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Hintergrund
der Erfindung
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Kieselsole
sind seit Jahrzehnten bekannt und werden heutzutage bei einer großen Vielzahl
von Anwendungen, wie der Papierherstellung, in Beschichtungen, Katalysatoren,
Antirutschprodukten, Poliermitteln für verschiedene Industrien,
einschließlich
der elektronischen Industrie, insbesondere zum Polieren von Wafern
verwendet. Bei vielen Anwendungen verursachte die Verwendung von
Kieselsolen, die mit Spuren von Übergangsmetallen,
Alkali- und Erdalkalimetallen, Aluminium und dgl. verunreinigt sind,
häufig
Probleme. Die Gegenwart dieser Materialien stört auch in geringen Mengen,
was zu schlecht arbeitenden Kieselsolen führt.
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Die
Gegenwart z. B. von verunreinigenden Metallen, wie Alkalimetallen,
wie Na, K, Erdalkalimetallen, wie Ca und Mg, Übergangsmetallen, wie Fe, Cu,
Mn, Ni, Zn und dgl. ist schädlich,
wenn sie in Kieselsolen vorliegen. Insbesondere ist von Aluminium
bekannt, dass es ernste Probleme verursacht, wenn es im Kieselsol vorliegt.
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Es
wurden folglich verschiedene Verfahren zur Herstellung von Kieselsolen
mit geringen Gehalten der erwähnten
verunreinigenden Metalle ausgearbeitet.
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Frühere Verfahren
zur Herstellung von Kieselsolen beinhalteten die Behandlung von
aus Alkalimetallsilikaten abgeleiteten Kieselsäurelösungen unter Verwendung von
verschiedenen Typen von Komplexierungsmitteln, wie EDTA und Oxalsäure, zur
Reduzierung der Gehalte der vorstehend erwähnten störenden Metallkationen.
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EP-B1-464
289 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines gereinigten Kieselsols.
In diesem Verfahren wird zuerst eine Alkalimetallsilikatlösung in
Wasser verdünnt,
dann mit einem starken Kationenaustauschharz in Kontakt gebracht,
um Natriumionen aus einer Natriumsilikatlösung zu entfernen, womit eine
Kieselsäurelösung gebildet
wird, welcher Oxalsäure
zugesetzt wird. Es wird angenommen, dass die Oxalsäure anionische
Komplexe mit Metallionen, insbesondere Eisenionen in der Kieselsäurelösung bildet.
Diese Komplexe können
aus der Lösung
mittels eines Anionenaustauschschritts entfernt werden. Noch ein
anderer Kationenaustauschschritt ist erforderlich, um die übrigen Metallkationen
aus der Lösung
zu entfernen. Die Kieselsäurelösung wird
dann einer Polymerisation unterzogen, um ein Kieselsol zu bilden.
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Das
Verfahren gemäß EP-B1-464
289 ergibt eine geringe Reduzierung an Metallkationen, z. B. A1,
Fe in der Kieselsäurelösung. Ein
Nachteil des Verfahrens gemäß EP-B1-464
289 ist, dass ein starkes Anionenaustauschharz verwendet werden
muss, um die Oxalatmetallkomplexe abzutrennen. Dies erfordert die
Regenerierung des Anionenaustauschharzes, bevor es wieder verwendet
werden kann. Weiterhin erhöhen
mehrfache Austauschschritte das Verunreinigungsrisiko.
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Die
Herstellung von hochreinen Kieselsolen aus Quarzglas oder Siliciummetall
ist auf dem Fachgebiet ebenso bekannt. Quarzglas und Siliciummetall
sind jedoch kostspielige Rohmaterialien, die die Herstellung sehr
verteuern.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen billigen und effektiven Weg zum
Bereitstellen von hochreinen Kieselsolen bereit.
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Beschreibung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde
ein neues Verfahren zur Herstellung von hochreinen Kieselsolen bereitgestellt.
Das neue Verfahren beinhaltet das Behandeln einer Kieselsäure enthaltenden
Lösung
durch Zugeben eines Komplexierungsmittels auf Phosphonsäurebasis
zu der Lösung,
Bilden eines Niederschlags von Komplexen des Komplexierungsmittels
auf Phosphonsäurebasis
und Metallkationen, Entfernen der Komplexe, wonach die Kieselsäure einer
Polymerisation unterzogen werden kann. Die Erfindung ist weiter
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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Spezieller
umfasst das Verfahren zur Herstellung von hochreinen Kieselsolen
aus einer Kieselsäure enthaltenden
Lösung
die folgenden Schritte:
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- (a) Zugeben eines Komplexierungsmittels auf
Phosphonsäurebasis
zu der Kieselsäure
enthaltenden Lösung,
das mit in der Lösung
vorliegenden Metallkationen Komplexe bildet;
- (b) Bilden eines Niederschlags in der Kieselsäure enthaltenden
Lösung,
der Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis und Metallkationen
enthält;
- (c) Entfernen des Niederschlags aus der Lösung; und
- (d) Polymerisieren der Kieselsäure in der Lösung, um
ein Kieselsol zu erhalten.
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Die
Kieselsäure
enthaltende Lösung
von Schritt (a) mit einer SiO2-Konzentration
von etwa 1 bis etwa 20%, vorzugsweise enthaltend etwa 4 bis etwa
10 Gew.-% SiO2, besonders bevorzugt etwa
5 bis etwa 7 Gew.-% SiO2, und mit einem
pH-Wert von etwa 1 bis etwa 4,5, vorzugsweise etwa 1,5 bis etwa
4, besonders bevorzugt etwa 2 bis etwa 3, kann in beliebiger bekannter
Weise aus Alkalimetallsilikat, einschließlich Kaliumsilikat, Natriumsilikat
und Lithiumsilikat oder Gemischen davon hergestellt werden. Die
Alkalimetallsilikate sind auf dem Fachgebiet der Kieselsolherstellung
bekannt und in verschiedenen Güteklassen
erhältlich.
Verzugsweise ist das zur Herstellung von Kieselsol verwendete Alkalimetallsilikat
Natriumsililikat, das hier nachstehend weiter beschrieben ist. Im
Falle der Verwendung anderer Alkalimetallsilikate sind dieselben
Verarbeitungsschritte anwendbar.
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Geeigneterweise
weisen Natriumsilikate ein Molverhältnis von SiO2:Na2O von etwa 1 bis etwa 5, vorzugsweise etwa
3 bis etwa 4 auf. Die Kieselsäure
enthaltende Lösung
kann durch Erhöhen
des Molverhältnisses
von SiO2:Na2O der
Silikatlösung
erhalten werden. Dies kann durch Kationenaustausch wie in The Chemistry
of Silica, Iler, R. 1979, S. 333–334 beschrieben, vorzugsweise
durch In-Kontakt-bringen einer Natriumsilikat enthaltenden Lösung mit
einem starken Kationenaustauschharz durchgeführt werden, um eine Kieselsäure enthaltende
Lösung
zu erhalten. Es wird vermutet, dass die Kieselsäure eine wässrige Lösung von einer oder mehreren
von miteinander verbundenen Si(OH)4-Einheiten
umfasst.
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Vor
der Durchführung
des Kationenaustauschschritts wird die Natriumsilikatlösung geeignet
verdünnt. Gewöhnlich verdünnt der
Kationenaustauschschritt die Alkalimetallsilikatlösung weiter,
da Wasser während der
Kationenaustauschbehandlung zugesetzt werden kann, wodurch eine
geringere SiO2-Konzentration erhalten wird.
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In
Schritt (a) zugesetzte Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
beziehen sich auf Phosphonsäuren
und Salze davon. Die Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
können
Komplexe mit schädlichen
Metallkationen, z.B. Al, Ca, Cr, Fe, Ti, Zr, bilden, die als Verunreinigungen
in der Kieselsäure
enthaltenden Lösung
vorliegen.
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Alle
beliebigen Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis, die in der Kieselsäure enthaltenden Lösung löslich sind,
können
als Komplexierungsmittel verwendet werden.
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Das
Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis kann der Kieselsäure enthaltenden
Lösung
in Säureform,
als Salz oder als Gemisch von Salzen zugesetzt werden.
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Beispiele
für nützliche
Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis schließen Ethylendiamintetra(methylenphosphonsäure), Hexamethylendiamintetra(methylenphosphonsäure), Diethylentriaminpenta(methylenphosphonsäure), 2-Phosphonbutan-1,2,3-tricarbonsäure, Propylendiamintetramethylenphosphonsäure)(N,N,N',N'-tetra(phosphonmethyl)-1,2-diaminporopan
(PDTP), 2-Hydroxyethyliminobis(methylenphosphonsäure), 2-Ethylhexyliminobis(methylenphosphonsäure), n-Octyliminobis(methylenphosphonsäure), Cyclohexan-l,2-diamintetrakis(methylenphosphonsäure), Pentaethylenhexaminoctakis (methylenphosphonsäure), N,N-Bis(3-aminopropyl)aminhexakis(methylenphosphonsäure), Glycin-N,N-(di(methylenphosphonsäure), N-(2-Hydroxyethyl)-N,N-(dimethylenphosphonsäure), Aminotris(methylenphosphonsäure) und
Acetodiphosphonsäure
und Salze davon ein.
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Vorzugsweise
werden Aminotris(methylenphosphonsäure) (ATMP) (auch genannt Nitrilotris(methylenphosphonsäure) und
Acetodiphosphonsäure
(ADPA) (auch genannt 1-Hydroxyethan-1,1-diphosphonsäure) oder
Gemische dieser Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
der Kieselsäure
enthaltenden Lösung zugesetzt.
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Es
wurde gefunden, dass die Bildung von Komplexen und eines Niederschlags
gemäß Schritt
(b) gewöhnlich
bei einem pH-Wert von etwa 1,2 bis etwa 2,2, vorzugsweise etwa 1,6
bis etwa 2, besonders bevorzugt etwa 1,7 bis etwa 1,9 optimal ist.
Gewöhnlich
kann der geeignete pH-Wert
durch Zugabe einer geeigneten Menge an Komplexierungsmitteln auf
Phosphonsäurebasis
erhalten werden, jedoch kann der pH-Wert gegebenenfalls auch durch
Zugabe einer beliebigen, das Verfahren nicht störenden Säure oder Base, wie Phosphorsäure, Diphosphorsäure, Triphosphorsäure, Phosphonsäure, Diphosphonphosphonsäure und
andere Säuren
auf Phosphorbasis, eingestellt werden.
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Ein
Niederschlag aus Komplexen von Metallkationen und Komplexierungsmitteln
auf Phosphonsäurebasis
kann so gebildet werden. Geeigneterweise wird die Bildung des Niederschlags
in Schritt (b) durch Altern der Lösung unter Beibehalten des
bevorzugten pH-Werts
durchgeführt.
Die Bildung von Komplexen beginnt nahezu unmittelbar. Die Kieselsäure enthaltende
Lösung
wird gewöhnlich
direkt nach der Zugabe von Komplexierungsmitteln auf Phosphonsäurebasis
trüb. Gewöhnlich kann
die Initiierung der Niederschlagsbildung nach wenigen Minuten beobachtet
werden. Das Verfahren kann durchgeführt werden, bis der Niederschlag aus
den Phosphonkomplexen vollständig
ist. Das Altern wird vorzugsweise für eine Dauer von mindestens etwa
5 Minuten, besonders bevorzugt mindestens etwa 2 Stunden vor Entfernen
des gebildeten Niederschlags aus der Lösung durchgeführt. Gewöhnlich genügen 2–3 Stunden,
jedoch kann mehr Zeit, z. B. bis zu etwa 10 Stunden oder mehr erforderlich
sein, bevor die Entfernung der gebildeten Komplexe der Komplexierungsmittel auf
Phosphonsäurebasis
und der Metallkationen stattfindet. Ist die Niederschlagbildung
vollständig,
wird die trübe
Lösung
klar. Die Niederschlagsbildung z.B.
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aus
Al, Fe, Ca, und Zr zusammen mit den Komplexierungsmitteln auf Phosphonsäurebasis
findet während
des Alterungsprozesses statt, was zu einer gereinigten Kieselsäure enthaltenden
Lösung
führt.
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Mittel
zum Entfernen des Niederschlags in Schritt (c) können ein beliebiges bekanntes
Abtrennungsverfahren, wie Filtration, Dekantierung oder Zentrifugation
oder Kombinationen davon einschließen, jedoch können auch
andere auf dem Fachgebiet bekannte, herkömmliche Abtrennungsverfahren
zum Entfernen eines gebildeten Niederschlags erwogen werden.
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Vorzugsweise
wird zumindest ein Teil der in der Kieselsäure enthaltenden Lösung übrigen Kationen nach
Schritt (c) z.B. mittels Ionenaustausch, geeigneterweise mittels
eines starken Kationenaustauschharzes entfernt.
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Es
kann auch erwünscht
sein, zumindest einen Teil der Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
zu entfernen. Dies kann nach Schritt (c) z.B. mittels Ionenaustausch,
geeigneterweise mittels eines Anionenaustauschharzes, vorzugsweise
eines starken Anionenaustauschharzes bewirkt werden. Dieser Entfernungsschritt
kann auch weggelassen werden, um mehr Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
im Kieselsol zurück
zu halten.
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Die
optionalen Kationen- und Anionenaustauschschritte können in
beliebiger Reihenfolge durchgeführt
werden. Der Kationen- und Anionenaustauschschritt kann sogar integriert
und gleichzeitig durch Verwendung einer sowohl Kationen- als auch
Anionenaustauschharz enthaltenden präparierten Säule durchgeführt werden.
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Die
Temperaturen in den Schritten (a)–(c) betragen gewöhnlich etwa
5 bis etwa 40°C,
vorzugsweise etwa 15 bis etwa 30°C.
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Die
Polymerisation der Kieselsäure
in der Lösung
in Schritt (d) kann dann gemäß einem
herkömmlichen
Polymerisationsverfahren, z.B. wie in The Chemistry of Silica, Iler,
R., 1979, S. 174–176
beschrieben, durchgeführt
werden, das die Zugabe der Kieselsäurelösung zu einer alkalischen Lösung, geeigneterweise
mit einem pH-Wert von etwa 7 bis etwa 11 umfasst. Ein Beispiel für ein solches
Verfahren ist in
US 3,440,175 ,
hier unter Bezugnahme aufgenommen, offenbart. Die Lösung wird
geeigneterweise vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 80 bis
etwa 100°C,
besonders bevorzugt etwa 96 bis etwa 100°C erwärmt, um die Polymerisation
zu starten. Der Polymerisationsprozess kann bis zu etwa 10 Stunden
oder mehr, vorzugsweise zwischen 4–5 Stunden dauern.
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Durch
die Erfindung ist es möglich,
hochreine Kieselsole herzustellen. In einem 10 Gew.%igen SiO2-Sol liegt der Gehalt an Al vorzugsweise
unter 65 ppm, besonders bevorzugt unter 30 ppm, an Ca vorzugsweise
unter 15 ppm, besonders bevorzugt unter 10 ppm, an Na vorzugsweise
unter 700 ppm, besonders bevorzugt unter 100 ppm, an Fe vorzugsweise
unter 15 ppm, besonders bevorzugt unter 10 ppm, an Ti vorzugsweise
unter 15 ppm, besonders bevorzugt unter 10 ppm, und an Zr vorzugsweise
unter 12 ppm, besonders bevorzugt unter 10 ppm. Alle Werte beziehen
sich auf Gew.-ppm und können
durch induktiv gekuppeltes Plasma (ICP) bestimmt werden. In konzentrierteren
oder verdünnteren
Kieselsolen erhöht
oder vermindert sich der Verunreinigungsgrad proportional zum SiO2-Gehalt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Kieselsol, das mindestens ein Komplexierungsmittel
auf Phosphonsäurebasis,
geeigneterweise in einer Menge von etwa 10 bis etwa 50.000 ppm,
bezogen auf ein 10 Gew.-%iges Kieselsol, vorzugsweise etwa 100 bis
etwa 10.000, besonders bevorzugt etwa 1000 bis etwa 7000 ppm umfasst.
Die Gegenwart von Komplexierungsmitteln auf Phosphonsäurebasis
ist bei bestimmten Anwendungen, z. B. beim Polieren von Wafern vorteilhaft.
Das Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis enthaltende Kieselsol
kann durch das wie vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt
werden, wobei jedoch in der Lösung
nach Abtrennen des Niederschlags Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis
zurückbleiben.
Die Komplexierungsmittel auf Phosphonsäurebasis werden aus der Lösung nicht
oder nur teilweise entfernt. Der Gehalt an Verunreinigungen im Komplexierungsmittel
auf Phosphonsäurebasis
enthaltenden Kieselsol ist wie vorstehend beschrieben vorzugsweise
gering. Hinsichtlich anderer geeigneter und bevorzugter Merkmale
des Kieselsols, wie der Wahl von Komplexierungsmitteln auf Phosphonsäurebasis,
nimmt die vorstehende Beschreibung des Verfahrens darauf Bezug.
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Indem
die Erfindung so beschrieben ist, ist es klar, dass Selbige auf
verschiedene Weise variiert werden kann. Solche Variationen sollen
nicht als Verlassen des Umfangs der vorliegenden Erfindung betrachtet werden,
und alle solche Modifikationen, wie sie dem Fachmann klar sind,
sollen im Umfang der Ansprüche
eingeschlossen sein. Während
die hier nachstehenden Beispiele spezifischere Details der Umsetzungen
bereitstellen, können
die folgenden allgemeinen Prinzipien hier offenbart werden. Das
folgende Beispiel veranschaulicht weiter, wie die beschriebene Erfindung
ohne Beschränkung
des Umfangs davon durchgeführt
werden kann.
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Alle
Teile und Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsteile und -prozent,
wenn nicht anders angegeben.
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Beispiel 1
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Eine
verdünnte
Na-Silikatlösung
wurde unter Verwendung von Wasser mit einer Leitfähigkeit
von 20–40
mS/cm hergestellt. Der SiO2-Gehalt betrug
5,6 Gew.-%. Die Lösung
wurde durch ein starkes Kationenaustauschharz vom Sulfonattyp geleitet.
Eine Kieselsäure
enthaltende Lösung
wurde erhalten, die etwa 5 Gew.-% SiO2 enthielt.
Der pH-Wert betrug 2,2.
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Die
Kieselsäurelösung wurde
unter Mischen mit einer 50%igen Lösung von Aminotris(methylenphosphonsäure) (ATMP)
versetzt, wodurch ein pH-Wert von 1,8 erhalten wurde. In diesem
Versuch wurden 7 g ATMP zu 1 kg 5,5 Gew.-%iger Kieselsäure gegeben.
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Nach
Zugabe des ATMP wurde die Lösung
zum Altern bei Raumtemperatur stehen gelassen. Die Lösung wurde
innerhalb von 30 Minuten trüb,
und nach einigen Stunden konnte ein weißer Niederschlag auf dem Boden
eines Becherglases und eine klare Phase darüber beobachtet werden.
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Der
Inhalt des Becherglases wurde leicht gerührt und durch einen Filter
mit 5 μm
geleitet, um den Niederschlag von der klaren Phase abzutrennen.
Nach dieser Stufe waren die Metallgehalte der Kieselsäurelösung deutlich
reduziert.
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Das
erhaltene klare Filtrat wurde durch eine Säule mit einem starken Kationenaustauschharz
vom Sulfonattyp geleitet, um die Metallverunreinigung weiter zu
reduzieren.
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Die
gereinigte Kieselsäurelösung wurde
dann zur Polymerisation verwendet, um Kieselsolteilchen in Gegenwart
von Anionen auf Phosphonsäurebasis
zu bilden. KOH-Lösung
wurde verwendet, um die Lösung während des
Polymerisationsverfahrens alkalisch einzustellen. Die Temperatur
wurde bei 95–98°C gehalten. Der
pH-Wert wurde bei 8–8,5
gehalten. Das erhaltene Kieselsol wies einen pH-Wert von 8, eine
Konzentration von 10 Gew.-% auf. Die mittlere Teilchengröße betrug
34 nm, basierend auf Messungen des Oberflächenbereichs, wie in The Chemisty
of Silica, Iler, R. 1979, S. 465–466 beschrieben, und die Teilchengrößenverteilung betrug
15–100
nm, bestimmt durch dynamische Lichtstreuung, DLS. Das erhaltene
Produkt wurde dann auf 30 Gew.-% eingeengt.
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Beispiel 2
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Beispiel
2 wurde wie Beispiel 1 durchgeführt,
außer
dass dem Kationenaustauschschritt ein Anionenaustauschschritt und
ein zweiter Kationenaustauschschritt folgte. Der Anionenaustauschschritt
wurde mittels eines starken Anionenaustauschharzes vom quartären Ammoniumtyp
durchgeführt,
um die übrigen
Anionen auf Phosphonsäurebasis
zu entfernen. Der zweite Kationenaustauschschritt reduzierte weiter
die Gehalte an Metallkationen. Die Polymerisation wurde wie in Beispiel
1 durchgeführt.
Das erhaltene Produkt wurde durch Ammoniak auf einen pH-Wert von
9,5 stabilisiert und mittels Ultrafiltration auf 50 Gew.-% eingeengt.
Ein hochreines Kieselsol wurde hergestellt.
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Die
nachstehende Tabelle zeigt den Reinheitsgrad der hergestellten hochreinen
Kieselsole der Beispiele 1–2
im Vergleich zu einem Standard-Kieselsol. Es ist ersichtlich, dass
das Verfahren gemäß den Beispielen
eine hervorragende Reinheit des Kieselsols bereitstellt.
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