DE102004046496A1 - dispersants - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Dispergiermittel für hydrophobe Aerogele in wässriger Lösung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a dispersant for hydrophobic aerogels in aqueous solution and a process for its preparation.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Dispergiermittel insbesondere für hydrophobe Aerogele in wässriger Lösung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.object The invention is a dispersant especially for hydrophobic Aerogels in aqueous solution and a method for its production.
Dispergiermittel auf organischer Basis zur Herstellung von Dispersionen von hydrophoben Aerogelen in wässriger Lösung sind bekannt.dispersants on an organic basis for the preparation of dispersions of hydrophobic Aerogels in aqueous solution are known.
Dispersionen mit organischen Zusatzstoffen oder Hilfsmitteln haben den Nachteil, dass die resultierenden Werk- oder Verbundstoffe weder beständig gegenüber organischen Lösemitteln sind noch im Brandschutz eingesetzt werden können.dispersions with organic additives or auxiliaries have the disadvantage that the resulting materials or composites are neither resistant to organic solvents are still able to be used in fire protection.
Es
ist Stand der Technik, Silica-Aerogel aus einem Sol-Gel-Prozess
unter Verwendung von TEOS (Tetraethyloxisilan), Ethanol und Wasser
im sauren oder alkalischen Bereich zu gelieren und überkritisch
zu trocknen. Ebenfalls ist vorgeschlagen worden, Silica-Aerogele
unter Vermeidung des überkritischen
Trocknens als Granulat herzustellen, in dem im Zustand des nassen
Gels die Silica-Teilchen syliliert werden, die Flüssigkeit im
Gel-Netzwerk durch Heptan auszutauschen und das nasse Gel durch
rasches Verdampfen des Heptans zu trocknen, wodurch zwangsweise
ein Granulat entsteht (
Ähnlich wie
in der gerade beschriebenen Patentschrift beschreibt auch die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Dispergiermittel bereitzustellen, das hydrophobe Aerogele in wässriger Lösung ohne organische Zusatzstoffe oder Hilfsmittel dispergierbar macht.task It is therefore an object of the present invention to provide a dispersant the hydrophobic aerogels in aqueous solution makes it dispersible without organic additives or adjuvants.
In einer ersten Ausführungsform wird diese Aufgabe gelöst durch ein hydrophiles, pulverförmiges, mit Fluor dotiertes, anorganisches Dispergiermittel enthaltend 70–100 Gew.% SiO2 bei einer Dichte in einem Bereich von 0,1 g/cm3 bis 1 g/cm3.In a first embodiment, this object is achieved by a hydrophilic, powdery, fluorine-doped, inorganic dispersant containing 70-100 wt.% SiO 2 at a density in the range from 0.1 g / cm 3 to 1 g / cm 3 .
Das erfindungsgemäße anorganische Dispergiermittel kann insbesondere dazu verwendet werden, ohne dass weitere Zusatzstoffe und Hilfsmittel notwendig wären, Dispersionen von hydrophoben und/oder leichten Teilchen, bevorzugt hydrophoben Aerogelpartikeln, in polaren Lösungsmitteln, bevorzugt Wasser, zu erzeugen. Die so dispergierten Aerogelpartikel sind vorzugsweise hydrophobe Silica-Aerogelpartikel. Aber auch hydrophobe organische Aerogelpartikel, hydrophobe Kohlenstoffaerogelpartikel oder hydrophobe andere anorganische Aerogelpartikel lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Dispergiermittel in Wasser dispergieren.The Inventive inorganic Dispersing agent can be used in particular, without further additives and auxiliaries would be necessary, dispersions of hydrophobic and / or light particles, preferably hydrophobic airgel particles, in polar solvents, prefers water to produce. The thus dispersed airgel particles are preferably hydrophobic silica airgel particles. But also hydrophobic organic airgel particles, hydrophobic carbon airgel particles or hydrophobic other inorganic airgel particles can be with the dispersant according to the invention disperse in water.
Bevorzugt enthält das erfindungsgemäße Dispergiermittel 5 bis 30 Gew.% und besonders bevorzugt etwa 10 Gew.% Ammoniumfluorid. Dies wird bei der Herstellung des Dispergiermittels also nicht nur katalytisch zugesetzt, sondern in ausreichender Menge, so dass es spätestens bei der sich an die Herstellung anschließende Trocknung des Dispergiermittels ausfällt. Der Vorteil des Einsatzes von Ammoniumfluorid war für den Fachmann überraschend, da Ammoniumfluorid bei der Herstellung von Silica-Gelen bislang eher mit Nachteilen, wie der geringen Stabilität und Festigkeit und der fehlenden Transparenz der Erzeugnisse in Verbindung gebracht wurde. Wie viel Ammoniumfluorid tatsächlich im Dispergiermittel vorliegt, hängt zum einen natürlich davon ab, wie viel Ammoniumfluorid als Ausgangsmaterial eingesetzt wird, und natürlich davon, wie viel davon mit dem Silica-Gel reagiert. Es wird davon ausgegangen, dass sich das Ammoniumfluorid in Wasser im chemischen Gleichgewicht mit Flusssäure befindet. Diese wiederum kann Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der Silica-Teilchen mit Fluor ersetzten und mit diesen Wasser bilden. Andererseits ist nicht auszuschließen, dass Ammoniumfluorid auch direkt mit den Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der Silica-Teilchen unter Austausch der Hydroxylgruppen gegen Fluor und unter gleichzeitiger Bildung von Ammoniak und Wasser reagieren kann. Eine ausführliche Behandlung dieser Mechanismen und der Bedeutung für die Morphologie der resultierenden Gele und Festkörper wird beispielsweise in einem Artikel von Poddenezhny et al. (Materials Science, Vol. 20, No. 2, 53–61) behandelt.Prefers contains the dispersant of the invention 5 to 30% by weight and more preferably about 10% by weight ammonium fluoride. This is not only in the preparation of the dispersant added catalytically but in sufficient quantity so that it no later than at the subsequent preparation of the drying of the dispersant fails. The advantage of using ammonium fluoride was surprising to a person skilled in the art, since ammonium fluoride in the production of silica gels so far rather with disadvantages, such as the low stability and strength and the lack of transparency of the products. How much ammonium fluoride indeed present in the dispersant depends for one, of course on how much ammonium fluoride is used as starting material, and of course how much of it reacts with the silica gel. It gets away assumed that the ammonium fluoride in water in the chemical Equilibrium with hydrofluoric acid located. These in turn can have hydroxyl groups on the surface of the Replacing silica particles with fluorine and forming water with them. On the other hand, it can not be ruled out that ammonium fluoride too directly with the hydroxyl groups on the surface of the silica particles below Exchange of the hydroxyl groups for fluorine and concurrent Formation of ammonia and water can react. A detailed Treatment of these mechanisms and their importance for morphology The resulting gels and solids, for example, in an article by Poddenezhny et al. (Materials Science, Vol. 20, No. 2, 53-61) treated.
Das erfindungsgemäße Dispergiermittel kann darüber hinaus auch andere Hilfsstoffe und Füllstoffe enthalten.The Dispersing agent according to the invention can over it also contain other excipients and fillers.
Das getrocknete erfindungsgemäße Dispergiermittel enthält vorteilhafterweise keine organischen Zusatzstoffe oder Hilfsmittel, die eine Feuerfestigkeit des resultierenden Werk- oder Verbundstoffes beeinträchtigen könnten, da dann die resultierenden Werk- oder Verbundstoffe beständig gegenüber organischen Lösemitteln und auch feuerfest sind und somit im Brandschutz eingesetzt werden können.The dried dispersing agent according to the invention contains advantageously no organic additives or auxiliaries, the one fire resistance of the resulting material or composite impair could because then the resulting materials or composites resistant to organic solvents and are also fireproof and thus used in fire safety can.
Das Dispergiermittel ist vorzugsweise nicht transparent beziehungsweise undurchsichtig, da es dann in Produktionsprozessen leichter visuell wahrgenommen und somit dosiert werden kann.The Dispersant is preferably not transparent or opaque, as it is then easier to visual in production processes can be perceived and thus dosed.
Die Dichte des Dispergiermittels beträgt vorzugsweise 0,1 g/cm3 bis 1 g/cm3, bevorzugt 0,4 g/cm3 bis 0,7 g/cm3, damit es sich im Gegensatz zu dem sehr viel leichteren Aerogel leichter mit Wasser vermengen kann.The density of the dispersant is preferably 0.1 g / cm 3 to 1 g / cm 3 , preferably 0.4 g / cm 3 to 0.7 g / cm 3 , so that it is easier to use in contrast to the much lighter airgel Can mix water.
Die Dispergierung mit dem erfindungsgemäßen Dispergiermittel gestaltet sich besonders gut, da das Aerogelpulver hydrophil ist und eine bevorzugte Teilchengröße von 0,1 bis 1 μm aufweist, so dass Flüssigkeit in die Kapillaren und zwischen den Teilchen eindringen kann. Ein klassisches Problem aller Feinstpulver auch aus Metallen ist es, dass Wasser nicht in der Lage ist, Agglomerate aufzulösen, vielmehr die Agglomeratbildung verstärkt. Das liegt in der Regel daran, dass die Grenzflächenspannung des Wassers und der Benetzungswinkel zum Pulver hoch ist und damit Wasser die Teilchen nicht trennen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Dispergiermittel durch den hydrophilen Charakter ist der Benetzungswinkel klein. Die Partikel des erfindungsgemäßen Dispergiermittels haben bevorzugt eher eine plättchenförmige Gestalt und hängen nicht nur punktuell zusammen. Zusammen genommen bewirkt dies, dass das erfindungsgemäße Dispergiermittel in wässrigen Lösungen leicht aufgenommen wird.The Dispergierung designed with the dispersant of the invention especially good because the airgel powder is hydrophilic and a preferred particle size of 0.1 up to 1 μm has, so that liquid in the capillaries and between the particles can penetrate. A classic Problem of all ultrafine powders also made of metals is that water is not able to dissolve agglomerates, but agglomeration strengthened. This is usually because of the interfacial tension of the water and the wetting angle to the powder is high and thus water is the particles can not separate. In the dispersant according to the invention by the hydrophilic character, the wetting angle is small. The particles the dispersant of the invention preferably have a platelike shape and hang not just punctually together. Taken together, this causes the dispersant of the invention in aqueous solutions is easily recorded.
Als hydrophil wird das erfindungsgemäße Dispergiermittel angesehen, wenn es einen statischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser von weniger als 10 ° aufweist. Durch die Hydrophilie wird das Dispergiermittel leicht mit Wasser benetzt. Das erfindungsgemäße Dispergiermittel umschließt dabei ein in Wasser zu dispergierendes hydrophobes Aerogel und ist somit in direktem Kontakt mit diesem hydrophoben Aerogel. Dadurch lässt sich das hydrophobe und dadurch ansonsten aufschwimmende Aerogel leicht in Wasser dispergieren. Hydrophob im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Oberfläche des hydrophoben Aerogels einen statischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser in Luft von mehr als 120° aufweist.When hydrophilic is the dispersant of the invention viewed when there is a static contact angle with respect to water of less than 10 °. Due to the hydrophilicity, the dispersant is light with water wetted. The dispersant of the invention encloses it is a hydrophobic airgel to be dispersed in water and thus in direct contact with this hydrophobic airgel. This can be done the hydrophobic and thus otherwise floating airgel easily disperse in water. Hydrophobic within the meaning of the invention means that the surface hydrophobic airgel has a static contact angle to water in air of more than 120 °.
Vorteilhafterweise wird bei der Herstellung der wässrigen Dispersion unter Verwendung des erfindungsgemäßen Dispergiermittels dem Wasser eine geringe Menge Alkohol, bevorzugt 0,1 bis 5 Gew. %, bezogen auf das Wasser, zugegeben. Dadurch erhöht sich die Viskosität des Wassers erheblich und die Dispersion gelingt erheblich besser.advantageously, is used in the production of the aqueous Dispersion using the dispersant of the invention the water a small amount of alcohol, preferably 0.1 to 5 wt.%, Based to the water, admitted. This increases the viscosity of the water considerably and the dispersion succeeds much better.
Das erfindungsgemäße Dispergiermittel ermöglicht also eine Benetzung der hydrophoben Aerogelpartikel mit Wasser, ist aber an sich nicht reaktiv. Im Gegensatz hierzu müssen Bindemittel wie beispielsweise Zement gesehen werden, die von Natur aus reaktiv sind und zu festen Werkstoffen erstarren. Bindemittel dienen also nicht der Erzeugung von Dispersionen sondern von festen Werkstoffen.The Dispersing agent according to the invention allows ie wetting of the hydrophobic airgel particles with water, but is not reactive in itself. In contrast, binders need such as cement, which are inherently reactive are solidified and solid materials. Binders are used not the production of dispersions but of solid materials.
Vorzugsweise liegt die mittlere Teilchengröße des erfindungsgemäßen Dispergiermittels in einem Bereich von 100 bis 1000 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 500 nm. Die Porengröße des erfindungsgemäßen Dispergiermittels liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,5 bis 3 μm, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2 μm.Preferably is the mean particle size of the dispersant of the invention in a range of 100 to 1000 nm, more preferably in one Range of 200 to 500 nm. The pore size of the dispersant of the invention is advantageously in a range of 0.5 to 3 microns, preferably in a range of 1 to 2 μm.
Durch Zusatz eines starken und schnellen Katalysators und extrem rasche Gelierung des Gels, besteht dessen Netzwerk aus Teilchen, die im Gegensatz zu konventionellen Silica-Aerogelen Teilchengrößen im Bereich von 200 bis 500 nm aufweisen, und dementsprechend Poren, die ca. 1 bis 2 μm im Durchmesser sind. Insbesondere diese großen Poren führen dazu, dass die verdampfende Flüssigkeit aus dem Gelnetzwerk, statt wie bei konventionellen Aerogel-Spannungen im Bereich von ungefähr 1 MPa auf das Netzwerk auszuüben, nur Spannungen im Bereich von 1 kPa ausübt, dem das Netzwerk offensichtlich widerstehen kann.By Addition of a strong and fast catalyst and extremely fast Gelation of the gel, whose network consists of particles in the Contrary to conventional silica aerogels particle sizes in the range from 200 to 500 nm, and accordingly pores which are approximately 1 to 2 μm are in diameter. In particular, these large pores cause the vaporizing liquid from the gel network instead of conventional airgel voltages in the range of about 1 MPa to exercise the network, only Stresses in the range of 1 kPa, which the network obviously can resist.
Das erfindungsgemäße Dispergiermittel weist vorzugsweise eine spezifische Oberfläche im Bereich von 300 bis 400 m2/g, besonders bevorzugt in einem Bereich von 300 bis 330 m2/g auf. Dadurch kommt es zu einer besonders guten Benetzung der ansonsten hydrophoben Aerogelpartikel mit Wasser.The dispersant according to the invention preferably has a specific surface area in the range from 300 to 400 m 2 / g, particularly preferably in a range from 300 to 330 m 2 / g. This results in a particularly good wetting of the otherwise hydrophobic airgel particles with water.
In einer weiteren Ausführungsform wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des Dispergiermittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte beinhaltet:
- a) Vermengen von wenigstens 0,1 bis 2 Stoffmengenäquivalenten TEOS, 4 bis 7 Stoffmengenäquivalenten Ethanol und 3 bis 7 Stoffmengenäquivalenten Wasser,
- b) Zugabe von 0,1 bis 1 Stoffmengenäquivalenten NH4F in fester oder flüssiger Form zu der Mischung aus a),
- c) Gelieren der Lösung, und
- d) Unterkritisches Trocknen des Gels.
- a) blending of at least 0.1 to 2 molar equivalents of TEOS, 4 to 7 molar equivalents of ethanol and 3 to 7 molar equivalents of water,
- b) addition of 0.1 to 1 molar equivalent NH 4 F in solid or liquid form to the mixture of a),
- c) gelling the solution, and
- d) Subcritical drying of the gel.
Durch unterkritisches Trocknen vor allem der Silica-Gele kann das Verfahren nicht nur erheblich vereinfacht werden sondern auch wesentlich kosteneffizienter gestaltet werden.By Subcritical drying especially of silica gels can be the method not only greatly simplified but also much more cost-effective be designed.
Vorteilhafterweise wird die Gelierzeit unterhalb von 60 s, besonders bevorzugt unterhalb von 20 s eingestellt. Hierdurch wird nicht nur die Fertigungszeit verkürzt. Durch die Zugabe einer großen Menge an Katalysator, geschieht die Gelierung an sehr vielen Orten innerhalb des Sols gleichzeitig. Dadurch entstehen viele kleine Gelkörper, die mehr durch Aneinanderstoßen denn durch echte Bindungen zu einem losen Gelkörper zusammenwachsen. Dadurch entstehen Gel-Korngrenzen, die zusammen mit dem ausgefällten Ammoniumfluorid zur weißen Farbe des Dispergiermittels führen. Bei zu langsamer Gelierung, das heißt zu niedriger Katalysatorkonzentration, entstehen nasse Gelkörper mit sehr viel kleineren Teilchen an wenigen oder nur einer Stelle im Sol, so dass dann eine überkritische Trocknung notwendig wird. Kleine Teilchen bedeutet kleine Poren und somit hohe Kapillarkräfte (flüssig-gasförmig).advantageously, the gelation time is below 60 s, more preferably below set from 20 s. This will not only make the production time shortened. By adding a big one Amount of catalyst, the gelation happens in very many places within the sol at the same time. This creates many small ones gel body, the more by clashing because by true bonds grow together to a loose gel body. Thereby arise gel-grain boundaries, which together with the precipitated ammonium fluoride to the white Color the dispersant. Too slow gelation, that is too low catalyst concentration, arise wet gel body with much smaller particles at a few or only one point in sol, so then a supercritical Drying is necessary. Small particles means small pores and thus high capillary forces (Liquid-gas).
Vorteilhafterweise wird das Stoffmengenverhältnis von TEOS zu Ethanol in einem Bereich von 0,1 bis 0,3, besonders bevorzugt bei etwa 0,2, eingestellt. Dadurch kann eine gleichmäßige Gelbildung bei gleichzeitig hinreichend kurzer Gelierzeit erreicht werden.advantageously, becomes the molar ratio from TEOS to ethanol in a range of 0.1 to 0.3, especially preferably at about 0.2. This can cause a uniform gelation be achieved at the same time sufficiently short gel time.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren 0,8 bis 1,2 Stoffmengenäquivalente, bevorzugt 1 Stoffmengenäquivalent, TEOS, 4,5 bis 5,5 Stoffmengenäquivalente Ethanol, bevorzugt 5 Stoffmengenäquivalente Ethanol, und 4 bis 5 Stoffmengenäquivalente Wasser, bevorzugt 4,5 Stoffmengenäquivalente Wasser, vermengt. Dadurch konnte die Gelierzeit auf unter 10 s eingestellt werden.Preferably be in the process of the invention 0.8 to 1.2 molar equivalents, preferably 1 molar equivalent, TEOS, 4.5 to 5.5 molar equivalents Ethanol, preferably 5 molar equivalents Ethanol, and 4 to 5 molar equivalents Water, preferably 4.5 molar equivalents of water, mixed. This allowed the gelling time to be set below 10 s.
Das Gel wird vorteilhafterweise im erfindungsgemäßen Verfahren direkt an Luft getrocknet. Zusätzlich zur kurzen Gelierzeit und zum Einsatz von Ammoniumfluorid in fester oder flüssiger Form, können die Prozesskosten gegenüber den herkömmlichen Verfahren hierdurch signifikant gesenkt werden.The Gel is advantageously in the process according to the invention directly in air dried. In addition to short gelling time and the use of ammonium fluoride in solid or more fluid Shape, can the process costs compared the conventional one Procedures are thereby significantly reduced.
Abgesehen von hydrophoben Aerogelen kann das erfindungsgemäße Dispergiermittel natürlich für andere leichte und/oder hydrophobe Stoffe in polaren Lösungsmitteln eingesetzt werden. Mit dem vorliegenden Dispergiermittel kann die Viskosität des polaren Lösungsmittels wie beispielsweise Wasser von dünnflüssig bis honigzäh variiert werden. Die Viskosität des Lösungsmittels kann so beispielsweise auf einen Wert von mehr als 5000 cps, bevorzugt mehr als 10000 cps, eingestellt werden. Die Viskosität wird mittels eines Brookfield Viskosimeters bei 25 °C gemäß DIN 1342 gemessen.apart of hydrophobic aerogels, the dispersant of the invention may of course be used for others light and / or hydrophobic substances are used in polar solvents. With the present dispersant, the viscosity of the polar solvent for example, water varies from thin to honey-tough become. The viscosity of the solvent For example, it may be more than 5000 cps more than 10000 cps, can be set. The viscosity is determined by means of a Brookfield viscometer at 25 ° C according to DIN 1342 measured.
Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Dispergiermittel auch als Füllstoff für Kunststoffe.Farther the dispersant according to the invention is suitable also as a filler for plastics.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Es
wurde eine Lösung
mit folgender Zusammensetzung angesetzt:
1 mol TEOS
5
mol Ethanol
4,5 mol Wasser und als Katalysator
0,2 mol
NH4FA solution with the following composition was prepared:
1 mol of TEOS
5 moles of ethanol
4.5 mol of water and as a catalyst
0.2 mol of NH 4 F
Die Lösung wurde rasch gerührt und gelierte innerhalb von 8 Sekunden nach Zugabe des NH4F.The solution was stirred rapidly and gelled within 8 seconds after addition of the NH 4 F.
Danach wurde das Gel einfach an Luft oder im Trockenschrank bei bis 60 °C getrocknet. Abhängig vom Volumen entstand innerhalb von einigen Stunden ein trockenes, weißes Dispergiermittel (typische zylindrische Volumen im Labor von ca. 20 mm Durchmesser und 50 mm Höhe benötigen bei 20 °C ca. 20 h, bei 60 °C ca. 2 h). Das erhaltene Dispergiermittel war zwar monolithisch, insbesondere bei langsamer Trocknung, aber ohne wirklichen Zusammenhalt. Es zerbröselte bei Berührung. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten Teilchengrößen von ca. 300 nm.After that The gel was simply dried in air or in a drying oven at up to 60 ° C. Depending on Volume developed within a few hours a dry, white dispersant (typical cylindrical volume in the laboratory of about 20 mm in diameter and 50 mm height need at 20 ° C about 20 h, at 60 ° C about 2 hours). Although the resulting dispersant was monolithic, especially with slow drying, but without real cohesion. It crumbled On contact. Scanning electron micrographs showed particle sizes of about 300 nm.
Mit
diesem erfindungsgemäßen Dispergiermittel
kann beispielsweise das aus der
Um
den optimalen Stoffmengenanteil von NH4F
und H2O zu ermitteln wurden folgende Ansätze hergestellt
(Tabelle 1): Tabelle
1: wobei die Anteile von NH4F
und H2O wie folgt variiert wurden. Den Einfluss
auf die Gelierzeit kann man an den Tabellen 2 bis 4 und den korrespondierenden
Diagrammen in den
Die
Claims (9)
Priority Applications (2)
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130810 |