CN1856549A - 以圆形、椭圆形、线形和分枝形状存在的氧化锌粉末聚集体 - Google Patents
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Abstract
本发明了公开了具有BET表面积从10至200m2/g的以聚集体形式的热解制备的氧化锌粉末,所述聚集体由具有不同形态的颗粒组成,其中0-10%的聚集体是圆形、30-50%是椭圆形、30-50%是线形和20-30%是分枝形状。通过使包含锌蒸气、可燃气体和水蒸汽或水蒸汽与二氧化碳的混合物的起始混合物在氧化区与含氧气体在火焰中反应、在骤冷区冷却热的反应混合物并且从气流中分离固态材料来制备所述氧化锌粉末,其中所述氧化区中的氧气的量大于所述可燃气体和所述锌蒸气完全氧化所需的量。所述氧化锌粉末可以用作防护紫外辐射的防晒组合物的成分。
Description
技术领域
本发明涉及氧化锌粉末及其制备和用途。
发明背景
氧化锌粉末用于油墨、表面涂层、树脂和纤维中。在化妆品领域,特别是作为防晒制剂的成分,使用氧化锌粉末是一个重要的方面。
原理上合成氧化锌粉末有两种可能的工艺:湿化学方法和气相方法。通常,在湿化学方法中用作原材料的锌化合物是通过加热可以转化成氧化锌的化合物,例如氢氧化锌、草酸锌或碳酸锌。湿化学方法通常具有氧化锌颗粒产生附聚物,形成更大的单元的缺点,这尤其在化妆品应用中不可取。另外,不能从最终产品中去除或者极难去除来自于合成过程和原材料的杂质。
该方法通常分段进行,包括过滤、干燥和任选地研磨颗粒,其成本相对较高。
气相方法或者热解制备方法提供了更廉价的过程。它们包括法式和美式方法,据此可以大规模生产氧化锌。
在这两种方法中,都进行锌蒸气的氧化。这些方法的缺点是形成初级粒子的大的聚集体并且BET表面积低。
现有技术描述了气相合成的各种可能途径,以实现更高的BET表面积、更好的透明度和更高的防紫外线能力。最终,所有这些尝试的共同特点是进行锌蒸气的氧化。
JP 56-120518描述了使用空气或氧气氧化锌蒸气,其中形成未聚集的针状氧化锌颗粒。但通常难以将这种颗粒加入到防晒制剂中。
US 6,335,002描述了使用空气或氧气氧化锌蒸气。通过改变工艺参数,可以形成形状主要为各向同性的并且聚集程度低的氧化锌初级粒子。在根据US 6,335,002之发明的实施例中,聚集体直径从0.47至0.55微米。氧化锌粉末的BET表面积从10至200m2/g并且夯实密度(tamped density)从4至40ml/g。
在包含氧气和蒸汽的氧化气体气氛中进行锌蒸气的氧化。这种气氛还可以通过燃烧含氧气体与氢气或丙烷来产生,其中使用过量的氧气。分别通过喷嘴将锌蒸气和氧气/蒸汽混合物注入发生氧化的反应器中。
总之,如同在US 5,441,226中所列,不论制备方法如何,现有技术提供了针状、球状、四面体、棒状和短纤维状的多种形式的氧化锌。
现有技术表明了对氧化锌的极大兴趣,特别是其用于防晒制剂中作为紫外线防护方面。
发明内容
本发明的目的是提供避免现有技术缺点的氧化锌粉末。具体地说,本发明的氧化锌粉末应该表现出高的透明度,同时提供良好的紫外线防护作用。而且,其还应该容易地被加入至分散体中。本发明的另一个目的是提供这种氧化锌粉末的制备方法。本发明提供了BET表面积从10至200m2/g的热解制备的氧化锌粉末,其特征在于:
-该氧化锌粉末是聚集体的形式,
-所述聚集体由具有不同形态的颗粒组成,并且
-0-10%的聚集体是圆形,
-30-50%的聚集体是椭圆形,
-30-50%的聚集体是线形,
-20-30%的聚集体是分枝形状。
在本发明的范围内,颗粒应该被理解为在热解制备过程中最初形成的颗粒。它们在反应期间结合在一起,形成烧结的表面,从而形成聚集体。重要的是该聚集体由具有不同形态的颗粒组成。根据定义,聚集体由相同或大致相同的初级粒子组成(DIN 53206)。
而根据本发明的氧化锌粉末包含由不同形态的颗粒组成的聚集体,因此不能称为初级粒子。形态应理解为意指各向同性和各向异性的颗粒。举例来说,可以有球形或基本上球形的颗粒、灯泡状颗粒、棒状颗粒或针状颗粒。重要的是聚集体由不同的颗粒组成,并且颗粒通过烧结的表面结合在一起。
根据本发明的粉末的BET表面积可以从20至60m2/g。
根据本发明的氧化锌粉末聚集体是圆形、椭圆形、线形和分枝形状的。图1a-c显示了根据本发明的氧化锌粉末的椭圆形、线形和分枝形状聚集体。
优选的氧化锌粉末包含大约等量的从30至40%的椭圆形和线形形状,以及更少量的从20至25%的分枝形状和从2至6%的圆形形状。图2显示根据本发明的粉末的TEM图像,并且图3a-d分别显示粉末的线形、分枝、椭圆形和圆形聚集体。
根据本发明的氧化锌粉末还具有根据DIN ISO 787/11测定的至少为150克/升的夯实密度。从250至350克/升的夯实密度是特别优选的。
根据本发明的氧化锌粉末还可以由如下聚集体组成,其具有的平均投影聚集体表面积(mean projected aggregate surface area)小于10,000平方纳米、等圆直径(equivalent circle diameter)(ECD)小于100纳米并且平均周长小于600纳米。这些值可以由对大约1000至2000个聚集体的TEM图像的图像分析获得。
特别优选的氧化锌粉末具有的平均投影聚集体表面积从2000至8000平方纳米、等圆直径(ECD)从25至80纳米并且平均周长从200至550纳米。
特别是当将氧化锌粉末用于化妆品和药物制剂中时,重要的是使有害的杂质最少。这些杂质尤其是包括铅、镉、砷、铁、锑和汞。
分别基于氧化锌,根据本发明的氧化锌粉末可以包含的铅的含量不超过20ppm、砷不超过3ppm、镉不超过15ppm、铁不超过200ppm、锑不超过1ppm和汞不超过1ppm。
本发明进一步提供了根据本发明的氧化锌粉末的制备方法,所述方法的特征在于:
-使包含锌蒸气、可燃气体和该可燃气体与含氧气体的氧化反应产物的起始混合物
-在氧化区与含氧气体在火焰中反应,
-在骤冷区冷却该热的反应混合物并且从气流中分离固态材料,
-所述氧化区中的氧气含量大于所述可燃气体和锌蒸气完全氧化所需的量。
对提供锌蒸气的方式没有限制。例如,可以在蒸发器中蒸发当经受热处理时产生锌的锌粉或其它的锌化合物,并且通过惰性气体流加入到包含起始混合物的设备中。起始混合物还包含可燃气体,其可以是氢气、甲烷、乙烷或丙烷、或其混合物,氢气是优选的。起始混合物中还存在水蒸汽和/或二氧化碳,其为可燃气体燃烧的反应产物。起始混合物优选包含水蒸汽。
锌蒸气、可燃气体和水蒸汽或水蒸汽/二氧化碳的混合物,以及其它的惰性气体(例如氮气)被输送到氧化区,在氧化区与氧化区中的含氧气体在火焰中反应。该氧化区中的氧气含量大于所述可燃气体和锌蒸气完全氧化所需的量。在该氧化区中,根据反应式1的所述可燃气体,例如氢气的氧化和根据反应式2的锌蒸气的氧化平行发生。
反应式1:
反应式2:
图4以图式的方式表示了根据本发明的方法的顺序。在图中:A=起始混合物;B=氧化区;C=骤冷区;D=固态材料的分离;1=锌蒸气;2=可燃气体;3=水或水/二氧化碳;4=氧化空气;5=骤冷空气。尽管在氧化区中可燃气体的氧化形成水,但是已经发现在起始混合物中存在水和/或二氧化碳对于形成根据本发明的氧化锌颗粒是必要的。水是优选的。举例来说,水和/或二氧化碳可以由使用氧气的可燃气体的氧化形成。
水与锌蒸气的摩尔比优选从15∶1至35∶1,并且特别优选从20∶1至30∶1。
如果起始混合物中可燃气体与锌蒸气的摩尔比从5∶1至25∶1也是有利的。从10∶1至20∶1的比例是特别有利的。
当起始混合物进入氧化区中时,氧气与可燃气体的摩尔比从3∶1至20∶1是有利的。从6∶1至15∶1的比例是特别有利的。
当起始混合物进入氧化区中时,氧气与锌蒸气的摩尔比从5∶1至30∶1也是有利的。从10∶1至20∶1的比例是特别有利的。
起始混合物的温度可以从920℃至1250℃。
在根据本发明方法的优选实施方式中,通过中央放置的管道中的惰性气体流以及布置在中央放置的管道周围的火焰蒸发锌粉,可以在还原蒸发区中获得锌蒸气,其中火焰通过可燃气体和含氧气体的反应产生,可燃气体相对于含氧气体的氧气含量以化学计量过量存在。
在本发明方法特别优选的实施方式中,调节中央放置的管道,避免与火焰接触。本发明范围内的还原蒸发区被理解为以缺氧气氛为主导的区域。这就防止锌粉在蒸发前就被氧化。
还原蒸发区中可燃气体与含氧气体的氧气含量的摩尔比优选从1.5∶1至3.5∶1并且特别优选从2∶1至2.5∶1。
本发明提供了根据本发明的氧化锌粉末的另一种制备方法,所述方法的特征在于:
-锌粉在反应器内蒸发并且被氧化成氧化锌,其中
在还原蒸发区中,在惰性气体流的辅助下,将锌粉计量地加入中央放置的管道中,该管道伸入反应器的蒸发区,
-通过布置在外部的火焰蒸发锌粉,所述火焰由可燃气体与含氧气体反应产生,
-在同心围绕中央管道的管道中供应所述可燃气体和含氧气体,并且
-中央放置的管道比同心围绕其的管道长,并且
-相对于含氧气体的氧气含量存在化学计量过量的可燃气体,
-然后将以含氧气体形式的过量的氧气从还原蒸发区加入气流中,从而在氧化区中完全氧化来自蒸发区的过量的可燃气体和锌蒸气,
-然后在骤冷区中冷却热的反应混合物并且从气流中分离固态材料。
图5以图式的方式表示了实施本发明方法的设备。在该图中A=还原蒸发区;B=氧化区;C=骤冷区;1=锌粉+惰性气体;2=可燃气体,优选是氢气;3=空气;4=氧化空气;5=骤冷空气。
根据本发明的方法可以优选以如下方式进行,还原蒸发区中可燃气体与含氧气体之氧气含量的摩尔比从1.5∶1至3.5∶1。所述比例特别优选从2∶1至2.5∶1。
进入氧化区中时氧气与可燃气体的摩尔比从3∶1至20∶1是优选的,并且特别优选从6∶1至15∶1。
进入氧化区中时氧气与锌蒸气的摩尔比从5∶1至30∶1是有利的。从10∶1至20∶1的比例是特别有利的。
为了实现高纯度的氧化锌粉末,使用高纯度的锌粉作为原材料是有利的。
高纯度被理解为意指至少99%的纯度,在特殊要求情形中为至少99.9%的纯度。在特别是用于化妆品或制药用途的氧化锌粉末的情况中,应该注意铅(不超过20ppm)、砷(不超过3ppm)、镉(不超过15ppm)、铁(不超过200ppm)、锑(不超过1ppm)和汞(不超过1ppm)的量。
在根据本发明的方法中,进入氧化区时待氧化的混合物的温度优选从920℃至1250℃。
限制反应混合物在氧化区中的停留时间从5毫秒至200毫秒也是有利的,从10毫秒至30毫秒的范围是特别有利的。
在加入骤冷空气前骤冷区中的温度优选从600℃至850℃,并且骤冷区中的冷却速率可以从1000开尔文/秒至50,000开尔文/秒。
本发明还涉及根据本发明的氧化锌粉末的用途,其作为防护紫外辐射的防晒组合物的成分、作为硫化助剂、在塑料和表面涂层中作为紫外吸收剂、在塑料或塑料单体的固化或聚合中作为交联剂或催化剂、用于合成树脂中、在药物和化妆品制剂中作为抗真菌或抗菌添加剂、用于制备陶瓷中、作为催化剂或催化剂载体。
实施例
分析方法
根据DIN 66131测定BET表面积。使用Hitachi TEM装置(型号H-75000-2)获得TEM图像。通过TEM装置的CCD照相机和随后的图像分析,评价大约1000至2000个聚集体。根据ASTM 3849-89定义参数。根据文献Herd等,Rubber,Chem.Technol.66(1993)491对圆形、椭圆形、线形和分枝形状的聚集体进行分析。
根据DIN ISO 787/11测定夯实密度。
实施例1
根据图4在反应器中进行实施例1。
通过氮气流(4.2Nm3/h)将锌粉(510g/h)输送入其中燃烧氢气/空气火焰(氢气:4.0Nm3/h,空气:8.0Nm3/h)的还原蒸发区中。由此蒸发锌粉。
包括锌蒸气、氢气、氮气和水的反应混合物注入氧化区中,向其中加入20Nm3/h的空气。
加入氧化空气前的温度T1是956℃。然后,加入10Nm3/h的骤冷空气。加入骤冷空气前的温度T2是648℃。通过过滤从气流中分离所得到的氧化锌粉末。
与实施例1类似地进行实施例2至4。工艺参数如表1所示。
实施例5(对比例)
通过氮气流(1.5Nm3/h)将锌粉(250g/h)输送入其中燃烧氢气/空气的火焰(氢气:4.25Nm3/h,空气:8.40Nm3/h)的蒸发区中。由此蒸发锌粉。
然后,通过计量地添加1Nm3/h的氮气在成核区(nucleation zone)将包括锌蒸气、氢气、氮气和水的反应混合物冷却至850℃的温度。然后加入5m3/h的氧化空气和34Nm3/h的骤冷空气,反应温度降至低于400℃的温度。通过过滤从气流中分离所得到的氧化锌粉末。
实施例5可以参见2002年3月22日申请号为DE 10212680的专利申请。
实施例6(对比例)是从Nanophase,NanoTek®Zinc Oxide 99+%处商购获得的氧化锌粉末。
实施例1至4的氧化锌粉末的制备工艺参数如表1所示。实施例1至6的氧化锌粉末的物理化学数据如表2所示。
表2表明根据本发明的实施例1至4的粉末表现出所声称分布的聚集体,其分布形成圆形、线形、分枝和椭圆形态。对比例5和6未表现出这种分布。
根据本发明的实施例1至4的粉末的等圆直径小于100纳米,平均聚集体周长小于600纳米,并且平均聚集体表面积小于7500平方纳米。
图3a-d分别表示了实施例3的粉末的线形、分枝、椭圆形和圆形聚集体。
根据本发明的粉末可以容易地加入至防晒制剂中,并且表现出高的透明度和高的紫外线防护能力。
表1:ZnO制备的工艺参数
实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
还原蒸发区 | |||||
Zn粉 | g/hmol/h | 5107.80 | 5007.65 | 5207.95 | 2503.82 |
H2 | Nm3/hmol/h | 4.0178.45 | 4.0178.45 | 5.0223.06 | 4.0178.45 |
空气 | Nm3/hmol O2/h | 8.074.95 | 6.849.65 | 10.093.69 | 8.074.95 |
来自H2+O2的H2O | mol/h | 178.45 | 178.45 | 223.06 | 178.45 |
载气N2 | Nm3/hmol/h | 4.2187.37 | 4.20187.37 | 4.2187.37 | 5.0223.11 |
过量的H2 | mol/h | 28.55 | 51.04 | 35.69 | 28.55 |
H2/O2 | 2.38 | 2.80 | 2.38 | 2.38 | |
H2/Zn | 13.27 | 15.00 | 16.26 | 27.06 | |
H2O/Zn | 22.87 | 23.33 | 28.04 | 46.66 | |
温度T1* | ℃ | 956 | 980 | 1000 | 1060 |
氧化区 | |||||
空气 | Nm3/hmol O2/h | 20.0187.37 | 16.0149.90 | 15.0140.53 | 25.0233.82 |
O2/H2 ** | 13.13 | 5.87 | 7.88 | 16.41 | |
O2/Zn** | 24.02 | 19.60 | 17.67 | 61.24 | |
T2* | ℃ | 648 | 718 | 746 | 758 |
骤冷区 | |||||
空气 | Nm3/hmol/h | 10.093.69 | 24.0224.85 | 22.0206.11 | 22.0206.11 |
*T1:表示刚进入氧化区前的反应混合物的温度;
T2:刚加入骤冷空气前的反应混合物的温度;
**O2/H2:H2氧化所需的化学计量量;
O2/Zn:Zn氧化所需的化学计量量;
表2:氧化锌粉末的物理化学数据
根据本发明的实施例 | 对比例 | ||||||
实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
BET表面积 | m2/g | 27 | 25 | 25 | 75 | 20 | 16 |
聚集体数量 | 1877 | 1477 | 1147 | 2055 | 1466 | 1237 | |
聚集体的比例圆形椭圆形线形分枝形状 | % | 4373623 | 3363724 | 5363425 | 9442621 | 7542316 | 10522319 |
平均聚集体表面积 | nm2 | 4941 | 6835 | 7450 | 2470 | 15762 | 25360 |
聚集体等圆直径 | nm | 66 | 75 | 82 | 33 | 133 | 146 |
平均聚集体周长 | nm | 445 | 497 | 526 | 222 | 759 | 790 |
夯实密度 | g/l | 316 | 224 | 235 | 210 | n.d. | n.d. |
*n.d.=未检测;
Claims (8)
1.具有BET表面积从10至200m2/g的热解制备的氧化锌粉末,其特征在于:
-所述氧化锌粉末为聚集体的形式,
-所述聚集体由具有不同形态的颗粒组成,并且
-0-10%的聚集体是圆形,
-30-50%的聚集体是椭圆形,
-30-50%的聚集体是线形,
-20-30%的聚集体是分枝形状。
2.根据权利要求1所述的热解制备的氧化锌粉末,其特征在于根据DIN ISO 787/11测定的夯实密度至少为150克/升。
3.根据权利要求1或2所述的热解制备的氧化锌粉末,其特征在于所述聚集体具有:
-小于10,000平方纳米的平均投影聚集体表面积,
-小于100纳米的等圆直径(ECD),及
-小于600纳米的平均周长。
4.根据权利要求1至3所述的热解制备的氧化锌粉末,其特征在于铅的含量不大于20ppm、砷的含量不大于3ppm、镉的含量不大于15ppm、铁的含量不大于200ppm、锑的含量不大于1ppm并且汞的含量不大于1ppm。
5.如权利要求1至4所述的氧化锌粉末的制备方法,其特征在于
-使包含锌蒸气、可燃气体和水蒸汽或水蒸汽与二氧化碳的混合物的起始混合物
-在氧化区与含氧气体在火焰中反应,
-在骤冷区冷却该热的反应混合物并且从气流中分离固态材料,
-所述氧化区中的氧气的量大于所述可燃气体和所述锌蒸气完全氧化所需的量。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于通过中央放置的管道中的惰性气体流以及布置在外部的火焰蒸发锌粉从而在还原蒸发区中获得所述锌蒸气,其中所述火焰通过可燃气体和含氧气体的反应产生,所述可燃气体相对于所述含氧气体的氧气含量以化学计量过量存在。
7.根据权利要求1至4所述的氧化锌粉末的制备方法,其特征在于在反应器内部进行锌粉的蒸发和氧化成氧化锌,其中
-在还原蒸发区中,通过围绕中央放置的管道的火焰将锌粉计量地加入该中央放置的管道中,其中所述火焰通过可燃气体和含氧气体的反应产生,
-所述可燃气体和所述含氧气体由同心地围绕所述中央管道的单独的管提供,并且
-相对于所述含氧气体的氧气含量,所述可燃气体以化学计量过量存在,
-然后将以含氧气体形式的过量的氧气从所述还原蒸发区中加入气流中,从而在氧化区中完全氧化来自所述蒸发区的过量可燃气体和锌蒸气,
-然后在骤冷区中冷却该热的反应混合物并且从所述气流中分离固态材料。
8.根据权利要求1至4所述的热解制备的氧化锌粉末的用途,其用作防护紫外辐射的防晒组合物的成分、用作硫化助剂、在塑料和表面涂层中用作紫外吸收剂、在塑料或塑料单体的固化或聚合中用作交联剂或催化剂、用于合成树脂中、在药物和化妆品制剂中用作抗真菌或抗菌添加剂、用于陶瓷的制备、用作催化剂或催化剂载体。
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