DE102013215498A1 - Iron oxide and silica containing core-shell particles with improved heating rate - Google Patents
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Abstract
Kern-Hülle-Partikel, deren Kern magnetisches, kristallines Eisenoxid und deren Hülle amorphes Siliciumdioxid enthält, wobei die Hülle zusätzlich wenigstens ein nichtmagnetisches Metalloxid enthält oder die Hülle und der Kern zusätzlich jeweils wenigstens ein nichtmagnetisches Metalloxid enthalten.Core-shell particles whose core contains magnetic, crystalline iron oxide and its shell amorphous silicon dioxide, wherein the shell additionally contains at least one non-magnetic metal oxide or the shell and the core additionally each contain at least one non-magnetic metal oxide.
Description
Die Erfindung betrifft Eisenoxid und Siliciumdioxid enthaltende Kern-Hülle-Partikel mit verbesserter Aufheizgeschwindigkeit im magnetischen Feld, deren Herstellung und deren Verwendung.The invention relates to iron oxide and silica containing core-shell particles with improved heating rate in the magnetic field, their preparation and their use.
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Die im Stand der Technik genannten Dokumente offenbaren die Verwendung von Eisen-Silicium-Oxidpartikeln zum induktiven Aufheizen in einem magnetischen oder elektromagnetischen Wechselfeld. Obwohl die Aufheizzeiten deutlich verbessert werden konnten, bleibt es das Ziel die Aufheizzeiten weiter zu reduzieren. Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Material bereitzustellen, mit dem dieses Ziel erreicht werden kann.The documents cited in the prior art disclose the use of iron-silicon oxide particles for inductive heating in a magnetic or electromagnetic alternating field. Although the heating times could be significantly improved, the goal remains to further reduce the heating times. It was therefore the object of the present invention to provide a material with which this goal can be achieved.
Gegenstand der Erfindung sind Kern-Hülle-Partikel, deren Kern magnetisches, kristallines Eisenoxid und deren Hülle amorphes Siliciumdioxid enthält, wobei
- a) die Hülle zusätzlich wenigstens ein nichtmagnetisches Metalloxid enthält oder
- b) die Hülle und der Kern zusätzlich jeweils wenigstens ein nichtmagnetisches Metalloxid enthalten.
- a) the shell additionally contains at least one non-magnetic metal oxide or
- b) the shell and the core additionally each contain at least one non-magnetic metal oxide.
Die Summe der Anteile von Eisenoxid, Siliciumdioxid und nichtmagnetischem Metalloxid beträgt in der Regel wenigstens 98 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 99 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 99,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Kern-Hülle-Partikel.The sum of the proportions of iron oxide, silicon dioxide and non-magnetic metal oxide is generally at least 98% by weight, preferably at least 99% by weight, particularly preferably at least 99.5% by weight, based in each case on the core-shell particles ,
Das nichtmagnetische Metalloxid wird bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Calciumoxid, Ceroxid, Chromoxid, Kupferoxid, Magnesiumoxid, Silberoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Yttriumoxid, Zinkoxid, Zinnoxid und Zirkonoxid ausgewählt. Besonders bevorzugt sind Zinkoxid und Aluminiumoxid.The nonmagnetic metal oxide is preferably selected from the group consisting of alumina, calcia, ceria, chromia, copper oxide, magnesia, silver oxide, titania, tungsten oxide, yttria, zinc oxide, tin oxide and zirconia. Particularly preferred are zinc oxide and alumina.
Bei der Ausführungsform der Erfindung bei der sowohl der Kern als auch die Hülle nichtmagnetische Metalloxide enthalten, gilt dass das nichtmagnetische Metalloxid in Kern und Hülle gleich oder unterschiedlich sein kann. Ebenso können bei dieser Ausführungsform die Anteile der nichtmagnetischen Metalloxide gleich oder unterschiedlich sein.In the embodiment of the invention wherein both the core and the shell contain nonmagnetic metal oxides, it is understood that the nonmagnetic metal oxide may be the same or different in core and shell. Likewise, in this embodiment, the proportions of the non-magnetic metal oxides may be the same or different.
Die besten Ergebnisse bezüglich der Aufheizgeschwindigkeit werden erhalten, wenn das nichtmagnetische Metalloxid mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Kern-Hülle-Partikel vorliegt. Die Verteilung dieses Anteiles auf den Kern und die Hülle ist nicht kritisch. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der der Anteil des nichtmagnetischen Metalloxides 1,5 bis 7,5 Gew.-% beträgt. Ganz besonders bevorzugt ist die Ausführungsform bei der der Anteil an nichtmagnetischem Metalloxid in Kern und Hülle jeweils 0,5 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Kern-Hülle-Partikel beträgt.The best results in terms of the heating rate are obtained when the non-magnetic metal oxide is present in a proportion of 0.5 to 10 wt .-%, based on the core-shell particles. The distribution of this proportion to the core and the shell is not critical. Particularly preferred is an embodiment in which the proportion of the non-magnetic metal oxide is 1.5 to 7.5 wt .-%. Very particular preference is given to the embodiment in which the proportion of non-magnetic metal oxide in the core and shell is in each case from 0.5 to 5% by weight, based on the core-shell particles.
Der Anteil von Siliciumdioxid in den erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikeln ist bevorzugt 5 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%. Der Anteil von Siliciumdioxid in der Hülle der erfindungsgemäßen Partikel ist bevorzugt 95 bis 99,5 Gew.-%, besonders bevorzugtThe proportion of silicon dioxide in the core-shell particles according to the invention is preferably 5 to 40 wt .-%, particularly preferably 10 to 20 wt .-%. The proportion of silicon dioxide in the shell of the particles according to the invention is preferably 95 to 99.5% by weight, particularly preferred
Die erfindungsgemäßen Partikel liegen weitgehend in Form isolierter Einzelpartikel vor. Die Einzelpartikel weisen eine weitestgehend sphärische bis knollenförmige Form auf. Der mittlere Durchmesser der Einzelpartikel liegt in der Regel bei 5 bis 500 nm, bevorzugt bei 50 bis 200 nm. Nadelförmige Partikel werden nicht gefunden. Neben den isolierten Einzelpartikeln können auch dreidimensionale Aggregate dieser Partikel vorliegen. In diesen Aggregaten sind die Einzelpartikel fest miteinander verwachsen. Der Anteil der Aggregate beträgt weniger als 50 Gew.-%, bevorzugt weniger als 20 Gew.-%, bezogen auf die Summe von Einzelpartikeln und Aggregaten. Die Bestimmung kann beispielsweise durch Bildauswertung von TEM-Aufnahmen mittels geeigneter Software erfolgen, wie dies schon für andere magnetische Kern-Hülle-Partikel bekannt ist. Die BET-Oberfläche der erfindungsgemäßen Partikel beträgt in der Regel 5 bis 40 m2/g, bevorzugt 10 bis 25 m2/g. The particles according to the invention are largely in the form of isolated individual particles. The individual particles have a largely spherical to bulbous form. The average diameter of the individual particles is generally from 5 to 500 nm, preferably from 50 to 200 nm. Needle-shaped particles are not found. In addition to the isolated individual particles, three-dimensional aggregates of these particles can also be present. In these aggregates, the individual particles are firmly grown together. The proportion of aggregates is less than 50 wt .-%, preferably less than 20 wt .-%, based on the sum of individual particles and aggregates. The determination can be carried out, for example, by image evaluation of TEM images by means of suitable software, as is already known for other magnetic core-shell particles. The BET surface area of the particles according to the invention is generally 5 to 40 m 2 / g, preferably 10 to 25 m 2 / g.
Der Anteil an Siliciumdioxid in den erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikeln beträgt bevorzugt 5 bis 40 Gew.-% Siliciumdioxid, besonders bevorzugt 8 bis 25 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%. Der Anteil an Siliciumdioxid in der Hülle beträgt bevorzugt 70 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus Siliciumdioxid und Metalloxid.The proportion of silicon dioxide in the core-shell particles according to the invention is preferably from 5 to 40% by weight of silica, more preferably from 8 to 25% by weight and most preferably from 10 to 20% by weight. The proportion of silicon dioxide in the shell is preferably from 70 to 95% by weight, based on the sum of silicon dioxide and metal oxide.
Bei der Hülle handelt es sich um eine dichte Hülle. Unter dicht ist zu verstehen, dass bei 12 stündigem Kontakt der Partikel bei 60°C mit Salzsäure weniger als 300 ppm Eisen, Wasserstoffperoxid weniger als 10 ppm Eisen oder einer NaCl/CaCl2-Lösung weniger als 50 ppm Eisen nachweisbar sind. Die Dicke der Hülle beträgt bevorzugt 1 bis 40 nm, besonders bevorzugt 5 bis 20 nm. Die Dicke der Hülle kann beispielsweise durch Auswertung HR-TEM-Aufnahmen bestimmt werden.The case is a tight shell. By dense is meant that at 12 hours contact of the particles at 60 ° C with hydrochloric acid less than 300 ppm iron, hydrogen peroxide less than 10 ppm iron or a NaCl / CaCl 2 solution less than 50 ppm iron are detectable. The thickness of the shell is preferably 1 to 40 nm, more preferably 5 to 20 nm. The thickness of the shell can be determined, for example, by evaluating HR-TEM images.
Der Anteil an Eisenoxid in den erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikeln beträgt bevorzugt 60 bis 95 Gew.-% Siliciumdioxid, besonders bevorzugt 75 bis 90 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 70 bis 80 Gew.-%. Der Anteil an Eisenoxid im Kern beträgt bevorzugt 90 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus Siliciumdioxid und Metalloxid.The proportion of iron oxide in the core-shell particles according to the invention is preferably 60 to 95% by weight of silicon dioxide, more preferably 75 to 90% by weight and most preferably 70 to 80% by weight. The proportion of iron oxide in the core is preferably 90 to 100 wt .-%, based on the sum of silicon dioxide and metal oxide.
Bei dem sich im Kern der erfindungsgemäßen Partikel befindlichen kristallinen Eisenoxid kann es sich um Magnetit, Maghemit und Hämatit als Hauptkomponenten handeln. Die genannten Netzebenenabstände korrespondieren mit diesen Eisenoxidmodifikationen. So umfasst der Netzebenenabstand von 0,20 nm und 0,29 nm Maghemit und Magnetit, während der Netzebenenabstand von 0,25 nm mit Maghemit, Magnetit und Hämatit korrespondiert. Es werden im HR-TEM keine Netzebenenabstände detektiert die der Dotierkomponente zuzuordnen wären.The crystalline iron oxide present in the core of the particles according to the invention may be magnetite, maghemite and hematite as main components. The mentioned interplanar spacings correspond with these iron oxide modifications. Thus, the interplanar spacing of 0.20 nm and 0.29 nm comprises maghemite and magnetite, while the interplanar spacing of 0.25 nm corresponds to maghemite, magnetite and hematite. There are no lattice plane distances detected in the HR-TEM that would have to be assigned to the doping component.
Der Kern der erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel weist bevorzugt ein Verhältnis (Magnetit + Maghemit)/Hämatit von 70:30 bis 95:5, besonders bevorzugt 80:20 bis 90:10, und ein Verhältnis von Magnetit/Maghemit von bevorzugt 50:50 bis 90:10, besonders bevorzugt 60:40 bis 70:30. Mit diesen Verhältnissen werden die besten Aufheizzeiten erzielt. Die Zusammensetzung des Kernes bezogen auf Maghemit, Magnetit und Hämatit kann bestimmt werden, so kann dies durch Röntgendiffraktometrie unter Verwendung von Co-Kα-Strahlung in einem Winkelbereich 2Θ von 10–100° erfolgen. Damit ist Maghemit signifikant anhand der Reflexe (110) und (211) im vorderen Winkelbereich nachweisbar. Der Hämatit ist wegen der freistehenden Reflexe eindeutig identifizierbar. Die quantitative Phasenanalyse wird mit Hilfe der Rietveld-Methode ausgeführt, Fehler ca. 10% relativ.The core of the core-shell particles according to the invention preferably has a ratio (magnetite + maghemite) / hematite of 70:30 to 95: 5, particularly preferably 80:20 to 90:10, and a ratio of magnetite / maghemite of preferably 50: 50 to 90:10, more preferably 60:40 to 70:30. With these conditions, the best heating times are achieved. The composition of the core with respect to maghemite, magnetite and hematite can be determined, this can be done by X-ray diffractometry using Co-K α radiation in an angular range 2Θ of 10-100 °. Thus, Maghemit is significantly detectable by the reflexes (110) and (211) in the front angle range. The hematite is clearly identifiable because of the freestanding reflexes. The quantitative phase analysis is carried out using the Rietveld method, error about 10% relative.
Die erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel können in einer Grenzschicht zwischen Kern und Hülle eine oder mehrere, die Elemente Eisen, Silicium und Sauerstoff aufweisende Verbindungen enthalten, die im HR-TEM einen Abstand der Gitternetzebenen von 0,31 +/– 0,01 nm aufweisen. Dies kann mit XPS-ESCA-Analyse (XPS = Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie; ESCA = Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) und TEM-EDX-Analyse (Transmissionselektronenmikroskopie [TEM] in Verbindung mit einer energiedispersiven Analyse charakteristischer Röntgenstrahlen [EDX]), bestimmt werden. Diese Verbindungen können in Form einer weiteren Hülle, neben Siliciumdioxid, den Kern umgeben. Die Dicke dieser Hülle beträgt 0,5 bis 2 nm. Diese Hülle stellt einen Übergangsbereich zwischen amorpher Siliciumdioxidhülle und kristallinem Eisenoxidkern dar, der zu einer ausgezeichneten Adaption zwischen Kern und äußerer Hülle führt. Es wird derzeit davon ausgegangen, dass der Phononentransport und damit die Wärmeleitung von Kern zu äußerer Hülle durch diesen intensiven Verbund verbessert wird, was in der Anwendung der erfindungsgemäßen Partikel zu substantiell höheren Aufheizraten führen kann.The core-shell particles according to the invention may contain, in a boundary layer between core and shell, one or more compounds containing iron, silicon and oxygen, which in the HR-TEM have a spacing of the lattice planes of 0.31 +/- 0.01 nm exhibit. This can be determined by XPS-ESCA analysis (XPS = Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) and TEM-EDX analysis (TEM) in conjunction with energy-dispersive analysis of characteristic X-rays [EDX] become. These compounds can surround the core in the form of another shell, in addition to silicon dioxide. The thickness of this shell is 0.5 to 2 nm. This shell provides a transition region between amorphous silica shell and crystalline iron oxide core, resulting in an excellent adaptation between core and outer shell. It is currently believed that the phonon transport and thus the heat conduction from core to outer shell is improved by this intensive bond, which can lead to substantially higher heating rates in the application of the particles according to the invention.
Die erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel weisen zudem auf ihrer Oberfläche Hydroxylgruppen auf. Diese können mit anorganischen und organischen Mitteln zur Oberflächenmodifizierung unter Bildung einer Van-der-Waals-Wechselwirkung, einer ionischen oder kovalenten Bindung reagieren. Geeignete Mittel zur Oberflächenmodifizierung können beispielsweise Alkoxysilane, Carbonsäuren, Nucleinsäuren oder Polysaccharide sein.The core-shell particles according to the invention also have hydroxyl groups on their surface. These may react with inorganic and organic surface modification agents to form a Van der Waals interaction, ionic or covalent bond. Suitable means for Surface modification may be, for example, alkoxysilanes, carboxylic acids, nucleic acids or polysaccharides.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel bei dem man
- a) in einer ersten Zone eines Durchflussreaktors ein Gemisch enthaltend a11) ein oder mehrere Eisenverbindungen oder a12) jeweils ein oder mehrere Eisenverbindungen und Metallverbindungen, a2) ein oder mehrere wasserstoffhaltige Brenngase und a3) ein oder mehrere Sauerstoff enthaltende Gase zündet und abreagieren lässt,
- b) in einer zweiten Zone des Durchflussreaktors zu diesem Reaktionsgemisch jeweils ein oder mehrere Siliciumverbindungen und Metallverbindungen gibt,
- c) nachfolgend das Reaktionsgemisch gegebenenfalls kühlt und den Feststoff von gas- oder dampfförmigen Stoffen abtrennt und
- d) gegebenenfalls den Feststoff anschließend mit einem Mittel zur Oberflächenmodifizierung behandelt, wobei
- e) Eisenverbindung, Siliciumverbindung und Metallverbindung oxidierbar und/oder hydrolysierbar sind.
- a) in a first zone of a flow-through reactor, a mixture comprising a11) one or more iron compounds or a12) one or more iron compounds and metal compounds, a2) one or more hydrogen-containing fuel gases and a3) ignites and abreacts one or more oxygen-containing gases,
- b) in a second zone of the flow-through reactor, in each case one or more silicon compounds and metal compounds are present for this reaction mixture,
- c) subsequently, if appropriate, cooling the reaction mixture and separating off the solid from gaseous or vaporous substances, and
- d) optionally subsequently treating the solid with a surface modification agent, wherein
- e) iron compound, silicon compound and metal compound are oxidizable and / or hydrolyzable.
Die Eisenverbindung und die Metallverbindung werden bevorzugt als Aerosol in die erste Zone eingebracht. Die Aerosolbildung kann aus jeweils einer Lösung, einer Dispersion oder der Substanz selbst in Form einer Flüssigkeit jeweils unter Verwendung eines Zerstäubungsgases wie beispielsweise Luft oder Stickstoff und einer Zwei- oder Mehrstoffdüse erfolgen. Es ist ebenso möglich das Aerosol aus einer Lösung, die sowohl die Eisenverbindung als auch die Metallverbindung enthält, zu generieren.The iron compound and the metal compound are preferably introduced as aerosol in the first zone. The aerosol formation can be carried out in each case from a solution, a dispersion or the substance itself in the form of a liquid in each case using a sputtering gas such as air or nitrogen and a two-fluid or multi-fluid nozzle. It is also possible to generate the aerosol from a solution containing both the iron compound and the metal compound.
Die Siliciumverbindung und die Metallverbindung können ebenfalls, gemeinsam oder getrennt, als Aerosol in die zweite Zone eingebracht werden. Es hat sich auch bewährt die Siliciumverbindung als Dampf in die zweite Zone einzubringen.The silicon compound and the metal compound may also be introduced into the second zone as an aerosol together or separately. It has also proven to introduce the silicon compound as a vapor in the second zone.
Der mittlere Tropfendurchmesser der Aerosole ist bevorzugt kleiner als 100 μm, besonders bevorzugt kleiner 50 μm.The mean droplet diameter of the aerosols is preferably less than 100 μm, more preferably less than 50 μm.
Als Eisenverbindung wird bevorzugt Eisen(II)chlorid eingesetzt.The iron compound used is preferably iron (II) chloride.
Die Siliciumverbindung wird bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus SiCl4, CH3SiCl3, (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCl, HSiCl3, (CH3)2HSiCl und CH3C2H5SiCl2 H4Si, Si(OC2H5)4 und/oder Si(OCH3)4, ausgewählt. Besonders bevorzugt wird SiCl4 und/oder Si(OC2H5)4 eingesetzt.The silicon compound is preferably selected from the group consisting of SiCl 4 , CH 3 SiCl 3 , (CH 3 ) 2 SiCl 2 , (CH 3 ) 3 SiCl, HSiCl 3 , (CH 3 ) 2 HSiCl and CH 3 C 2 H 5 SiCl 2 H 4 Si, Si (OC 2 H 5 ) 4 and / or Si (OCH 3 ) 4 . Particular preference is given to using SiCl 4 and / or Si (OC 2 H 5 ) 4 .
Die Metallverbindung wird während des Verfahrens in das nichtmagnetische Metalloxid umgewandelt. Geeignete Metallverbindungen sind vor allem Salze in Form von Nitraten, Chloriden und Octoaten, wie 2-Ethylhexanoaten. Ebenso können metallorganische Verbindungen wie beispielsweise Alkoxide oder Acetylacetonate eingesetzt werden. Die Metallkomponente wird bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus eingesetzt werden Aluminium, Calcium, Cer, Chrom, Kupfer, Magnesium, Silber, Titan, Wolfram, Yttrium, Zink, Zinn und Zirkon ausgewählt. Explizit seien genannt: Aluminiumisopropylat, Aluminium-sec.-butylat, Aluminiumnitrat, Kupfernitrat, Yttriumnitrat, Silbernitrat, Zinknitrat, Zirkonnitrat, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Titantetrachlorid, Titanispropylat, Zinkoctoat und Zirkonoctoat.The metal compound is converted to the non-magnetic metal oxide during the process. Suitable metal compounds are especially salts in the form of nitrates, chlorides and octoates, such as 2-ethylhexanoates. Likewise, organometallic compounds such as alkoxides or acetylacetonates can be used. The metal component is preferably selected from the group consisting of aluminum, calcium, cerium, chromium, copper, magnesium, silver, titanium, tungsten, yttrium, zinc, tin and zirconium. Explicit examples are: aluminum isopropylate, aluminum sec-butoxide, aluminum nitrate, copper nitrate, yttrium nitrate, silver nitrate, zinc nitrate, zirconium nitrate, calcium chloride, magnesium chloride, titanium tetrachloride, titanium isopropylate, zinc octoate and zirconium octoate.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann in die zweite Zone zusätzlich noch Wasser oder Wasserdampf eingebracht werden. Dabei wird das Wasser oder der Wasserdampf getrennt von der Siliciumverbindung und der Metallverbindung eingebracht. Bevorzugt wird ein molarer Überschuss an Wasser beziehungsweise Wasserdampf verwendet. Besonders bevorzugt kann ein molares Verhältnis Wasser/Siliciumverbindung von 10 bis 100 sein.In a particular embodiment of the invention, water or steam can additionally be introduced into the second zone. In this case, the water or the steam is introduced separately from the silicon compound and the metal compound. Preferably, a molar excess of water or water vapor is used. Particularly preferred may be a molar ratio of water / silicon compound of 10 to 100.
Als Brenngase können bevorzugt Wasserstoff, Methan, Ethan und/oder Propan eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist Wasserstoff. Als Sauerstoff enthaltendes Gas wird hauptsächlich Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft eingesetzt. In der Regel wird ein Überschuss an Sauerstoff gegenüber Wasserstoff eingesetzt. Lambda, der Quotient aus Brennstoffmenge zu Sauerstoffmenge, beträgt bevorzugt 1,05–1,50.As fuel gases, hydrogen, methane, ethane and / or propane can preferably be used. Particularly preferred is hydrogen. The oxygen-containing gas used is mainly air or oxygen-enriched air. As a rule, an excess of oxygen over hydrogen is used. Lambda, the quotient of the amount of fuel to the amount of oxygen, is preferably 1.05-1.50.
Die Reaktionsbedingungen können bevorzugt so gewählt sein, dass in der ersten Zone die mittlere Verweilzeit 10 ms bis 1 s, besonders bevorzugt 300 bis 600 ms, und die Temperatur bevorzugt 800 bis 1300°C, besonders bevorzugt 950 bis 1100°C, und in der zweiten Zone die mittlere Verweilzeit 0,1 bis 10 s, besonders bevorzugt 1 bis 3 s und die Temperatur bevorzugt 400 bis 900°C, besonders bevorzugt 700 bis 850°C, ist. In der ersten Zone erfolgt die Temperaturmessung 50 cm unter dem Zündungspunkt, in der zweiten Zone 15 cm oberhalb der obersten Zugabestelle in der zweiten Zone. The reaction conditions may preferably be chosen so that in the first zone, the average residence time 10 ms to 1 s, more preferably 300 to 600 ms, and the temperature preferably 800 to 1300 ° C, more preferably 950 to 1100 ° C, and in the second zone, the average residence time 0.1 to 10 s, more preferably 1 to 3 s and the temperature is preferably 400 to 900 ° C, particularly preferably 700 to 850 ° C. In the first zone the temperature is measured 50 cm below the ignition point, in the second zone 15 cm above the uppermost point of addition in the second zone.
Geeignete Mittel zur Modifizierung der Oberfläche sind Organosilane, Silazane oder Polysiloxane. Gewöhnlich werden diese mittel auf die Kern-Hülle-Partikel gesprüht und anschließend bei Temperaturen von 120 bis 200°C, vorzugsweise unter Schutzgasatmosphäre, über einen Zeitraum von 1 bis 5 Stunden behandelt.Suitable surface modification agents are organosilanes, silazanes or polysiloxanes. Usually these agents are sprayed onto the core-shell particles and then treated at temperatures of 120 to 200 ° C, preferably under a protective gas atmosphere, over a period of 1 to 5 hours.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Silikonkautschuk enthaltend die erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel. Der Anteil an diesen Partikeln beträgt bevorzugt 0,5 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt 3 bis 6 Gew.-%.Another object of the invention is a silicone rubber containing the core-shell particles according to the invention. The proportion of these particles is preferably 0.5 to 15 wt .-% and particularly preferably 3 to 6 wt .-%.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel als Bestandteil von Kautschukmischungen, von Polymerzubereitungen, von Klebstoffen, von durch Schweißen im elektromagnetischen Wechselfeld erhältlichen Kunststoffverbundformkörpern und zur Herstellung von Dispersionen.Another object of the invention is the use of the core-shell particles according to the invention as a component of rubber mixtures, polymer formulations, adhesives, obtainable by welding in electromagnetic alternating field plastic composite moldings and for the preparation of dispersions.
BeispieleExamples
Analytikanalytics
Zur Bestimmung des Eisenoxidgehaltes wurde die Probe in der Labormühle homogenisiert und nach Schmelzaufschluss titrimetrisch bestimmt. Der Fe(III)-Gehalt wird mittels Manganometrie bestimmt. Der Gehalt an Si und den weiteren Metalloxidkomponenten wird mittels ICP-OES ermittelt und anschließend als Oxid berechnet.To determine the iron oxide content, the sample was homogenized in the laboratory mill and determined titrimetrically after melt digestion. The Fe (III) content is determined by means of manganometry. The content of Si and the other metal oxide components is determined by means of ICP-OES and then calculated as oxide.
Die BET-Oberfläche wird bestimmt nach
Die Bestimmung der Kernanteile erfolgt durch Röntgendiffraktometrie. (Reflexion, θ/θ-Diffraktometer, Co-Kα, U = 40 kV, I = 35 mA; Szintillationszähler, nachgestellter Graphitmonochromator; Winkelbereich (2Θ)/Schrittweite/Meßzeit: 10–100°/0,04°/6 s (4 h)). Mit Hilfe der Rietveld-Methode wird eine quantitative Phasenanalyse ausgeführt (Fehler ca. 10% relativ). Die quantitative Phasenanalyse erfolgt anhand des set 60 der ICDD-Datenbank PDF4+ (2010). Die Phasenanalyse und die Kristallitgrößenbestimmung erfolgen mit dem Rietveld-Programm SiroQuant®, Version 3.0 (2005).The determination of the core components is done by X-ray diffractometry. (Reflection, θ / θ diffractometer, Co-Kα, U = 40 kV, I = 35 mA; scintillation counter, simulated graphite monochromator; angular range (2Θ) / pitch / measuring time: 10-100 ° / 0.04 ° / 6 s ( 4 h)). Using the Rietveld method, a quantitative phase analysis is performed (error about 10% relative). Quantitative phase analysis is performed using set 60 of the ICDD database PDF4 + (2010). The phase analysis and the crystallite done with the Rietveld program SiroQuant ® version 3.0 (2005).
Die Dicke der Schale wird mittels hochauflösender Transmisions-Elektronen-Mikroskopie (HR-TEM) bestimmt.The thickness of the shell is determined by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM).
Die Aufheizzeit von 20°C auf 200°C wird in einer Silikonmasse bestimmt. Die Silikonmasse wird erhalten, indem man 33 g ELASTOSIL® E50, Fa. Momentive Performance Materials, 13 g Silikonöl Typ M 1000, Fa. Momentive Performance Materials, 4 g AEROSIL®150, Fa. Evonik und 2,5 g, entsprechend 4,76 Gew.-%, Kern-Hülle-Partikel mittels eines SpeedMixers 2 × 30 s und 2 × 45 s bei 3000 U/min vermengt. Nachfolgend wird die Silikonmasse in einer Dicke von ca. 1 mm auf einen Glasobjektträger aufgebracht. Der Energieeintrag erfolgt durch Induktion mittels einer wassergekühlten Spule mit einem Durchmesser von 80 mm. Die Frequenz beträgt 510 KHz, die Leistung ca. 12 KW, Fives Celes GTMC 25 KW, Frankreich.The heating time from 20 ° C to 200 ° C is determined in a silicone composition. The silicone composition is obtained by mixing 33 g ELASTOSIL ® E50, Fa. Momentive Performance Materials, 13 g of silicone oil type M 1000, Fa. Momentive Performance Materials, 4 g of Aerosil ® 150, Fa. Evonik and 2.5 g, equivalent to 4, 76 wt .-%, core-shell particles mixed by means of a SpeedMixers 2 × 30 s and 2 × 45 s at 3000 rev / min. Subsequently, the silicone composition is applied in a thickness of about 1 mm on a glass slide. The energy input is made by induction by means of a water-cooled coil with a diameter of 80 mm. The frequency is 510 KHz, the power about 12 KW, Fives Celes GTMC 25 KW, France.
Auslaugetest: 0,33 g Kern-Hülle-Partikel in 20 ml HCl (1 mol/l) oder H2O2 (0,5 mol/l) oder einer Lösung von 8 Gew.-% NaCl und 2 Gew.-% CaCl2 in Wasser werden über einen Zeitraum von 12 Stunden bei 60°C gelagert. Ein Teil der Lösung wird anschließend mittels geeigneter Analysetechniken, beispielsweise ICP (inductively coupled plasma spectroscopy), auf Eisen untersucht.Leaching test: 0.33 g core-shell particles in 20 ml HCl (1 mol / l) or H 2 O 2 (0.5 mol / l) or a solution of 8 wt% NaCl and 2 wt% CaCl 2 in water is stored at 60 ° C over a period of 12 hours. A part of the solution is subsequently analyzed for iron by means of suitable analysis techniques, for example ICP (inductively coupled plasma spectroscopy).
Die Beispiele 1 bis 10 zeigen die Herstellung erfindungsgemäßer Kern-Hülle-Partikel, bei denen sowohl Kern als auch Hülle ein nichtmagnetisches Metalloxid enthalten. Dabei ist in den Beispielen 1 bis 8 das nichtmagnetische Metalloxid in Kern und Hülle gleich, in den Beispielen 9 und 10 verschieden. Beispiel 11 zeigt die Herstellung erfindungsgemäßer Kern-Hülle-Partikel, bei denen sowohl nur die Hülle ein nichtmagnetisches Metalloxid enthält.Examples 1 to 10 show the preparation of core-shell particles according to the invention, in which both core and shell contain a nonmagnetic metal oxide. Here, in Examples 1 to 8, the nonmagnetic metal oxide in the core and shell is the same, in Examples 9 and 10 different. Example 11 shows the preparation of core-shell particles according to the invention, in which only the shell contains a nonmagnetic metal oxide.
Beispiel 1: Ein Aerosol, welches durch Verdüsen von 4500 g/h einer wässerigen Lösung bestehend aus 26,1 g Eisen-(II)-Chlorid, 1,3 g Zinknitrat und 72,6 g Wasser, jeweils pro 100 g Lösung, und 3,0 kg/h Stickstoff werden mittels einer Zweistoffdüse verdüst. Das so erhaltene Aerosol wird mit 8,8 Nm3/h Wasserstoff und 19 Nm3/h Luft, davon 15 Nm3/h Primärluft und 4 Nm3/h Sekundärluft, in einer ersten Zone zur Reaktion gebracht. Die mittlere Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der ersten Zone beträgt ca. 540 ms. Die Temperatur in der ersten Zone beträgt 979°C. Example 1: An aerosol obtained by atomizing 4500 g / h of an aqueous solution consisting of 26.1 g of iron (II) chloride, 1.3 g of zinc nitrate and 72.6 g of water, in each case per 100 g of solution, and 3.0 kg / h nitrogen are atomized by means of a two-fluid nozzle. The aerosol thus obtained is reacted with 8.8 Nm 3 / h of hydrogen and 19 Nm 3 / h of air, of which 15 Nm 3 / h of primary air and 4 Nm 3 / h of secondary air, in a first zone. The mean residence time of the reaction mixture in the first zone is about 540 ms. The temperature in the first zone is 979 ° C.
In den Strom des Reaktionsgemisches aus der ersten Zone werden 410 g/h dampfförmiges Si(OC2H5)4 und ein mittels einer Zweistoffdüse gebildeten Aerosoles aus 4 Nm3/h Stickstoff und 200 g/h einer 10 gewichtsprozentigen, wässerigen Lösung von Zn(NO3)2 durch Zweistoffdüse mit 200 l/h N2 gegeben. Separat werden zusätzlich 2,5 kg/h Wasserdampf zugegeben. Die mittlere Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der zweiten Zone beträgt 1,7 s. Die Temperatur in der zweiten Zone beträgt 808°C. Nachfolgend wird das Reaktionsgemisch abgekühlt und der erhaltene Feststoff auf einem Filter von den gasförmigen Stoffen abgeschieden.In the stream of the reaction mixture from the first zone 410 g / h of vaporous Si (OC 2 H 5 ) 4 and formed by a two-fluid nozzle aerosols of 4 Nm 3 / h nitrogen and 200 g / h of a 10 weight percent aqueous solution of Zn (NO 3 ) 2 through two-fluid nozzle with 200 l / h N 2 given. Separately, an additional 2.5 kg / h steam are added. The mean residence time of the reaction mixture in the second zone is 1.7 s. The temperature in the second zone is 808 ° C. Subsequently, the reaction mixture is cooled and the resulting solid is deposited on a filter of the gaseous substances.
Die Beispiele 2 bis 11 werden analog Beispiel 1 durchgeführt. Die Einsatzstoffe sind in Tabelle 1 wiedergegeben.Examples 2 to 11 are carried out analogously to Example 1. The starting materials are shown in Table 1.
In den Beispielen 1 bis 6 werden in der ersten und zweiten Zone wässerige Lösungen der Metallverbindungen eingesetzt.In Examples 1 to 6, aqueous solutions of the metal compounds are used in the first and second zones.
In den Beispielen 7 bis 11 wird in der zweiten Zone als Metallverbindung eine metallorganische Verbindung eingesetzt. Dabei werden die Octoate in Form von 2-Ethylhexanoaten gelöst in 2-Ethylhexansäure verwendet, wobei der Gehalt an Octoat in der Lösung jeweils 50 ± 2 Gew.-% beträgt. Titan(IV)isopropylat und Aluminiumtri-sek-butylat werden als Substanz eingesetzt. Die Einsatzstoffe sind ebenfalls in Tabelle 1 wiedergegeben.In Examples 7 to 11, an organometallic compound is used as metal compound in the second zone. The octoates are used in the form of 2-ethylhexanoates dissolved in 2-ethylhexanoic acid, the content of octoate in the solution in each case being 50 ± 2% by weight. Titanium (IV) isopropylate and aluminum tri-sec-butylate are used as the substance. The starting materials are also shown in Table 1.
In Tabelle 2 sind die mittlere Verweilzeiten t und die Temperatur T in erster und zweiter Zone wiedergegeben.Table 2 shows the average residence times t and the temperature T in the first and second zones.
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Kern-Hülle-Partikel werden in Tabelle 3 wiedergegeben.The physico-chemical properties of the core-shell particles are given in Table 3.
Als Vergleichsbeispiel wird das Pulver des Beispiels 6 aus
Als weiteres Vergleichsbeispiel wird das Pulver des Beispiels 10 aus
Die erfindungsgemäßen Kern-Hülle-Partikel weisen deutlich kürzere Aufheizzeiten auf als Pulver nach dem Stand der Technik.The core-shell particles according to the invention have significantly shorter heating times than powders according to the prior art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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