、CH3-CH2-和CH3-CH2-CH2-组成的基团中选择。更具体地,有利地并根据本发明,基团R1和R2是相同的。
有利地并根据本发明,对于所述包含硅的化合物,可以使用所有适用于在所述合成矿物颗粒的所述水凝胶前体的所述共沉淀反应中进行反应的包含至少一个硅原子的化合物。更具体地,有利地并根据本发明,所述包含硅的化合物选自硅酸钠和氧化硅(二氧化硅)。有利地并根据本发明,使用硅酸钠作为所述包含硅的化合物。
有利地并根据本发明,所述合成矿物颗粒的所述水凝胶前体是化学式为(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶,该化学式中:
-x为在区间[0,1]的实数,
-n′是与所述硅/锗-金属水凝胶相关联的水分子数量。
在根据本发明的方法的特别有利的实施方式中,所述硅/锗-金属水凝胶的化学式为Si4M3O11,n′H2O。在该情况下,所述化学式为Si4M3O11,n′H2O的所述硅/锗-金属水凝胶为硅-金属水凝胶。
有利地并根据本发明,所述合成矿物颗粒为硅酸盐矿物颗粒,即属于其结构包括四面体的[SiO4]基团的硅酸盐族的颗粒。更具体地,有利地并根据本发明,所述合成矿物颗粒是页硅酸盐矿物颗粒,即属于层状硅酸盐族的颗粒,其为例如云母和滑石的一部分。
有利地并根据本发明,所述页硅酸盐矿物颗粒呈现出由2/1页硅酸盐类型的和化学式为(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的基层的堆叠形成的至少一个非溶胀相。更具体地,在根据本发明的特别有利的实施方式中,所述非溶胀相可由化学式为Si4M3O10(OH)2、且更具体地化学式为Si4Mg3O10(OH)2(M代表镁)的2/1页硅酸盐类型的基层的堆叠形成。
更具体地,在通过根据本发明的方法制备的化学式为(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶前体进行水热处理之后,得到包含页硅酸盐矿物颗粒的组合物,其在X射线的衍射上呈现出位于距离在和之间的晶面(001)的至少一条特征衍射线。这种衍射线的存在是产品非常接近天然滑石的表征。另外,这种组合物在X射线的衍射上没有呈现出位于距离在和之间的晶面的特征衍射线,通常显示其夹层空间中有层间阳离子和可能的水分子的溶胀相的剩余。这种溶胀相与化学式为(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的滑石产品不同。
有利地并根据本发明,化学式为R2-COOM′的羧酸盐相对于硅的摩尔比R2-COOM′/Si在0.1和9之间。
有利地并根据本发明,在减少水热处理的持续时间之后,可采用在水凝胶前体的制备介质中的羧酸盐的浓度用于允许得到包含合成矿物颗粒的组合物。有利地并根据本发明,化学式为R2-COOM′的羧酸盐相对于硅的摩尔比R2-COOM′/Si在0.2mol/L和5mol/L之间。
有利地并根据本发明,借由压热器执行所述水凝胶、更具体地所述硅/锗-金属凝胶的水热处理。例如可以用如(由美国Kokomo的HaynesInternational出售)这样的镍基合金形成的压热器,又或具有聚四氟乙烯(PTFE)内保护层的由钛或可选地不锈钢为材料的压热器情况下,水热处理温度不超过250℃。这种压热器可呈现所有的容量,例如200mL到50L的容量。
有利地并根据本发明,在机械搅拌下实施所述水热处理。为达到此目的,可例如使用提供内部金属螺杆的压热器。
有利地并根据本发明,实施所述水热处理的压力在0.5MPa(5bar)和20MPa(200bar)之间。有利地并根据本发明,在自体压力下实施所述水热处理,即压力至少等于饱和水蒸气的压力(在该压力下,气相与液相平衡)。因此,达到正在进行水热处理的压热器的自体压力尤其依赖于实施所述水热处理的温度、压热器的体积和所存在的水量。还可能在发生水热处理的容器中在大于饱和水蒸气的压力或自体压力的压力下实施水热处理。为达到此目的,向发生水热处理的压热器或容器中注入针对水热反应的惰性化学气体。这种气体选自惰性气体(稀有气体)、特别是氩气、氮气(N2)、二氧化碳和空气(压缩空气)。
有利地并根据本发明,向压热器再次注入所述水凝胶,更具体地注入带有所述硅/锗-金属水凝胶的水凝胶,水量(优选地蒸馏水)至少足够用于在处理温度下于采用的该压热器内部造成饱和蒸汽的氛围。
有利地并根据本发明,用水凝胶、更具体地用硅/锗-金属水凝胶实施水热处理,在液/固比在2和20之间、尤其在5和15之间对水凝胶进行液化(用cm3表达液体量、用克表达固体量和仅指定干燥的水凝胶,即不考虑羧酸盐)。可选地,如果需要,向所述液化硅/锗-金属水凝胶重新注入适量的水用以达到该比例。
有利地并根据本发明,就符合本发明的硅/锗-金属水凝胶的水热处理而言,所得到的组合物是在含有呈现至少一个非溶胀相的页硅酸盐矿物颗粒的胶体溶液的形式下呈现的。在这种溶液形式下的合成矿物颗粒所处的状态是颗粒被相互分离,其中合成矿物颗粒很少或没有聚合。
有利地并根据本发明,在水热处理过后,回收包含悬浮在羧酸盐的水溶液中的合成矿物颗粒的胶体组合物。接下来在任选的用水洗涤的步骤以排除至少部分羧酸盐之后,可对所述胶体组合物进行干燥步骤。该洗涤步骤包括所述胶体组合物的至少一个周期的清洗/离心处理。
可通过所有的粉末干燥技术对包含通过本发明方法得到的合成矿物颗粒的所述组合物进行干燥处理。有利地并根据本发明,接续于所述水热处理,通过冷冻干燥对所得到的合成矿物颗粒进行干燥。还可以在微波辐射下、例如温度在60℃和130℃之间、在1小时到48小时期间、借由烘箱实施干燥处理,又或通过雾化作用进行干燥处理。
另外,在空气中、大于350℃的温度和小于合成矿物颗粒的降解温度下,对包含在水热处理之后得到的合成矿物颗粒的组合物进行无水热处理是可能的。有利地并根据本发明,在350℃和850℃之间、更具体地在400℃和750℃之间和更具体地在450℃和600℃之间的温度下、例如在持续时间为30分钟和24小时之间的期间内,对包含在水热处理之后得到的合成矿物颗粒的组合物进行无水热处理。有利地并根据本发明,在所述水热处理之后,对包含合成矿物颗粒的所述组合物进行无水热处理。这种热处理或“退火处理”允许进一步提高所得到的颗粒的结晶度。
本发明还涉及一种包含合成矿物颗粒的组合物,其特征在于,其在X射线的衍射上呈现如下的特征衍射线:
此等组合物是通过根据本发明的方法制备的。事实上,更具体地在长持续时间和/或在足够高的温度下执行水热处理、和/或接续无水热处理的情况下,这种组合物在X射线的衍射上呈现位于距离在和之间的晶面(002)的、强度大于位于距离在和之间的晶面(020)的特征衍射线的强度的特征衍射线是可能的,而且晶面(020)的特征衍射线可被晶面(002)的特征衍射线掩盖也是有可能的。
有利地并根据本发明,所述合成矿物颗粒为呈现由2/1页硅酸盐类型且化学式为(SixGe1-x)4M3O10(OH)2的基层堆叠形成的至少一个非溶胀相的矿物颗粒,其中:
-x为在区间[0,1]的实数,
而且,根据本发明的组合物的近红外范围的光谱呈现出天然滑石的振动频带的特征线。有利地并根据本发明,根据本发明的组合物的近红外范围的光谱呈现出代表滑石的Mg3-OH键振动的位于7185cm-1的振动频带。
另外,包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的近红外范围的光谱呈现的振动频带在5000cm-1和5500cm-1之间,这是根据本发明的合成滑石的组合物的特征,并且其显露了在层边缘上与滑石相连的水分子的存在。而且,有利地并根据本发明,根据本发明的合成滑石的组合物在近红外范围的振动频带在5000cm-1和5500cm-1之间,更具体地在5200cm-1和5280cm-1之间,相应于被连接在层边缘上的水的存在。这种大强度振动频带的呈现允许容易地区分根据本发明的合成滑石和天然滑石、根据本发明的合成滑石和相似的天然滑石在红外范围上的其它振动频带。
本发明还涉及一种制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法和一种包含结合了上面或下面提到的全部或部分特征的合成矿物颗粒的组合物。
具体实施方式
参考表示相应于由根据本发明的方法获得的化合物进行X射线衍射分析的衍射图的附图,通过对接下来的详细描述和例子的阅读,本发明的其它目标、优点和特征将变得明显。
A/-制备包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的总方法
1/-硅/锗-金属水凝胶的制备
通过共沉淀反应可制备金属硅/锗水凝胶,共沉淀反应涉及在化学式为R2-COOM′的至少一种羧酸盐存在下作为反应物的包含硅的至少一种化合物、化学式为M(R1-COO)2的至少一种二羧酸盐,在化学式R2-COOM′中,M′代表选自Na和K的金属,而R2选自H和包含少于5个碳原子的烷基基团。
该共沉淀反应允许得到具有滑石的化学计量(4个硅用于3个M,M代表式Mgy(1)Coy(2)Zny(3)Cuy(4)Mny(5)Fey(6)Niy(7)Cry(8);每个y(i)代表一个区间[0;1]的实数,且使)的水合硅/锗-金属水凝胶。
通过共沉淀反应制备硅/锗-金属水凝胶的实施开始于:
1.五水硅酸钠的水溶液或偏锗酸钠的水溶液,或在摩尔比为x∶(1-x)的比例下的这两种溶液的混合物,
2.用稀释于诸如乙酸的羧酸中的化学式为M(R1-COO)2的一种或多种二羧酸盐制备二羧酸盐溶液,和
3.用稀释于蒸馏水中的化学式为R2-COOM′的一种或多种羧酸盐制备羧酸盐溶液。
该硅/锗-金属水凝胶的制备按如下程序实施:
1.混合硅酸钠溶液和化学式为R2-COOM′的羧酸盐的溶液,
2.快速地加入化学式为M(R1-COO)2的二羧酸盐溶液;瞬间形成共沉淀的水凝胶。
另外,也可对所述水凝胶的制备介质进行超声处理。
在该沉淀过后,在羧酸盐溶液中得到(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶,所述水凝胶是高度水合的,且具有更多或更少的凝胶状稠度。
在化学式为R2-COOM′和R1-COOM′的羧酸盐存在下得到的(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶准备好被直接进行水热处理。
在离心处理(例如每分钟转3000到15000转之间,在5到60分钟期间)和除去上清液(羧酸盐溶液)之后还可回收水凝胶,可选地用软化水洗涤(例如洗涤两次和连续的离心处理),然后例如在压热器中(60℃,2天)、通过冷冻干燥、通过雾化干燥又或通过在微波辐射下进行干燥处理。化学式为(SixGe1-x)M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶还可在粉末的形式下进行存储(根据已执行或未执行的在水中的洗涤呈现或不呈现羧酸盐),以用于后续可选的水热处理。
2/-所述的金属硅/锗水凝胶的水热处理
在尤其是150℃和370℃之间的温度下,对前面所得到的(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶进行水热处理。
为达到此目的:
1.如在沉淀(在适当情况下,用化学式为R2COOM′和R1COOM′的羧酸盐进行悬浮)或在预干燥之后,将所述水凝胶移到反应器/压热器中;
2.如果需要,在搅拌下将包含化学式为R2COOM′的至少一种羧酸盐(以水合或无水的形式)的水溶液加入到所述水凝胶中,
3.任选地将液/固比值调节在2和20之间,尤其是在5和15之间(液体量以cm3表示,固体量用克表示,仅指定干燥水凝胶的量,即不考虑羧酸盐),
4.将反应器/压热器移到烘炉或干燥箱中,在预先确定的反应温度下(在150℃和350℃之间确立),持续期间为所有的处理持续时间。
在进行水热处理时,硅/锗-金属水凝胶渐渐获得凝胶状稠度。包含在水热处理后得到的矿物颗粒的组合物在X射线的衍射上呈现可观察到的结晶,该结晶增加了水热处理的持续时间并导致了在相应衍射图谱上特征射线的快速出现,该特征射线在处理过程中快速地细化和强化。
另外,通过在近红外范围的分析,已观察到相应于键Mg3-OH的振动的振动频带的强度也随着水热处理持续时间而增大。
在该水热处理过后,得到包含悬浮在羧酸盐水溶液中的页硅酸盐矿物颗粒的胶态滑石组合物。该水热处理结束后,进行离心处理(每分钟3000~15000转,进行5~60分钟),然后倒去上清液,由此回收容纳在反应器中的滑石组合物。上清溶液含有化学式为R-COOM′的所述盐,并且可以被存储用于回收羧酸盐和再循环利用。
接下来优选地用水、更具体地用蒸馏或反渗透水洗涤包含回收的矿物颗粒的组合物,同时进行至少两个周期的洗涤/离心处理。
在最后的离心处理之后,可接下来对包含回收的矿物颗粒的组合物进行干燥处理:
-在温度为60℃和130℃之间的烘箱中进行1到24小时,又或
-又或通过雾化处理。
最终得到细的固体组合物,其颜色取决于用于制备硅/锗-金属水凝胶的化学式为M(RrCOO)2的二羧酸盐的性质(而且,在适当情况下,取决于这些二羧酸盐各自的比例)。
本发明人因而能够注意到,不仅相对较短持续时间的水热处理足以使初始水凝胶转化成结晶和热稳定的材料,而且同时使所得到的合成矿物颗粒呈现出改进的结晶度。
包含在根据本发明得到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呈现出优异的性能,而相较于已知滑石组合物制备方法中的之前所需要的水热处理的持续时间,本发明明显地减少了水热处理的持续时间。
另外,继水热处理后,根据本发明所得到的组合物、尤其是滑石组合物可任选地进行于以下条件下实施的干热处理:压力小于5bars(0.5MPa),温度高于350℃并低于合成矿物颗粒的降解温度,尤其在450℃和600℃之间的温度下,持续时间例如为在30分钟和24小时、尤其是在1到15小时之间。
B/-结构分析和特征
按照前面所揭露的方案所得到的滑石组合物的分析结果将在下面进行阐述。这些结果证实本发明能够有效地导致所形成的合成页硅酸盐矿物颗粒具有的结构特征(尤其是层数和结晶度)非常相似于天然滑石。还显示出,尤其通过选择实施的温度和持续时间,本发明能够以极其简单的方式合成具有所定义的并可预见的结晶大小和特征的、稳定且纯净的合成硅/锗-金属矿物颗粒。
分析的实施尤其是通过在红外范围的X射线衍射和通过电子显微镜的观察进行的。所采集的数据被列于附图和实施例中,并且在下文中进行讨论。
1/-在X射线衍射下的分析
在X射线衍射(RX)下,已知如来自ARNOLD矿(纽约州,美国)的滑石的天然滑石用于呈现如下特征衍射线(根据Ross M.、Smith W.L.和Ashton W.H.在1968年发表的《来自Gouverneur矿区的三斜晶系滑石和相关的角闪石,纽约;美国矿物学家》第53卷,751-769页):
-对于晶面(020),位于距离为的射线;
-对于晶面(003),位于距离为的射线;
图1到3示出了RX衍射图谱,其中根据以埃为单位的晶面间距离,在每个图谱上表示出了信号(以秒计数)的相对强度。
图1和2示出了在X射线衍射下实施的分析结果:
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶沉淀以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理3小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线1),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理6小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线2),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理18小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线3),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理24小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线4),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理10天而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线5)。
图3示出的分析结果为,在X射线衍射下,对根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理18小时而制备的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的分析结果(曲线3)、以及对同样的合成滑石组合物在500℃下实施5小时无水热之后得到的分析结果(曲线10)。
图1到3中表示的RX衍射图谱被记录在由INEL(Artenay,法国)公司出售的CPS129仪器中。这是能够在120°的角度范围内进行实时检测的曲线检测器衍射仪。所使用的加速电压为40kV,电流强度25毫安。给出结构等距的Bragg方程为:dhkl=0,89449/sinθ(使用钴阴极)。
通过X射线衍射的分析证实,在根据本发明制备的滑石组合物的页硅酸盐矿物颗粒和天然滑石颗粒之间存在显著的结构相似性。
更具体地,分别相应于晶面(003)和(060)的衍射线所处的位置与天然滑石的参考衍射线完全一致。
另外,对所制备的滑石组合物的RX衍射图谱的分析同样允许为每个滑石组合物确定它们的“相干域”,即在方向c*上没有严重断层的所堆叠基层的数量(合成矿物颗粒的晶格网络的倒易空间)。相干域可对射线(001)进行确定并且尤其依赖于相应射线半高处的宽度和相应的衍射角度。在合成滑石的情况下,更具体地自射线(003)测定该相干域。
来自辽宁省(中国)的一种天然滑石呈现出例如70层的相干域。
根据本发明的方法制备的滑石组合物所呈现的相干域与天然滑石的相干域相似且大于在可相比较的现有技术的水热处理温度和持续时间下制备的合成滑石的相干域。
对所制备的滑石组合物的RX衍射图谱的分析同样能够确定晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度的比值,且能够将其与天然滑石进行比较。对于来自辽宁省(中国)的天然滑石,晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度的比值为0.61。
2/-在近红外范围的分析
在红外范围,已知天然滑石在近红外范围呈现代表键Mg3-OH的振动的振动频带为7185cm-1。
图4和5示出了近红外范围的光谱,其中每一个表示根据以cm-1表达的信号波长的信号强度。图5示出以下组合物的近红外范围的光谱:
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理3小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线11),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理6小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线12),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理18小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线13),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶沉淀以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理24小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线14),
-根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理10天而制备的合成滑石化合物Si4Mg3O10(OH)2(曲线15),以及来自辽宁省(中国)的天然滑石化合物(曲线16)。
图4示出了根据本发明的方法通过在乙酸钠存在下沉淀硅-金属水凝胶以及在300℃的温度下对所述水凝胶进行水热处理18小时而制备的合成滑石组合物Si4Mg3O10(OH)2在近红外范围的光谱(曲线13),以及对同样的合成滑石组合物在500℃下实施无水热处理5小时之后得到的在近红外范围的光谱(曲线20)。
这些光谱是用NICOLET6700-FTI光谱仪在9000cm1到4000cm-1的范围内实施而获得的。
3/-显微镜观察结果和颗粒尺寸的评估
考虑到组成符合本发明的滑石组合物的粉末很细,通过扫描和场效应电子显微镜以及透射电子显微镜的观察来评估出组成所述粉末的页硅酸盐矿物颗粒的粒径大小和分布。
观察到基本颗粒的粒径在20nm和100nm之间变化。
另外还观察到,根据本发明的方法制备的合成滑石颗粒呈现出珠光效果,这可能会给很多工业领域带来利益。
接下来的实施例示意性地示出了根据本发明的制备方法以及包含由此得到的合成矿物颗粒的组合物、尤其是包含所得到的页硅酸盐矿物颗粒的滑石组合物的结构特征。
实施例1-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
制备包含42.43g的五水硅酸钠Na2SiO3,5H2O和140mL软化水的第一硅酸钠水溶液,并将该溶液在室温(21℃)下持续搅拌10分钟。然后在溶液中加入171g的三水合乙酸钠CH3-COONa.3H2O,全部借助水浴锅在30℃和50℃之间的温度下持续搅拌10分钟。在该第一溶液中的乙酸钠浓度为4mol/L。
接下来制备包含32.17g的四水合乙酸镁Mg(CH3-COO)2.4H2O和浓缩到1M的100mL乙酸的第二乙酸镁溶液。
最后,当硅酸钠和乙酸钠的第一溶液恢复到室温时,在搅拌下快速且一次性地将第二溶液加入到第一溶液中。
得到合成滑石颗粒的水凝胶前体的悬浮液,其为乳液稠度的水凝胶的形式。在水凝胶的沉淀结束时,水凝胶悬浮液中乙酸钠的浓度为4mol/L,以及随后的水热处理过程中的水凝胶悬浮液中的乙酸钠浓度为4mo1/L,以及接下来在接续的水热处理期间,直接对所得到的水凝胶进行水热处理。
在300℃的温度、以及80bars(8MPa)的压力(在反应器中水的饱和蒸气压)下对水凝胶执行水热处理3小时。
为达到此目的,将所得到的水凝胶悬浮液直接移入封闭的钛基反应器中。然后将该钛基反应器放置在温度为300℃的烘炉中3个小时。
在冷却到室温之后,打开反应器并对所得到的悬浮液进行离心处理。在离心处理之后,一方面回收滑石组合物,并另一方面回收包含尤其是乙酸钠的上清溶液,可回收和可选地再循环利用乙酸钠。
接下来对所回收的滑石组合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理。
最后在72个小时期间通过冷冻干燥对离心处理之后的所回收的滑石组合物进行干燥。
由此得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图表示于图1(曲线1)中。该滑石组合物的X射线衍射图呈现相应于滑石衍射线的衍射线,且更具体地如下特征衍射线:
-位于距离为(I=33)的晶面(002);
这种滑石组合物呈现12层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为1.49。
所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图5(曲线11)中。其示出了代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。在近红外范围内的光谱还呈现出根据本发明的合成滑石于5251cm-1处的特征振动频带,并相应于在层的边缘上与滑石相连接的水的存在。
实施例2-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
根据实施例1所描述的方案制备合成矿物颗粒的水凝胶前体。
在300℃的温度和80bars(8MPa)的压力(在反应器中水的饱和蒸气压)下对所得的水凝胶直接进行水热处理6小时。在水热处理期间乙酸钠的浓度为4mol/L。
接下来对所回收的滑石组合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理,并最后在72个小时期间通过冷冻干燥进行干燥处理。
由此得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图谱表示于图1(曲线2)中。
该滑石组合物的X射线衍射图谱呈现出相应于滑石衍射线的衍射线,并更具体地如下特征衍射线:
-位于距离为(I=18)的晶面(060)。
这种滑石组合物呈现19层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为1.06。
所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图5(曲线12)中。其示出了代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。在近红外范围内的光谱还呈现出根据本发明的合成滑石于5251cm-1处的特征振动频带,并相应于在层的边缘上与滑石相连接的水的存在。
实施例3-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
根据实施例1所描述的方案制备合成矿物颗粒的水凝胶前体。
在300℃的温度和80bars(8MPa)的压力(在反应器中水的饱和蒸气压)下对所得的水凝胶直接进行水热处理18小时。在水热处理期间乙酸钠的浓度为4mol/L。
接下来对所回收的滑石组合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理并最后在72个小时期间通过冷冻干燥进行干燥处理。
由此得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图谱表示于图1(曲线3)中。
该滑石化合物的X射线衍射图谱呈现相应于滑石衍射线的衍射线,并更具体地如下特征衍射线:
-位于距离为(I=100)的晶面(003);
-位于距离为(I=5)的晶面(060)。
所给出的相应射线的强度I是相对于衍射图的最强射线进行了标准化的,其中最强射线的强度被认为等于100。观察到根据本发明的方法制备的这种组合物在X射线衍射上呈现出对于其它射线有很大强度的相应于晶面(001)和(03)的射线,结晶的指标很接近天然滑石。另外,相应于晶面(002)的射线呈现的强度大于相应于晶面(020)的射线,晶面(020)的特征衍射线与晶面(002)的特征射线部分重合且仅以略有肩部的形式呈现。
这种滑石组合物呈现25层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为0.96。所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图4和5(曲线13)中。其示出了代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。在近红外范围内的光谱还呈现出根据本发明的合成滑石于5251cm-1处的特征振动频带,并相应于在层的边缘上与滑石相连接的水的存在。
实施例4-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
在550℃的温度和5个小时期间对在实施例3中得到的滑石进行无水热处理或“退火”处理。
由此在退火处理之后得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物通过X射线衍射和在近红外范围的分析进行表征。
所得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图表示于图3(曲线10)中。
该滑石组合物的X射线衍射图呈现相应于滑石衍射线的衍射线,并更具体地如下特征衍射线:
-位于距离为(I=98)的晶面(001);
所给出的相应射线的强度I是相对于衍射图的最强射线进行标准化的,其中最强射线的强度被认为等于100。
相对于退火之前的合成滑石的X射线的衍射图,观察到射线(002)的强度相对于射线(020)的强度所有增加,从而射线(020)与晶面(002)的特征衍射线重合。同样观察到射线(001)、(002)和(003)的强度增加,即,较通常地,为射线(001)的强度。因此这种退火能够再次增加所制备的合成滑石的结晶,从而其结构特征更接近天然滑石的结构特征。
在退火之后,这种滑石化合物呈现28层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为0.98。
所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图4(曲线20)中。退火之后所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱呈现代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。该振动带的强度在退火之前相对于合成滑石在近红外范围的光谱所有增加,这证明了所得到的合成滑石的结晶的增加。同样观察到,相对于热处理之前的合成滑石的曲线13,相应于在层的边缘上与滑石连接的水的存在的振动频带(位于5273cm-1)的强度所有降低,揭示出退火时滑石在层的边缘上连接的水分子数量减少。
实施例5-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
根据实施例1所描述的方案制备合成矿物颗粒的水凝胶前体。
在300℃的温度和80bars(8MPa)的压力(在反应器中水的饱和蒸气压)下对所得的水凝胶直接进行水热处理24小时。在水热处理期间乙酸钠的浓度为4mol/L。
接下来对所回收的滑石组合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理,并最后在72个小时期间通过冷冻干燥进行干燥处理。
由此得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图谱表示于图1(曲线4)中。
该滑石组合物的X射线衍射图谱呈现相应于滑石衍射线的衍射线,并更具体地如下特征衍射线:
观察到,相应于晶面(002)的射线呈现的强度大于相应于晶面(020)的射线,晶面(020)的特征衍射线与晶面(002)的特征射线部分重合且仅以略有肩部的形式呈现。
这种滑石组合物呈现24层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为0.96。
所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图4和5(曲线14)中。其示出了代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。在近红外范围内的光谱还呈现出根据本发明的合成滑石于5251cm-1处的特征振动频带,并相应于在层的边缘上与滑石相连接的水的存在。
实施例6-包含根据本发明的合成矿物颗粒的组合物的制备
根据实施例1所描述的方案制备合成矿物颗粒的水凝胶前体。
在300℃的温度和80bars(8MPa)的压力(在反应器中水的饱和蒸气压)下对所得的水凝胶直接进行水热处理10天。在水热处理期间乙酸钠的浓度为4mol/L。
接下来对所回收的滑石组合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理并最后在72个小时期间通过冷冻干燥进行干燥处理。
接下来对所回收的滑石化合物在软化水中进行两个连续周期的洗涤和离心处理并最后在72个小时期间通过冷冻干燥进行干燥处理。
由此得到的化学式为Si4Mg3O10(OH)2的合成滑石组合物的X射线衍射图谱表示于图1(曲线5)中。
该滑石组合物的X射线衍射图谱呈现相应于滑石衍射线的衍射线,并更具体地如下特征衍射线:
观察到,相应于晶面(002)的射线呈现的强度大于相应于晶面(020)的射线,晶面(020)的特征衍射线与晶面(002)的特征衍射线重合且难以相互区分。
这种滑石组合物呈现34层的相干域(使用射线(003))。晶面(001)的特征衍射线的强度与晶面(003)的特征衍射线的强度之间的比值为0.81。
所得到的合成滑石组合物在近红外范围的光谱表示于图5(曲线15)中。其示出了代表滑石的键Mg3-OH振动的于7185cm-1处的振动频带。在近红外范围内的光谱还呈现出根据本发明的合成滑石于5251cm-1处的特征振动频带,并相应于在层的边缘上与滑石相连接的水的存在。
还注意到,水热处理的持续时间增加得越多(与无水热处理相同),所得到的合成滑石组合物越接近天然滑石,更具体地,指相干域的值以及晶面(001)的RX特征衍射线的强度与晶面(003)的RX特征衍射线的强度的比值(用于相同的水凝胶前体和恒水热处理的温度)。
还可注意到,根据本发明的不同合成滑石的近红外光谱非常接近天然滑石的近红外光谱(图5,曲线16),除了对于天然滑石在5000cm-1和5500cm-1之间的振动频带,其强度对于根据本发明的合成滑石来说不是很大。
本发明可用于许多其它的应用,并且相对于上面描述的实施方式和实施例可作出各种变化形式。更具体地,所述滑石组合物可包含的页硅酸盐矿物颗粒中的不同金属位于八面体的位置上,如在(SiXGe1-x)4M3O11,n′H2O中,M代表化学式(Co0.5Ni0.5)。
Claims (16)
1.一种制备包含合成矿物颗粒的组合物的方法,其中通过如下化合物之间的共沉淀反应来制备所述合成矿物颗粒的水凝胶前体:
-至少一种包含硅的化合物,和
-至少一种包含至少一种金属元素的化合物,
其特征在于,所述共沉淀反应是在至少一种化学式为R2-COOM′的羧酸盐存在下发生的,其中:
-M′代表选自Na和K的金属,和
-R2选自H和具有少于5个碳原子的烷基基团。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述包含至少一种金属元素的化合物为化学式M(R1COO)2的二羧酸盐,其中:
-R1选自H和具有少于5个碳原子的烷基基团,和,
-M代表式Mgy(1)Coy(2)Zny(3)Cuy(4)Mny(5)Fey(6)Niy(7)Cry(8)的至少一种二价金属;每个y(i)代表一个区间[0;1]的实数,且使
3.根据权利要求1或2其中一项所述的方法,其特征在于,接下来对所述水凝胶进行水热处理,以得到所述合成矿物颗粒。
4.根据权利要求1到3其中一项所述的方法,其特征在于,直接在所述水凝胶前体的共沉淀介质中进行水热处理。
5.根据权利要求1到4其中一项所述的方法,其特征在于,基团R1和R2选自CH3-、CH3-CH2-和CH3-CH2-CH2-。
6.根据权利要求1到5其中一项所述的方法,其特征在于,所述基团R1和R2是相同的。
7.根据权利要求1到6其中一项所述的方法,其特征在于,使用硅酸钠作为所述包含硅的化合物。
8.根据权利要求1到7其中一项所述的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒是硅酸盐矿物颗粒。
9.根据权利要求1到8其中一项所述的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒是页硅酸盐矿物颗粒。
10.根据权利要求1到9其中一项所述的方法,其特征在于,所述合成矿物颗粒的水凝胶前体是化学式为(SixGe1-x)4M3O11,n′H2O的硅/锗-金属水凝胶,其中:
-X为在区间[0;1]的实数,
-n′是关联于与所述硅/锗-金属水凝胶相关联的一定数量的水分子。
11.根据权利要求1到10其中一项所述的方法,其特征在于,化学式为R2-COOM′的羧酸盐按照相对于硅的摩尔比R2-COOM′/Si在0.1和9之间存在。
12.根据权利要求3到11其中一项所述的方法,其特征在于,执行所述水热处理的温度在150℃和400℃之间。
13.根据权利要求3到12其中一项所述的方法,其特征在于,执行所述水热处理的压力在5bars和200bars之间。
16.根据权利要求14或15其中一项所述的组合物,其特征在于,所述组合物呈现有在近红外范围中位于5000cm-1和5500cm-1之间的振动频带,相应于与层边缘相连的水的存在。
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