DE602004008659T2 - Verbund von exfoliertem ton in soot und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Verstärkende Füllstoffe wie Kohlenstoffruße, Glasfasern, Tonarten, Calciumcarbonat, Calciumsilicate, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Zeolithe werden weit verbreitet verwendet, um die mechanischen, thermischen und Sperreigenschaften von Polymeren zu verbessern und die Verarbeitungskosten zu verringern. Die Verstärkung erhöht die Härte und das Modul, die Abrieb- und Reißbeständigkeit sowie die Ermüdungs- und Alterungseigenschaften von Polymeren. Zudem können Füllstoffe funktionelle Attribute vermitteln, die andere Eigenschaften von Polymeren wie UV-, Feuchtigkeits- und thermische Stabilität sowie die Feuerhemmbarkeit verbessern.
  • Kohlenstoffruße finden besonderen Nutzen als Füllstoffe in Elastomeren. Zum Beispiel ist von ihnen bekannt, dass sie die Zugfestigkeit und die Beständigkeit von Reifen gegen Reißen erhöhen. Kohlenstoffruße sind bedingt durch deren Leichtigkeit bei der Herstellung sowie deren Kompatibilität mit organischen Polymeren wünschenswert. Die meisten Kohlenstoffruße werden durch die teilweise Verbrennung von natürlichem Gas oder Öl hergestellt und resultieren in kugelförmigen Teilchen, die Graphitplättchen enthalten. Die Teilchen selbst sind miteinander verbunden, um ein „halsband"-artiges Aggregat aus Teilchen zu bilden, die als „strukturierte Ruße" bezeichnet werden, die eine größere Oberfläche und eine größere Anisotropie aufweisen – was zu einem höheren Elastomermodul und einer höheren Steifigkeit als bei kugelförmigen Füllstoffen führt. Auf der anderen Seite sind Kohlenstoffruße mit größer Oberfläche schwer zu dispergieren; aber selbst dann, wenn eine ausreichende Dispersion erreicht wird, werden nachteilige Wirkungen wie eine verringerte Zähigkeit der Elastomere festgestellt (siehe Carbon Black, Hrsg.: J.B. Donnet, R.P. Bansal und M.J. Wang, Macel Dekker Inc. 1993).
  • Multilamellare Tonarten mit großem Aspektverhältnis, die typischer Weise wenigstens die zwei- bis dreifache Härte von Kohlenstoffrußen aufweisen, sind auch als ein verstärkender Füllstoff bekannt. Tonarten können mechanische Eigenschaften von Polymeren wie das Modul und die Formänderungsfestigkeit verstärken, wenn sie in der polymeren Matrix delaminiert und dispergiert sind. Jedoch ist der typische hydrophile Ton im Gegensatz zu Kohlenstoffrußen nicht inhärent mit einem typischen hydrophoben organischen Polymer kompatibel. Daraus folgt, dass die effiziente Delaminierung und Dispersion voraussetzt, dass ein Ton mit einem Kompatibilisierungsreagenz, üblicherweise einem Silan oder einem Säurekopplungsmittel oder einem quaternären Ammoniumsalz vorbehandelt wird (Siehe „Polymer-Clay Nanocomposites", Hrsg. T.J. Pinnavaia, G.W. Beal, Wiley Series in Polymer Science, 2001). Wie es in der U.S. 4,889,885 und der 4,810,734 offenbart wird, lässt die Silanvorbehandlung die Tonschichtenquellen und trennt sie in einem geringen Ausmaß, wodurch die Dispersion des Tons mit verringerter Stapelung in das Elastomer unterstützt wird. Nichtsdestotrotz geht diese Verbesserung nachteilig mit einer unerwünschten Plastifizierung einher, die aus der Kompatibilisierung resultiert, obwohl die mechanischen Eigenschaften des Elastomers durch die verbesserte effiziente Entschichtung des Tons verbessert werden.
  • Der ideale Füllstoff für ein Elastomer, insbesondere für die Reifenindustrie, würde die mechanischen Eigenschaften verbessern und gleichzeitig andere Vorteile wie einen niedrigeren Rollwiderstand, einen geringeren Abrieb und eine höhere Wetterbeständigkeit bereit stellen. Obwohl die Kohlenstoffruße des Standes der Technik ein kostengünstiges Mittel zur Bereitstellung dieser Eigenschaftsverbesserungen bieten, erfordern diese nicht erneuerbare Rohmaterialien. Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein die Eigenschaften verbesserndes Füllstoffmaterial zu finden, das vorteilhaft aus erneuerbaren Rohstoffen ableitbar ist, das kostengünstig herzustellen ist und leicht zu verwenden ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt auf einen Bedarf zur Bereitstellung eines Verbundstoffes, enthaltend wenigstens einen expandierten Ton in Säulenform in einer carbonisierten Matrix gerichtet, wobei der expandierte Ton eine zahlenmittlere Plättchenstapelung von nicht mehr als 100 Plättchen, ermittelt durch Röntgenbeugung, aufweist.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines Verbundstoffs, umfassend die Schritte a) Dispergieren und Expandieren eines multilamellaren Tons in einer Matrix, die ein carbonisierbares organisches Material enthält, um einen Vorläuferverbundstoff zu bilden, wobei die Matrix eine Viskosität hat, die ausreicht, um das Kollabieren des dispergierten und expandierten Tons zu verhindern; und b) Erwärmen des Vorläuferverbundstoffs unter solchen Bedingungen, dass eine säulenförmige Dispersion des expandierten Tons in einer carbonisierten Matrix gebildet wird.
  • Die vorliegende Erfindung bietet einen kostengünstigen Weg zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Polymers unter Verwendung eines Materials, das aus erneuerbaren Energiequellen ableitbar ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a, 2a und 3a sind XRD-Spektren von Ton-Ruß-Verbundstoffen.
  • 1b, 2b und 3b sind TEM-Fotografien von Ton-Ruß-Verbundstoffen.
  • DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch zuerst das Dispergieren und Expandieren wenigstens eines Tons in einer Matrix in der Gegenwart von Scherkräften zur Bildung eines Vorläuferverbundstoffs hergestellt werden. Der Ton kann natürlich vorkommend sein, z. B. einer oder mehrere aus Vermiculiten, Glimmer und Smectiten wie Hectoriten, Saponiten und Montmorilloniten oder synthetisch sein, z. B. einer oder mehrere aus Hydrotalciten, synthetischen Hectoriten und Fluorhectoriten sein. Beispiele von geeigneten kommerziell verfügbaren Tonarten umfassen Laponite®, wasserhaltige Magnesiumsilicattonarten (ein Markenname der Rockwood Additives Ltd. Corp.), und Cloisite®, Natriummontmorillonittonarten (ein Markenname der Southern Clay Products, Inc.). Der Ton kann modifiziert werden, z. B. mit einem organischen quatären Ammoniumsalz, oder nicht modifiziert bleiben, wenn es bevorzugt ist, nicht-modifizierten Ton zu verwenden.
  • Der Ton kann ein Ton mit einem hohen Aspektverhältnis sein, ein Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis oder eine Kombination derselben sein. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Aspektverhältnis" auf das Verhältnis der größten Dimension in der xy-Ebene in einem einzelnen Tonplättchen zu der Dicke der multilamellaren Plättchen in der z-Richtung. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Ton mit niedrigem Aspektverhältnis" auf einen Ton mit einem Aspektverhältnis in dem Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 50:1. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Ton mit hohem Aspektverhältnis" auf einen Ton mit einem Aspektverhältnis in dem Bereich von ungefähr 100:1 bis ungefähr 1000:1.
  • Zudem wird das Wort „Ton" hierin so verwendet, dass es eine oder mehrere Arten von Ton zu bedeutet, es sei denn, dies wird anderweitig dargestellt. Zum Beispiel kann der expandierte Ton in Säulenform eine Kombination aus einer oder mehreren expandierten Tonarten in Säulenform mit einem niedrigen Aspektverhältnis und einer oder mehreren expandierten Tonarten in Säulenform mit hohem Aspektverhältnis oder eine Kombination von einer oder mehreren durch Säure ätzbaren Tonarten und einer oder mehreren Tonarten, die gegenüber einer Säureätzung resistent sind, etc. sein.
  • Die Matrix ist vorzugsweise ein Geliermittel oder ein carbonisierbares Polymer. Das Geliermittel ist oder enthält ein carbonisierbares organisches Material, das ein organisches Material ist, das in der Lage ist, eine carbonisierte Matrix (Ruß) zu bilden, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Dielektrizitätskonstante von vorzugsweise wenigstens ungefähr 5, mehr bevorzugt wenigstens ungefähr 10 und am meisten bevorzugt wenigstens 20 hat sowie eine Viskosität aufweist, die ausreichend hoch ist, um das Kollabieren des expandierten Tons zu verhindern; vorzugsweise hat das Geliermittel eine intrinsische Viskosität von wenigstens 100 cps, mehr bevorzugt wenigstens 1000 cps und am meisten bevorzugt wenigstens 5000 cps. Geeignete Geliermittel umfassen organische Lösungsmittel mit niedrigen Dampfdruck wie Polyole einschließlich Polyetherpolyole, Polyalkylenoxide wie Polyethylenoxide, Polypropylenoxide, Polybutylenoxide und Mischungen und Copolymere derselben; sowie Lösungen aus einem oder mehreren Feststoffen, die in einem flüssigen Träger aufgelöst sind, wie wässrige Lösungen von bioerneuerbaren Materialien einschließlich Stärken, Gelatinen, Zuckern, Cyclodextrinen und Celluloseethern wie Methylcellulose, Ethylcellulose und Hydroxypropylmethylcellulose sowie Kombinationen derselben. Es sind wässrige Lösungen von bioerneuerbaren Materialien bevorzugt.
  • Die Konzentration an Ton in der organischen Komponente des Geliermittels ist anwendungsabhängig, ist vorzugsweise aber nicht weniger als ungefähr 2 und mehr bevorzugt nicht weniger als ungefähr 5 und am meisten bevorzugt nicht weniger als ungefähr 10 Gew.-%; und nicht mehr als ungefähr 50, mehr bevorzugt nicht mehr als 40 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Tons und des Geliermittels.
  • Es können andere Reagenzien in dem ersten Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hinzu gegeben werden. Beispiele von solchen Reagenzien umfassen tonmodifizierende Mittel wie Silankopplungsmittel oder quatäre Ammoniumsalze, um einen organisch modifizierten Ton herzustellen. Andere Reagenzien umfassen feuerhemmende Mittel wie Natriumpolyphosphat und anorganische Pigmente wie Titanoxid. Jedoch kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Abwesenheit solcher Mittel und Modifizierungsmittel durchgeführt werden und wird auch vorzugsweise so durchgeführt.
  • Wie es oben vorgeschlagen wird, ist es auch möglich und in einigen Fällen wünschenswert, in dem Geliermittel eine Kombination aus Tonarten zu dispergieren, die sich in ihrem Aspektverhältnis unterscheiden. Somit kann wenigstens ein Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis wie ein Saponit oder ein Hectorit in dem Geliermittel zusammen mit wenigstens einem Ton mit einem hohen Aspektverhältnis wie ein Montmorillonit, ein Fluorglimmer, Fluorhectorit oder ein Magadiit dispergiert werden. Diese Kombination ist vorteilhaft, weil ein Ton mit niedrigem Aspektverhältnis, der in dem Geliermittel expandiert wird, dazu tendiert, in dem expandierten Zustand zu bleiben, wohingegen der Ton mit einem hohen Aspektverhältnis dazu tendiert, wenigstens teilweise zu kollabieren; jedoch wirkt der Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis, wenn er kombiniert wird, als ein Abstandshalter zur Verhinderung des Kollabierens des Tons mit hohem Aspektverhältnis. Auf der anderen Seite stellt das niedrige Aspektverhältnis selbst keine so gute Verstärkung dar wie der Ton mit dem hohen Aspektverhältnis. Somit stellt die Kombination aus wenigstens einem Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis und wenigstens einem Ton mit einem hohen Aspektverhältnis optimale mechanische Eigenschaften zur Verfügung. Der Gewichtsverhältnis des Tons mit einem hohen Aspektverhältnis zu dem Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis liegt vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 1:1, mehr bevorzugt ungefähr 1:2 und am meisten bevorzugt ungefähr 1:3 bis ungefähr 1:100, mehr bevorzugt bis 1:50 und am meisten bevorzugt bis ungefähr 1:10.
  • Ein hochporöser carbonisierter Verbundstoff kann durch das Dispergieren eines durch Säure ätzbaren Tons in die Matrix, das Carbonisieren der Matrix zur Bildung des Verbundstoffs, dann das Mahlen des Verbundstoffs, um eine säulenförmige Dispersion im Mikrometer- oder Submikrometergrößenbereich zu bilden, hergestellt werden. Beispiele von durch Säure ätzbaren Tonarten umfassen Saponite, Hectorite, Fluorglimmerarten und Fluorhectorite. Die gemahlene Dispersion kann dann mit einem Lösungsmittel für den Ton in Kontakt gebracht werden, um wenigstens einen Teil des Tons aufzulösen und zu extrahieren, wodurch Hohlräume (Poren) dort zurückgelassen werden, wo vorher der Ton war. Geeignete Lösungsmittel umfassen Säuren wie HF, HCl, HBr, HI, H3PO4, HNO3, H2SO4 und Kombinationen derselben.
  • Es ist auch möglich und in einigen Fällen wünschenswert, eine Kombination aus Tonarten in der Matrix zu dispergieren, die sich in ihren Reaktionen auf das Säureätzen unterscheiden. Zum Beispiel können jegliche der zuvor genannten durch Säure ätzbaren Tonerarten in der Matrix zusammen mit einem Ton dispergiert werden, der beständig gegenüber einer Säureätzung ist, wie Montmorillonite und Magadiite. Ein hochporöser, durch Plättchen verstärkter Verbundstoff kann durch das Dispergieren in die Matrix wenigstens eines durch Säure ätzbaren Tons und wenigstens eines Tons, der gegenüber einer Säureätzung resistent ist, hergestellt werden; dann können nach den Carbonisierungs- und Mahlschritten wenigstens einige, vorzugsweise im Wesentlichen alle, der durch Säure ätzbaren Tonplättchen entfernt werden, während wenigstens einige, vorzugsweise im Wesentlichen alle, der säurebeständigen Tonplättchen in dem Verbundstoff zurückbleiben. Dieses Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Verbundstoffs mit hoher Oberfläche ermöglicht eine wesentlich bessere Steuerung der Porendichte und Verstärkung im Vergleich zu dem Verfahren, bei dem nur eine durch Säure ätzbare Tonart in der Matrix dispergiert wird. Wenn sowohl ätzbare wie auch nicht-ätzbare Tonarten verwendet werden, liegt das Gewichtsverhältnis des ätzbaren Tons zu dem nicht-ätzbaren Ton vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 1:10.
  • Der Ton wird vorzugsweise in dem Geliermittel unter hochscherenden Bedingungen dispergiert, z. B. durch Schleudern, Rühren oder Extrudieren, wobei Schleudern und Extrudieren bevorzugt sind. Die Schergeschwindigkeiten variieren abhängig von der Art des verwendeten Schermodus. Zum Beispiel ist die bevorzugte Schleudergeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit in Klammern), wenn Schleudern verwendet wird, vorzugsweise nicht weniger als 1.200 Upm (20 s-1), mehr bevorzugt nicht weniger als 2.400 Upm (40 s-1) und vorzugsweise nicht mehr als 12.000 Upm (200 s-1) und mehr bevorzugt nicht mehr als 6.000 Upm (100 s-1). Wenn eine Extrusion verwendet wird, dann ist die Schergeschwindigkeit vorzugsweise nicht weniger als 200 s-1, mehr bevorzugt nicht weniger als 500 s-1 und vorzugsweise nicht mehr als 1.500 s-1 und mehr bevorzugt nicht mehr als 1.000 s-1.
  • Das Geliermittel in dem Vorläuferverbundstoff macht den Ton „säulenförmig", d. h. das Mittel trennt sowohl die Tonplättchen wie es auch deren Kollabieren in die ursprüngliche multilamellare Struktur verhindert. In diesem Stadium wurde die zahlenmittlere Stapelung der Tonschichten in dem Vorläuferverbundstoff, wie sie durch Röntgenbeugung (XRD) ermittelt wird, auf nicht mehr als 100, vorzugsweise nicht mehr als 50, mehr bevorzugt nicht mehr als 20 und am meisten bevorzugt nicht mehr als 10 Schichten pro Stapel verringert. Dies gilt besonders für Tonarten mit einem niedrigen Aspektverhältnis; Tonarten mit einem hohen Aspektverhältnis tendieren dazu, sich schwerer als Tonarten mit einem niedrigen Aspektverhältnis expandieren zu lassen.
  • In einem zweiten Schritt wird der Vorläuferverbundstoff unter solchen Bedingungen erwärmt, dass er eine Dispersion aus expandiertem Ton in Säulenform in einer carbonisierten Matrix bildet, vorzugsweise ohne das vollständige Umwandeln der organischen Komponente des Vorläuferverbundstoffs zu Graphit. Der Vorläuferverbundstoff wird auf eine Temperatur von vorzugsweise wenigstens 200°C und mehr bevorzugt wenigstens 300°C und vorzugsweise nicht mehr als 700°C, mehr bevorzugt nicht mehr als 600°C, und für eine Zeit erwärmt, die ausreicht, um den gewünschten Grad der Carbonisierung zu erreichen, vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 1 bis 120 Minuten. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „carbonisierte Matrix" auf den Rest (Ruß), der aus einem Gewichtsverlust (Carbonisierung) des organischen Teils des Geliermittels resultiert. Der Grad des Gewichtsverlusts ist vorzugsweise wenigstens ungefähr 30, mehr bevorzugt wenigstens ungefähr 40 und am meisten bevorzugt wenigstens ungefähr 50; und vorzugsweise weniger als ungefähr 90, mehr bevorzugt weniger als ungefähr 80 Gew.-% der organischen Komponente des Geliermittels.
  • Die Umwandlung zu Ruß kann durch jegliches geeignete Verfahren erreicht werden, einschließlich der Sprühpyrolyse und der Massenpyrolyse und dies wird vorzugsweise in der Gegenwart eines Trägergases wie Luft, Argon oder Stickstoff durchgeführt. Die pyrolysierte Probe, die nun ein Verbundstoff ist, wird vorzugsweise gemahlen, um eine säulenförmige Dispersion des expandierten Tons im Mikrometer- oder Submikrometer-Größenbereich in einer carbonisierten Matrix zu bilden. Dieser Verbundstoff ist nicht lediglich eine physikalische Mischung aus Ton und Ruß – stattdessen ist der expandierte Ton in dem Ruß eingebettet, d. h. er kann von der carbonisierten Matrix durch Sieben nicht getrennt werden. Die Konzentration des expandierten Tons in der carbonisierten Matrix ist anwendungsabhängig, variiert aber im Allgemeinen von ungefähr 5 bis 90 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Tons und der carbonisierten Matrix. Überraschenderweise kann der Ton in einem expandierten Zustand in den Ruß ohne Hilfsmaterialien wie große Metallpolykationen oder Polyoxometalate oder ohne den Ton organisch zu modifizieren eingebettet werden. Das bedeutet, dass der bevorzugte Verbundstoff im Wesentlichen aus expandiertem Ton und der carbonisierten Matrix besteht.
  • Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich Expandieren auf eine Trennung des multilamellaren Tons in kleinere Stapel, vorzugsweise einzelne Plättchen. Ein hoher Trennungsgrad kann leicht durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht werden, wie es durch TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) bestimmt wird. Die zahlenmittlere Plättchenstapelung – die leicht von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet als aus der Spitzenbreite am Halbmaximum der Basalreflexion des Tons durch XRD berechnet zu verstehen ist – ist nicht größer als 100 Plättchen, vorzugsweise nicht größer als 50 Plättchen, mehr bevorzugt nicht größer als 20 Plättchen und mehr bevorzugt nicht größer als 10 Plättchen pro Stapel.
  • Die carbonisierte Matrix mit großer Oberfläche kann als eine Membran für Gas-Gas-, Gas-Flüssigkeits- oder Flüssigkeit-Flüssigkeits-Trennungen oder als ein Additiv zur Unterstützung der Entzündungswiderstandsfähigkeit verwendet werden.
  • Es kann wünschenswert sein, die Dispersion oder den Verbundstoff aus dem Ton auf eine Temperatur oberhalb einer Temperatur zu erwärmen, beo der eine reine Carbonisierung des Geliermittels zustande kommt; d. h. es ist möglich, das Gelierungsmittel vollständig zu verdampfen, um einen keramischen Schaum zu bilden, der expandierte Kristalle enthält, die in einer Siliciumdioxidmatrix verteilt sind. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Ton vorzugsweise in Ruß überführt, dann auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um einen porösen keramischen Schaum zu bilden. Vorzugsweise wird der Ruß zuerst zu einer Dispersion mit einem Mikrometer- oder Submikrometer-Größenbereich gemahlen, dann in eine Pressform platziert und dann auf eine Temperatur in dem Bereich von ungefähr 800°C, mehr bevorzugt von ungefähr 1.000°C bis ungefähr 1.500°C erwärmt.
  • Ein noch anderer Weg zur Herstellung des keramischen Schaums ist es, den Ton in einem auf Wasser basierenden Poragen, vorzugsweise einem Latex, zu expandieren, dann a) Wasser zu entfernen, b) das getrocknete Pulver in einer Pressform zu formen und c) das Material auf eine Temperatur zu feuern, die ausreicht, um den keramischen Schaum herzustellen. Ein Beispiel eines geeigneten Latex ist ein Polystyrollatex.
  • Der Verbundstoff der vorliegenden Erfindung ist als ein Additiv in einer Reihe von Materialien zur Verbesserung a) der mechanischen Eigenschaften wie Modul und Zähigkeit, b) der Sperreigenschaften gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und Säure; c) der Entzündungswiderstandsfähigkeit; d) der Bemalbarkeit und der elektrostatischen Verteilung; e) der Alterungseigenschaften und f) der UV-Beständigkeit nützlich. Geeignete Materialien umfassen Polymere wie Thermoplasten (einschließlich Elastomere) und thermisch härtende Polymere. Das mit Verbundstoff verstärkte Material kann in einer Reihe von Anwendungen einschließlich Beschichtungen, Klebstoffen, Schäumen, Automobilteilen (Reifen) und Gebäudekonstruktionsmaterialien verwendet werden.
  • Die folgenden Beispiele sind nur für illustrative Zwecke und sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der Erfindung zu beschränken.
  • Beispiel 1 – Verbundstoff aus Laponite®-Ton in Ruß
  • Nicht modifizierter Laponite®-Ton (2,5 g), eine wasserlösliche Stärke (10,0 g) und Wasser (35,0 g) wurden zusammen in einem Becher gemischt, der dann in eine Speed-Mixer DAC 150-FVZ-K Schleudervorrichtung (von Flack Tek, Inc. verfügbar) geladen und bei 3.000 Upm für 15 Minuten geschleudert wurde, um ein Gel zu bilden. Eine Probe dieses Gels (26,03 g) wurde dann in eine Aluminiumpfanne überführt und auf 400°C in Stickstoff für 20 Minuten zur Bildung eins Ton-Ruß-Verbundstoffes (2,86 g, 66,7 Gew.-% Ton bezogen auf das Gewicht von Ruß und Ton) erwärmt. Die XRD-Spektroskopie, die in 1a dargestellt wird, zeigt, dass die Zahl der Schichten pro Stapel ungefähr 2 ist, was eine vollständige oder fast vollständige Expansion des Tons in dem Ruß anzeigt. Die TEM-Analyse der Probe, die in 1b dargestellt wird, bestätigt im Wesentlichen die vollständige Expansion des Tons.
  • Beispiel 2 – Verbundstoff mit höherer Beladung an Laponite®-Ton in Ruß
  • Die in Beispiel 1 beschriebene Prozedur wird durchgeführt, außer dass die Anteile des Ausgangsmaterials Laponite®-Ton (7,5 g, verfügbar von der Continental Clay Co.), wasserlösliche Stärke (12,5 g) und Wasser (30,0 g) waren. Das Gel in diesem Beispiel (28,60 g) wurde in den Ton-Ruß-Verbundstoff (6,18 g, 69,5 Gew.-% Ton bezogen auf das Gewicht von Ruß und Ton) umgewandelt. Die XRD-Spektroskopie dieses Verbundstoffes, die in 2a dargestellt wird, zeigt, dass die Zahl der Schichten pro Stapel ungefähr 4 ist, und die TEM, die in 2b dargestellt wird, bestätigt die wesentliche Expansion des Tons.
  • Beispiel 3 – Verbundstoff aus Cloisite® Na+-Ton in Ruß
  • Die in Beispiel 2 beschriebene Prozedur wird durchgeführt, außer dass der Ton Cloisite® Na+-Ton (von der Continental Clay Co. verfügbar) war. Das Gel in diesem Beispiel (23,37 g) wurde in den Ton-Ruß-Verbundstoff (4,78 g, 74 Gew.-% Ton bezogen auf das Gewicht von Ruß und Ton) umgewandelt. Wie es der Fall für die vorherigen Beispiele war, zeigte die XRD-Spektroskopie dieses Verbundstoffes, die in 3a dargestellt wird, dass die Zahl der Schichten pro Stapel ungefähr 9 ist, und die TEM, die in 3b dargestellt wird, bestätigt eine wesentliche Expansion des Ton.
  • Beispiel 4 – Herstellung von Ruß unter Verwendung von zwei Tonarten
  • Laponite-Ton (0,5 g), Cloisite Na+-Ton (1,0 g) und Stärke (8,5 g) wurden kombiniert und im Vakuum bei 90°C für 24 Stunden getrocknet. Die Mischung wurde in eine Plastikflasche geladen und für 72 Stunden gemahlen, dann in einen Becher zusammen mit destilliertem Wasser (40,0 g) übertragen. Die Inhalte wurden bei 3.000 Upm für 10 Minuten geschleudert, woraufhin ein Gel erhalten wurde. Ein Teil des Tons wurde an der Luft bei 400°C für 45 Minuten carbonisiert. Die XRD-Daten zeigten eine vollständige oder fast vollständige Expansion des Laponite-Tons und eine mittlere Stapelbildung von 8 Schichten/Stapel für den Cloisite Na+-Ton.
  • Beispiel 5 – Herstellung von Ruß unter Verwendung von zwei Tonarten
  • Die Prozedur von Beispiel 4 wurde wiederholt, außer dass 3,5 g Laponite-Ton verwendet wurde. In diesem Beispiel zeigten die XRD-Daten eine mittlere Stapelbildung von 2 Schichten/Stapel für den Cloisite Na+-Ton sowie die vollständige Expansion für den Laponite-Ton.
  • Beispiel 6 – Herstellung von Ton-Ruß mit vergrößerter Oberfläche
  • Cloisite Na+-Ton (1,0 g), Laponite-Ton (3,5 g), Maisstärke (19 g) und destilliertes Wasser (40 g) wurden in einen Mischbecher platziert und bei 3.000 Upm für 15 Minuten zur Bildung eines Gels scherend behandelt. Das Gel wurde auf dünne Platten ausgebreitet und bei 320°C für 35 Minuten erhitzt. Es wurde herausgefunden, dass das Ton-zu-Ruß-Verhältnis ungefähr 1:1 ist. Das Material wurde zerrieben und gemahlen, um ein Material mit einer zahlenmittleren Teilchengröße von ungefähr 5 μm zu erhalten. Das gemahlene Material wurde mit einem gleichen Volumen an 37% HCl vermischt und auf 60°C unter Ultraschallbehandlung erhitzt. Das Material wurde aus der Suspension herauszentrifugiert und die HCl-Zugabe, das Erwärmen und die Ultraschallbehandlung wurden zwei weitere Male, was insgesamt drei Waschschritte ergab, wiederholt. Das geätzte Ton-Ruß-Material wurde zentrifugiert und die HCl dekantiert und destilliertes Wasser wurde hinzu gegeben und abzentrifugiert, bis die Probe nicht länger sauer war. Das Material wurde im Vakuum bei 90°C getrocknet und auf eine mittlere Teilchengröße unter 100 μm gemahlen, wie es durch Sieben bestimmt wurde. Die BET-Oberflächen von sowohl den geätzten wie auch den nicht geätzten Proben wurden unter Verwendung einer Analysenvorrichtung Micromeritics Gemini 2360 und einer Analysenvorrichtung Micromeritics FlowPrep 060 bestimmt. Proben von ungefähr 0,5 g wurden bei 65°C in der FlowPrep 060-Analysenvorrichtung unter einer Stickstoffspülung für 1,5 Stunden getrocknet. Die Proben wurden entfernt und in die Gemini 2360-Analysenvorrichtung platziert, wo die Oberflächen bestimmt wurden. Zwei Durchläufe der nicht geätzten Proben zeigten eine mittlere Oberfläche von 4,3 m2/g (Lauf 1 = 4,3; Lauf 2 = 4,2), wohingegen zwei Durchläufe der geätzten Proben eine mittlere Oberfläche von 14,1 m2/g zeigten (Lauf 1 = 14,2; Lauf 2 = 13,9) zeigten.
  • Beispiel 7 – Herstellung von Tonschaum
  • A. Herstellung von Ruß unter Verwendung von zwei Tonarten
  • Eine 70:30 Beladung von Ton zu Stärke wurde wie folgt hergestellt: Wasser (32 g), Stärke (14,4 g), Cloisite Na+-Ton (7,8 g) und Somasif Fluorhectorit (25,8 g, von UnicoOP, Tokyo, Japan verfügbar) wurden in einem Speed-Mischer für 10 Minuten bei 3.000 Upm kombiniert. Sobald sie gemischt war, wurde die Probe zu einer dünnen Folie transportiert und mit 10 Tonnen Druck gepresst, um das Material abzuflachen. Das Material wurde bei 320°C für eine Stunde gebrannt, um einen Ruß zu bilden, von dem herausgefunden wurde, dass er 9% der Probe ausmacht. Die Probe wurde für 2 Minuten unter Verwendung einer Kaffeemahlmaschine gemahlen.
  • B. Herstellung von Keramik
  • HPMC-Pulver (Hydroxypropylmethylcellulose, 0,4 g) wurde in kochendem Wasser (10 ml destilliertes Wasser) aufgelöst, woraufhin zusätzliches Wasser (10 ml destilliertes Wasser) bei Raumtemperatur (20°C) unter Rühren zur Herstellung einer homogenen Lösung hinzu gegeben wurde. Dann wurde die Lösung zu dem in Schritt A hergestellten Ton-Ruß (19,6 g) gegeben und die Mischung wurde für 5 Minuten in einem Speed-Mischer bei 3.000 Upm gemischt. Die Probe wurde dann zu einem Becherglas transportiert und in einen Vakuumofen bei 95°C zur Trocknung über Nacht platziert. Die getrocknete Probe wurde dann gemahlen und unter Verwendung einer Pressform geformt. Die Probe wurde unter Verwendung einer Carver Laboratory Presse (5.000 Pfund) gepresst und geformt, dann in einem Brennofen bei 3.000°C gebrannt, um die organischen Materialien zu entzünden und die Tonarten zu sintern. Das Hitzeprofil für die Probe war: 20°C-1.000C in 100 Minuten; Halten bei 1.000°C für 20 Stunden; 1.000°C-20°C in 2-3 Stunden. Es wurde herausgefunden, dass die mittlere Porengröße der Probe 1,06 μm war; die Schüttdichte stellte sich als 1,64 g/ml heraus; die apparente Dichte war 2,53 g/ml und die prozentuale Porosität war 35,1%.

Claims (20)

  1. Ein Verbundstoff, enthaltend wenigstens einen expandierten Ton in Säulenform in einer carbonisierten Matrix, wobei der expandierte Ton eine zahlenmittlere Plättchenstapelung von nicht mehr als 100 Plättchen ermittelt durch Röntgenbeugung aufweist.
  2. Der Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei die zahlenmittlere Plättchenstapelung nicht größer als 10 ist.
  3. Der Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei der Ton wenigstens einen Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis, welcher ein Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 50:1 hat, und wenigstens einen multilamellaren Ton mit einem hohen Aspektverhältnis, welcher ein Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr 100:1 bis ungefähr 1000:1 hat, umfasst.
  4. Der Verbundstoff nach Anspruch 3, wobei der Ton mit niedrigem Aspektverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus expandierten Saponiten und Hectoriten; und der Ton mit hohem Aspektverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus expandierten Montmorilloniten, Fluorglimmern, Fluorhectoriten und Magadiiten.
  5. Der Verbundstoff nach Anspruch 1, welcher in einem Polymer dispergiert ist.
  6. Ein Verfahren zum Bilden eines Verbundstoffs, umfassend die Schritte a) Dispergieren und Expandieren eines multilamellaren Tons in einer Matrix, die ein carbonisierbares organisches Material enthält, um einen Vorläuferverbundstoff zu bilden, wobei die Matrix eine Viskosität hat, die ausreicht, um das Kollabieren des dispergierten und expandierten Tons zu verhindern; und b) Erwärmen des Vorläuferverbundstoffs unter solchen Bedingungen, um eine säulenförmige Dispersion des expandierten Tons in einer carbonisierten Matrix zu bilden.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Matrix ein Geliermittel mit einer Dielektrizitätskonstante von wenigstens 5 ist.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Geliermittel eine wässrige Lösung eines oder mehrerer Feststoffe ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stärken, Cyclodextrinen, Gelatinen, Zuckern und Cellulosethern.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Geliermittel eine wässrige Lösung einer Stärke ist.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Matrix ein Polymer ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetherpolyolen und Polyalkylenoxiden.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 6, welches außerdem nach Schritt (b) den Schritt (c), das Mahlen des Verbundstoffs, um eine säulenförmige Dispersion im Mikrometer- oder Submikrometergrößenbereich des expandierten Tons und der carbonisierten Matrix zu bilden, einschließt.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 11, welches außerdem nach Schritt (c) den Schritt des Erwärmens der säulenförmigen Dispersion auf eine ausreichende Temperatur, um die carbonisierte Matrix abzubrennen und einen porösen keramischen Schaum zu bilden, einschließt.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt (b) der Vorläuferverbundstoff auf eine Temperatur von wenigstens 300°C und nicht mehr als 600°C erwärmt wird.
  14. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Vorläuferverbundstoff unter solchen Bedingungen erwärmt wird, dass ein Gewichtsverlust von wenigstens ungefähr 50 und nicht mehr als ungefähr 90 Gew.-% des carbonisierbaren organischen Materials des Geliermittels erhalten wird.
  15. Das Verfahren nach Anspruch 11, welches außerdem nach Schritt (c) den Schritt enthält, dass der Ton in einem Lösungsmittel für den Ton gelöst wird und wenigstens etwas des Tons aus dem Verbundstoff extrahiert wird, um eine poröse carbonisierte Verbundmatrix zu bilden.
  16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Lösungsmittel sauer ist und wobei der Ton wenigstens einen durch Säure ätzbaren Ton und wenigstens einen Ton, der gegenüber einer Säureätzung resistent ist, enthält.
  17. Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei der wenigstens eine durch Säure ätzbare Ton ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Saponiten, Hectoriten, Fluorglimmern und Fluorhectoriten; und der wenigstens eine Ton, der gegenüber einer Säureätzung resistent ist, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Montmorriloniten und Magadiiten.
  18. Das Verfahren nach Anspruch 17, welches den Schritt des Dispergierens der porösen carbonisierten Matrix in einem Polymer einschließt.
  19. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ton wenigstens einen Ton mit einem niedrigen Aspektverhältnis mit einem Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 50:1 und wenigstens einen multilamellaren Ton mit einem hohen Aspektverhältnis mit einem Aspektverhältnis im Bereich von ungefähr 100:1 bis ungefähr 1000:1 einschließt.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei der multilamellare Ton mit niedrigem Aspektverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Saponiten und Hectoriten; und der multilamellare Ton mit hohem Aspektverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Montmorilloniten, Fluorglimmern, Fluorhectoriten und Magadiiten.
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