CZ2011100A3

CZ2011100A3 - Zpusob úpravy povrchu nanocástic vodných disperzních systému pro nanásení organických hydrofobních vrstev s pouzitím azeotropické destilace

Info

Publication number: CZ2011100A3
Application number: CZ20110100A
Authority: CZ
Inventors: Ptácek@Petr; Opravil@Tomás; Soukal@Frantisek; Havlica@Jaromír
Original assignee: Vysoké ucení technické v Brne
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2013-04-03
Also published as: CZ307690B6

Abstract

Zpusob úpravy povrchu nanocástic disperzních systému na bázi anorganického oxidu pro nanásení organických vrstev s vyuzitím procesu výmeny rozpoustedla vodných disperzních systému za organické prostredí azeotropickou destilací. Takto upravený systém umoznuje rízenou modifikaci povrchu nanocástic hydrofobní vrstvou.

Description

Způsob úpravy povrchu nanočástic vodných disperzních systémů pro nanášení organických hydrofobních vrstev s použitím azeotropické destilace

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu úpravy povrchu nanočástic anorganického oxidu vodných disperzních systémů zahrnujícího proces výměny vodného rozpouštědla nanočástic anorganického oxidu za organické rozpouštědlo, který se provede azeotropickou destilací. Takto upravený systém umožňuje řízenou modifikaci povrchu hydrofobní vrstvou.

Dosavadní stav techniky

Výroba senzorů, selektivních membrán, speciálních filtrů, nosičů katalyzátorů na bázi oxidu křemičitého, hlinitého nebo zirkoničitého v prvním kroku vyžaduje přípravu časově a teplotně stabilních a chemicky odolných substrátu s relativně velkým povrchem a úzkým rozdělením velikostí pórů a s možnostmi nanášení dalších látek, které jsou důležité z hlediska technické aplikace. V dalším kroku se provádí vlastní nanášení aktivních látek, jejichž charakter často vyžaduje, aby nanášení probíhalo v režimu normálních nebo alespoň ne příliš vysokých teplot.

Zatímco první krok si často vyžaduje režim vyšších teplot, ve druhém kroku je potřebné se naopak zvýšené teplotě vyhnout. Z ekonomických i technických důvodů a také z hlediska homogenity při zachování relativně velkého povrchu je výhodné, aby proces formování substrátu probíhal za relativně nízkých teplot, kdy může být nanesena vrstva aktivních látek dříve, než dojde k uzavření otevřených pórů substrátu. Takové podmínky je možné dosáhnout nanášením látky na povrch zpevněných koloidních částic, který je ošetřen tak, že je schopen přijmout funkční skupiny této látky anebo je možné tyto látky nanést přímo na povrch oddělených koloidních částic a následně provést zpevnění systému při teplotách, které nevedou k degradaci nanášené látky.

V současné době se používají jako substráty čisté přírodní nebo syntetické materiály, které vždy nesplňují všechny požadavky na čistotu, povrch a podobně, nebo jejich cena je ,μ · * · · e · · « * · • » · < * t ř * ···· ·· ·· ···♦ «·· ··<

příliš vysoká. Využívá se také možnost náhrady těchto kompaktních substrátů uspořádanou soustavou vláken, nebo se využívají různé typy vat, textilií apod.

V mnoha případech je substrát spolu s aplikovanou vrstvou vystaven nejen tepelnému, ale také mechanickému namáhání. Je tedy nutné použít kompaktní systém. Pro získání takových materiálů se proto vychází z amorfních soustav, které se připraví například metodou sol-gel. Sol-gel metoda nalezla rozsáhlé uplatnění v mnoha oblastech výzkumu a vývoje nových typů materiálů. Technika umožňuje přípravu zcela nových struktur, které nemohou být syntetizovány s použitím jiných metod. Bývá také často hodnocena jako ideální cesta pro přípravu hybridních organicko-anorganických kompozitů, v nichž je organický materiál ukotven do anorganické matrice. Příprava kompozitu sol-gel metodou je výhodná zejména proto, že se v jejím průběhu nedosahuje teploty rozkladu organických molekul [i] a nedochází k pyrolýze organické (polymemí) sítě v průběhu sušení a slinování [ii].

Složení sloučenin, které jsou v přípravě těchto materiálů běžně používány, lze například pro alkoxidové prekurzory prvního typu vystihnout obecným vzorcem

Λ (4-_x)Si(OR)_x, kde R = CH3, C2H5, R = CH3, C2H5, a x nabývá hodnot od 1 do 3. Nezanedbatelnou výhodou tohoto postupu je možnost syntézy homogenního produktu s minimálním obsahem příměsí (obsah nečistot < 10 ⁷ % [iii]), jejichž zastoupení je tak limitováno pouze čistotou použitých prekurzorů [iv].

V současné době se technika sol - gel opírá o procesy hydrolýzy a kondenzace alkoxidových prekurzorů (typ I. až IV.). Příprava těchto látek patří mezi energeticky a časové náročné operace, což neumožňuje masivnější využívání postupu v požadovaných technologiích.

Dosud používané alkoxidové nebo semi-alkoxidové metody přípravy disperzních systému řízených povrchových vlastností jsou vhodné pro výrobu v laboratorním měřítku s pozitivním aspektem vysoké čistoty produktů, která však v některých oblastech není požadovaná a výroba tímto způsobem v průmyslovém měřítku není možná kvůli vysoké ceně vstupních surovin.

Existuje řada produktů průmyslových technologií, kde obsah anorganických příměsí v disperzním systému je relativně nízký nebo existují propracované způsoby jak obsah snížit se stabilizací povrchu koloidních částic náhradou nábojové stabilizace organickými skupinami, kdy povrchová struktura získává hydrofobní charakter. Praxe vyžaduje nalezení způsobu přípravy disperzních systémů stabilních v nevodném prostředí, který by byl současně vhodný pro průmyslové postupy ve velkém měřítku.

·«··** · · · _s * í · * S 5 * ···· ·· ·· ···♦ ··· ··<

Podstata vynálezu

Výše uvedený požadavek řeší způsob přípravy disperzních systémů stabilních v nevodném prostředí podle vynálezu.

Vynález se týká způsobu úpravy povrchu nanočástic anorganického oxidu vodných disperzních systémů pro nanášení organických vrstev zahrnujícího proces výměny vodného rozpouštědla nanočástic anorganického oxidu za organické rozpouštědlo, který se provede azeotropickou destilací výchozí směsi obsahující vodné rozpouštědlo disperzního systému nanočástic a organické rozpouštědlo schopné tvořit s vodným rozpouštědlem azeotropní směs s minimem bodu varu, přičemž množství organického rozpouštědla výchozí směsi je větší než množství organického rozpouštědla v azeotropní směsi.

Azeotropní směs muže podle výhodného provedení obsahovat další organická rozpouštědla.

Disperzní systém se způsobem podle vynálezu odvodní a je-li tomu třeba také zbaví přídavku pomocných látek azeotropickou destilací. V takto upraveném systému lze vodné rozpouštědlo buď kompletně nahradit organickým nebo významně snížit jeho množství a v průběhu povrchové úpravy udržovat koncentraci vody na úrovni, která umožní řízenou modifikaci povrchu částic disperzního systému hydro-solu nebo suspenze hydrofobní anebo jinou funkční vrstvou.

Reference

[i] T. Nakagawa, M. Soga, Journal of Non-Cristalline Solids 260 (1999), 167- 174.

[ii] K.-H. Haas, H. Wolter, Current Opinion in Solid State and Materials Science 4 (1999) 571-580.

[iii] J. Hlaváč, Základy technologie silikátů, SNTL 1988.

[iv] K. Yamahara, K. Shima, A. Utsunomiya, Y. Tsurita, Journal of Non-Cristalline

Sollids 349 (2004) 341 - 346.

Popis obrázků na výkresech

Obrázek 1: Složení temámích a binárních azeotropních směsí včetně údajů o teplotě varu v průběhu azeotropní destilace podle příkladu 1.

Podstata vynálezu je dále vysvětlena pomocí příkladu provedení, který však žádným způsobem neomezuje jiná možná provedení v rozsahu patentových nároků.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Výměna vodného disperzního prostředí v hydrosolu oxidu křemičitého za isopropanol,

Pro výměnu vodného prostředí za organické byla použita temámí azeotropní směs v soustavě voda - isopropanol - benzen (může se použít případně cyklohexan).

Azeotropní destilace se provedla u disperzní soustavy isopropanol, benzen, voda a SiO₂ v molámím poměru 1:0,36:0,30:0,04 v běžné destilační koloně upravené pro azeotropní destilaci. Azeotropního chování této soustavy bylo využito k eliminaci vody z reakční směsi a následnému čištění disperzního prostředí od zbytků benzenu případně cyklohexanu. Složení temámích a binárních azeotropních směsí v průběhu procesu je vyznačené v temámím diagramu na obrázku 1 společně s údaji o teplotě varu. Složení kapalné fáze je zakresleno v temámím diagramu bodem A. Vzhledem k poloze bodu A byla koncentrace benzenu v parní fázi vyšší než v rovnovážné kapalině. Postupem destilace se ve vařáku hromadil isopropanol a voda, zatímco na vrcholu destilační kolony temámí azeotrop.

Pravidlo o míšení dvou temámích systémů vyžaduje, aby výsledné složení leželo na přímce procházející body A a T. Tato přímka protíná hranici diagramu blíže vrcholu pro isopropanol. Koncentrační profil v koloně se měnil ve směru šipek z bodu A do T a na jejím vrcholu se destiloval ternámí heterogenní azeotrop, tj. směs o složení bodu T. Bez refluxu organické fáze zpět do kolony zůstala na konci prvního kroku azeotropní destilace ve zbytku směs o složení bodu Ζμ Podle pákového pravidla soustava obsahovala temámí azeotrop a zbytek v poměru 1:1,6.

• » · r * · · · ** · « * e 6 u » «« s > · ί κ· · · «>b » · « *» • ·· · · · · · · · · · · · I

Složení destilačního zbytku Zj se nalézalo na straně isopropanolu vzhledem k poloze azeotropního bodu binární směsi voda - isopropanol, V průběhu pokračující destilace, resp. v jejím druhém kroku, byla koncentrace vody v parní fázi vyšší než v kapalné. Na konci syntézy povrchového esteru SÍO2 s isopropanolem zůstal vdestilačním zbytku CsHgO. Uvážíme-li, že směs o složení bodu Z] je tvořena azeotropem o složení B a čistým CsHgO, z pákového pravidla vyplývá, že se na tyto fáze destilační zbytek rozdělil v poměru 1:1,19.

Ztráta organické složky v průběhu sušení disperzního prostředí byla omezena odebíráním na vodu bohatší fáze, která se oddělila po ochlazení destilátu pod teplotu varu. Konjungovaný roztok s vyšším obsahem organické složky se ze separátoru refluxoval zpět do kolony, Složení destilačního zbytku odpovídalo v tomto případě bodu Z_r, roztok byl tedy oproti složení azeotropního bodu bohatší na isopropanol, Azeotropní destilace této směsi pak vedla k isopranosolu - disperzi S1O2 v isopronalu. Na vrcholu kolony se získala azeotropní směs soustavy izopropanol - benzen.

Průmyslová využitelnost

Způsob podle vynálezu přináší výhodnou metodu přípravy disperzních systémů stabilních vnevodném prostředí průmyslovými postupy ve velkém měřítku s použitím dostupných surovin, nízkými výrobními náklady a možností recyklace použitých látek. Upravené nanočástice disperzních systémů způsobem podle vynálezu mají široké využití s možností nanášení povrchových organických vrstev požadovaných vlastností. Způsob podle vynálezu je tak možné využít pro přípravu reaktivních prášků s definovanovanými vlastnostmi, pro syntézu pokročilé keramiky, plniv s upraveným povrchem, aerogelů, selektivních absorbentů a podobně.

» « * - * * *

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob úpravy povrchu nanočástic anorganického oxidu vodných disperzních systémů pro nanášení organických vrstev zahrnující proces výměny vodného rozpouštědla nanočástic anorganického oxidu za organické rozpouštědlo vyznačující se tím, že výměna vodného rozpouštědla disperzního systému nanočástic za organické rozpouštědlo se provede azeotropickou destilací výchozí směsi obsahující vodné rozpouštědlo a organické rozpouštědlo schopné tvořit s vodným rozpouštědlem azeotropní směs s minimem bodu varu, přičemž množství organického rozpouštědla výchozí směsi je větší než množství organického rozpouštědla v azeotropní směsi.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že azeotropní směs obsahuje další organická rozpouštědla.
3. Použití nanočástic anorganického oxidu s upraveným povrchem způsobem podle nároků 1 a 2 pro řízenou modifikaci jejich povrchu hydrofobní vrstvou.