EP1838614A2 - Method for producing mixed oxides by way of spray pyrolysis - Google Patents

Method for producing mixed oxides by way of spray pyrolysis

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Publication number
EP1838614A2
EP1838614A2 EP05823940A EP05823940A EP1838614A2 EP 1838614 A2 EP1838614 A2 EP 1838614A2 EP 05823940 A EP05823940 A EP 05823940A EP 05823940 A EP05823940 A EP 05823940A EP 1838614 A2 EP1838614 A2 EP 1838614A2
Authority
EP
European Patent Office
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reactor
range
mixed oxide
solution
oxide powder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05823940A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter Riedel
Matthias Koch
Stefan Ambrosius
Steffen Frank
Tarek Khalil
Lars Leidolph
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Ibu Tec Advanced Materials AG
Original Assignee
Merck Patent GmbH
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Filing date
Publication date
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    • C04B2235/9653Translucent or transparent ceramics other than alumina

Definitions

  • pyrogenically prepared Mg-Al spinel having a stoichiometric ratio of Mg to Al of 1: 0.01 to 1: 20 and a process for its preparation claimed.
  • This is characterized in that salt solutions or dispersions in a (oxyhydrogen) flame at temperatures above 200 0 C are converted into MgAI 2 O 4 .
  • a special feature of this invention is the Aerosol generation by ultrasonic or with the help of a one-fluid nozzle, which operates at high pressures (up to 10,000 bar, preferably up to 100 bar).
  • flameless combustion in the form of a ramjet tube succeeds by introducing an additional amount of fuel gas (natural gas or hydrogen) to increase the energy input at the time at which no solvent inside the Particle is more present.
  • fuel gas natural gas or hydrogen
  • This energy is used to thermally decompose any residual salt and to accelerate or complete the solid-state chemical processes of mixed oxide formation.
  • the feeding of the reaction gas is carried out according to the invention after 20 - 40%, preferably 30% of the total residence time of the substances in the reactor.
  • Short-term reactors such as. B. in laboratory reactors, without the X-ray detection of residual single oxides (see Figure 10).
  • This particle size can be surprisingly by adding ammonium nitrate and
  • Fettalkoholethoxylat and optionally by dilution of the starting solution can be reduced again.
  • the Mg (OH) 2 is soluble or flocculates on further dilution finely dispersed. In both cases, homogeneous, finely dispersed spinel powder is produced.
  • a pilot plant reactor with a correspondingly increased product residence time in the order of 500-1000 milliseconds larger throughputs can be achieved in this way, producing products with similar powder characteristics (see particle size distribution of Figure 11).
  • the partially reacted, unannealed powder has a higher reactivity in the production of densely sintered bulk material.
  • this powder when hot pressed this powder for 30 min at 1600 0 C, a higher density (99.98% of the theoretical density compared to 98.7% at Use of the previously annealed powder) can be achieved.
  • this material After an annealing process at 1200 ° C. for heating the carbon, this material showed translucency, whereby with further optimization to minimize the crystallite size and residual porosity, a transparent material can be formed.
  • the crystalline phases are in addition to the target phase Y 3 Al 5 O 12, the phase YAIO 3 in about the same proportion as well as highly reactive transition aluminas (kappa and theta phase) and yttria.
  • This phase mixture can be converted by annealing at about 1000 0 C in the YAG phase.
  • the emulsion has improved stability when using such an emulsifier mixture (no segregation within 12 hours). This leads to the simplification of the technological process, to the improvement of the powder morphology (see Figure 15) as well as to the increase of the reproducibility of the powder properties.
  • Flux-free processes and subsequent calcinations at relatively high temperatures of up to 1600 ° C typically do not result in compact, spherical particles which would be advantageous for such applications.
  • Examples include: cerium magnesium aluminates such as. B. Ce o.65 Tb 0. 35 MgAI n O1 9 , prepared by coprecipitation of the metal hydroxides from nitrate solutions with NH 4 OH and subsequent annealing at 700 C for 2 h and then 1 h at 1500 0 C.
  • B BaMg 2 Al 16 O 27 IEu 2+ prepared by mixing Al 2 O 3 , BaCO 3 , MgCO 3 , and Eu 2 O 3 in the presence of a
  • the inventive method is not only applicable for the production of spherical particles of different particle sizes. It also offers the
  • Metal content of 6.365% Mg or 4.70% AI have.
  • the metal contents are determined by means of complexometric titration. Thereafter, an Mg-Al mixed nitrate solution is prepared by intensive stirring, which contains the elements Mg and Al in a molar ratio 1: 2.
  • the solution is diluted with ultrapure water in the ratio 1: 1.
  • Particle morphology spherical particles (see Figure 2) - specific surface area (BET): 25 m 2 / g
  • Particle morphology spherical particles
  • AIO OH
  • a magnesium acetate solution aqueous
  • AIO OH
  • Particle morphology spherical particles
  • An Mg-Al mixed nitrate solution according to Example 2 is prepared.
  • Emulsifier is then dissolved in the form of a random copolymer consisting of dodecyl methacrylate and hydroxyethyl methacrylate in a ratio of 2: 1 with a molecular weight of 5000 g / mol in petroleum ether (petroleum spirit with boiling range 100 to 140 0 C from. Merck KGaA), so that a 35 % solution is created.
  • This solution is mixed in a ratio of 2: 1 with the Mg-Al mixed nitrate solution by means of a stirrer.
  • Yttrium nitrate hexahydrate (Merck KGaA), aluminum nitrate nonahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) and cerium nitrate hexahydrate (quality "pure” from Merck KGaA) are each dissolved separately in ultrapure water, so that the Solutions have a metal content of 15.4% by mass of Y, 4.7% by mass of Al and 25.2% by mass of Ce, followed by the preparation of a Y-Al-Ce mixed nitrate solution which comprises the elements Y, Al and Ce in molar form This solution is diluted with ultrapure water in a ratio of 1: 1 and then there is a further addition of ammonium nitrate (quality for analysis by Merck KGaA) in an amount of 35% based on the nitrate salt content
  • This mixture is sprayed by means of two-fluid nozzle in a laboratory reactor, wherein the adjustment of the temperature profile in analogy to Example 2 takes place.
  • the particles are separated from the hot gas stream by means of hot gas filters.
  • Particle morphology spherical particles - specific surface area (BET): 6.9 m 2 / g
  • Phases X-ray diffractometry: crystalline fractions in the form of Y 3 Al 5 O 2 , YAIO 3 , Y 2 O 3 and amorphous fractions, presumably in the form of oxides

Abstract

The invention relates to a novel method for producing compact, spherical mixed oxide powders having an average particle size > 10 νm by way of spray pyrolysis. The invention also relates to the use of said powders as luminescent substances, as base material for luminescent substances or as a starting material for the manufacture of ceramics or for the production of high-density, high-strength and optionally transparent bulk material by way of hot-press molding techniques.

Description

Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden mittels Process for the preparation of mixed oxides by means of
Sprühpyrolysespray pyrolysis
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von kompakten, kugelförmigen Mischoxidpulvern mit einer mittleren Partikelgröße <10 μm durch Sprühpyrolyse, sowie deren Verwendung.The present invention relates to a novel process for the production of compact, spherical mixed oxide powders having an average particle size <10 μm by spray pyrolysis, and to the use thereof.
Mischoxid- Pulver mit Korngrößen im Nanometer- oder Submikrometer- Bereich werden im wesentlichen mit folgenden Verfahren hergestellt:Mixed oxide powders with particle sizes in the nanometer or submicrometer range are essentially produced by the following processes:
Mischen, Trocknen und nachfolgende thermische Zersetzung von Oxide, Carbonaten Nitraten, Acetaten, Chloriden o.a. Salzen (Festkörper- Reaktion); Kofällung sowie nachfolgende Trocknung und Kalzinierung; SoI- Gel-Technik; Hydrolyse von Alkoxiden; Plasma- Sprühverfahren; Sprühpyrolyse wässriger und organischer Salzlösungen.Mixing, drying and subsequent thermal decomposition of oxides, carbonates, nitrates, acetates, chlorides or the like. Salts (solid-state reaction); Coprecipitation and subsequent drying and calcination; SoI gel technique; Hydrolysis of alkoxides; Plasma spraying process; Spray pyrolysis of aqueous and organic salt solutions.
Die Sprühpyrolyse (SP) gehört zu den Aerosolverfahren, die durch Versprühen von Lösungen, Suspensionen oder Dispersionen in einen durch unterschiedliche Art und Weise erhitzten Reaktionsraum (Reaktor) sowie die Bildung und Abscheidung von Feststoff- Partikeln gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zur Sprühtrocknung mit Heißgastemperaturen < 3000C finden bei der Sprühpyrolyse als Hochtemperatur- Prozess außer der Verdampfung des Lösungsmittels zusätzlich die thermische Zersetzung der verwendeten Edukte (z. B. Salze) sowie die Neubildung von Stoffen (z. B. Oxide, Mischoxide) statt.Spray pyrolysis (SP) is one of the aerosol processes characterized by the spraying of solutions, suspensions or dispersions in a reaction chamber (reactor) heated in different ways, as well as the formation and separation of solid particles. In contrast to the spray-drying with hot gas temperatures <300 0 C in addition, the thermal decomposition of the starting materials used find in the spray pyrolysis as a high-temperature process in addition to the evaporation of the solvent (for. Example salts) and, for the formation of substances (., Oxides, mixed oxides ) instead of.
Durch Unterschiede in der Wärmeerzeugung und -Übertragung, der Zuführung von Energie und Aufgabeprodukt, der Art der Aerosolerzeugung und der Art der Partikelabscheidung gibt es eine Vielzahl von Verfahrensvarianten, die auch durch verschiedene Reaktor- Bauarten gekennzeichnet sind:Differences in heat generation and transfer, the supply of energy and feed product, the type of aerosol production and the type of particle separation, there are a variety of process variants, which are also characterized by different reactor designs:
❖ Heißwandreaktor - extern elektrisch beheiztes Rohr ggf. mit getrennt steuerbaren Heizzonen; niedriger Energieeintrag am Einsprühpunkt;❖ Hot wall reactor - externally electrically heated pipe if necessary with separately controllable heating zones; low energy input at Einsprühpunkt;
> Flammenpyrolyse- Reaktor - Energie- und Heißgaserzeugung mittels > Flame pyrolysis reactor - energy and hot gas production by means of
Reaktion von Brenngas (z. B. Wasserstoff) mit Sauerstoff oder Luft; Einsprühung direkt in die Flamme oder in die heißen Verbrennungsgase im Bereich nahe der Flamme; sehr hoher Energieeintrag am EinsprühpunktReaction of fuel gas (eg hydrogen) with oxygen or air; Spraying directly into the flame or into the hot combustion gases in the area near the flame; very high energy input at the injection point
: Heißgas- Reaktor - Heißgaserzeugung durch : hot gas reactor - hot gas generation by
# Elektro- Gaserhitzer ( Einbringen des Aerosols in das Trägergas; variabler, aber meist begrenzter (niedriger) Energieeintrag am Einsprühpunkt)# Electric gas heater (introducing the aerosol into the carrier gas, variable but mostly limited (low) energy input at the injection point)
# flammenlose, pulsierende Verbrennung von Wasserstoff oder Erdgas mit Luft in einem Pulsationsreaktor; im breiten Bereich steuerbarer Energieeintag am Einsprühpunkt; pulsierende Gasströmung mit hohem Turbulenzgrad (siehe internationale Patentanmeldung WO 02/072471 der Merck Patent GmbH)# flameless, pulsating combustion of hydrogen or natural gas with air in a pulsation reactor; broadly controllable energy input at the point of injection; pulsating gas flow with a high degree of turbulence (see international patent application WO 02/072471 of Merck Patent GmbH)
Als besonders effektiv erweisen sich Sprühpyrolyse- Verfahren, wenn es gelingt, die gewünschten Pulvereigenschaften wie Korngröße, Korngrößen- Verteilung, Partikelmorphologie und Gehalt an kristallographischen Phasen ohne weitere Nachbehandlung zu erreichen.Spray pyrolysis methods prove to be particularly effective if it is possible to achieve the desired powder properties such as grain size, particle size distribution, particle morphology and content of crystallographic phases without further aftertreatment.
Zu diesem Sachverhalt sind folgende Prozessvarianten der Literatur beschrieben:The following process variants of the literature are described for this situation:
Kuntz u.a. (DE 3916643 A1) beanspruchen ein Verfahren zur Herstellung von oxidischen Keramik- Pulvern durch Sprühpyrolyse von Metallnitratlösungen in Gegenwart von als Brennstoff fungierenden organischen Substanzen wie zum Beispiel Ethanol, Isopropanol, Weinsäure oder elementarer Kohlenstoff. Es wird die Herstellung Zinkoxid mit Zusätzen von Bi, Mn, Cr, Co, Sb2θ3 sowie Bi2Ti2O7- Pulver dargelegt.Kuntz et al. (DE 3916643 A1) claim a process for the production of oxidic ceramic powders by spray pyrolysis of metal nitrate solutions in the presence of organic substances acting as fuel, such as, for example, ethanol, isopropanol, tartaric acid or elemental carbon. It is the production of zinc oxide with additives of Bi, Mn, Cr, Co, Sb 2 θ 3, and Bi 2 Ti 2 O 7 - explained powder.
Hilarius (DE 4320836 A1) beschreibt einen Prozess zur Herstellung einesHilarius (DE 4320836 A1) describes a process for producing a
Metalloxidpulvers, das die Dotierelemente für einen keramischen Varistor auf Basis von dotiertem Zinkoxid enthält, wobei das Metalloxidpulver kristalline Phasen mit Spinell- und/oder Pyrochlor- Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst Verbindungen der erforderlichen Dotierelemente im vorgesehenen stöchiometrischen Verhältnis zu einer gemeinsamen wässrigen homogen- dispersen Lösung mischt und diese dann der Sprühpyrolyse unterzieht.Metal oxide powder containing the doping elements for a ceramic varistor based on doped zinc oxide, wherein the metal oxide powder crystalline phases having spinel and / or pyrochlore structure, characterized in that first compounds of the required doping elements in the proposed stoichiometric ratio to a mixed aqueous homogeneous-disperse solution and then subjected to the spray pyrolysis.
In DE 4307 333 A1 (Butzke) wird vorgeschlagen, die Mischnitratlösungen mit den Elementen Zn, Sb, Bi, Co, Mn, Cr vor der Sprühpyrolyse zunächst in einer organischen Phase zu dispergieren und zu emulgieren, um feinteilige, sphärische Metalloxidpulver zu erzeugen.In DE 4307 333 A1 (Butzke) it is proposed to first disperse and emulsify the mixed nitrate solutions with the elements Zn, Sb, Bi, Co, Mn, Cr before the spray pyrolysis in an organic phase in order to produce finely divided, spherical metal oxide powders.
Im Journal of the Korean Ceramic Soc. 27 (1990), Nr.8; S. 955-964 wird über die Herstellung von AI2O3-Zrθ2-Komposit-Pulvern mit einer Emulsions-In the Journal of the Korean Ceramic Soc. 27 (1990), No. 8; Pp. 955-964 describes the preparation of Al 2 O 3 -ZrO 2 composite powders with an emulsion
Sprühpyrolyse-Methode berichtet, wobei als Ausgangsstoffe AI2(SO4)3 ' 14 H2O und ZrOCI2 ' 8H2O verwendet werden. Es wird ein Heißwandreaktor mit Temperaturen im Bereich von 900-950 0C angewendet. Aufgrund der kurzen Verweilzeiten konnte die Phasenausbildung von Alpha-AI2O3 und tetragonalem ZrO2 im Sinne eines Komposites erst nach einer zusätzlichen Glühbehandlung bei einer Temperatur von 12000C erhalten werden und nicht direkt ein zu einer einheitlichen Phase reagiertes einheitliches Mischoxid.Spray pyrolysis method reported being used as starting materials Al 2 (SO 4) 3 '14 H 2 O and ZrOCl 2' 8H 2 O. It is a hot wall reactor with temperatures in the range of 900-950 0 C applied. Due to the short residence times, the phase formation of alpha-Al 2 O 3 and tetragonal ZrO 2 in the sense of a composite could be obtained only after an additional annealing at a temperature of 1200 0 C and not directly reacted to a uniform phase uniform mixed oxide.
WO 0078672 A1 beschreibt die Verwendung eines Permeations- u. Heißgas- Reaktors ein Sprühpyrolyse-Verfahrens sowie das Zerstäuben von Metallsalz- Lösungen oder Suspensionen mittels Zerstäubungssystem aus Düsenplatte u. piezokeramischem Oszillator.WO 0078672 A1 describes the use of a permeation u. Hot gas reactor, a spray pyrolysis method and the sputtering of metal salt solutions or suspensions by means of sputtering nozzle plate u. piezoceramic oscillator.
In WO 02072471 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von multinären Metalloxidpulvern für deren Verwendung als Vorstufe für Hochtemperatur- Supraleiter beschrieben, wobei die entsprechenden Metalloxidpulver in einem Pulsationsreaktor hergestellt werden und mindestens drei Elemente, ausgewählt aus Cu. Bi, Pb, Y. Tl1 Hg, La, Lanthanide, Erdalkalimetalle enthalten.WO 02072471 A1 describes a process for the preparation of multinary metal oxide powders for their use as precursors for high-temperature superconductors, wherein the corresponding metal oxide powders are produced in a pulsation reactor and at least three elements selected from Cu. Bi, Pb, Y. Tl 1 Hg, La, lanthanides, alkaline earth metals.
EP 0 371 211 beschreibt eine Sprühkalzinierung zur Herstellung von Keramikpulver durch Einsprühen von Lösungen oder Suspensionen mittels Düse in einen Flammen-Pyrolyse-Reaktor. Zum Versprühen wird ein brennbares Gas (Wasserstoff) verwendet. Das bedeutet, dass das Brenngas und die Salz-Lösungen über eine Zweistoffdüse an gleicher Stelle in den - A -EP 0 371 211 describes a spray calcination for producing ceramic powder by spraying solutions or suspensions with a nozzle into a flame pyrolysis reactor. For spraying a combustible gas (hydrogen) is used. This means that the fuel gas and the salt solutions through a two-fluid nozzle in the same place in the - A -
Reaktor gelangen. Die für die Verbrennung notwendige Luft strömt durch eine Fritte am oberen Ende des Reaktors ein.Arrive reactor. The air required for combustion flows through a frit at the top of the reactor.
Gemäß DE 195 05 133 A1 erfolgt die Wasserstoff-Flammenpyrolyse, indem die Salz-Lösungen mit dem Sauerstoffgas als Komponente des Reaktionsgases dem Reaktor zugeführt werden.According to DE 195 05 133 A1, the hydrogen flame pyrolysis takes place by supplying the salt solutions with the oxygen gas as a component of the reaction gas to the reactor.
Aus der Beschreibung des Patents EP 703 188 B1 ist zu entnehmen, dass dotierte, amorphe und vollständig umgewandelte ZnO-Pulver hergestellt werden können, indem die Kombination eines oxidierenden mit einem reduzierenden Stoffes in einem Temperaturbereich zwischen 220 und 2600C zur Reaktion gebracht werden. In einer exothermen Reaktion entsteht das gewünschte Oxid pulverförmig.It is apparent from the specification of the patent EP 703 188 B1 that doped, amorphous and completely converted ZnO powders can be produced by reacting the combination of an oxidizing agent with a reducing agent in a temperature range between 220 and 260 ° C. In an exothermic reaction, the desired oxide is formed in powder form.
Durch EP 1 142 830 A1 werden pyrolytisch hergestellte oxidische Nanopulver wie z.B. Zrθ2, TiO2 und AI2O3 , die eine spez. Oberfläche im Bereich von 1 - 600 m2/g und einen Chloridgehalt <0,05% aufweisen, beansprucht.EP 1 142 830 A1 discloses pyrolytically produced oxidic nanopowders, such as, for example, ZrO 2 , TiO 2 and Al 2 O 3 , which have a spec. Surface in the range of 1 - 600 m 2 / g and a chloride content <0.05% claimed.
Gemäß JP10338520 können Yttrium-Aluminium- Oxidpulver durch Sprühkalzinierung von wässrigen Yttrium- und Aluminium- Salzlösungen hergestellt werden, wobei vorzugsweise PoIy- Aluminiumchlorid als ein Ausgangsprodukt verwendet wird.According to JP10338520, yttrium-aluminum oxide powders can be prepared by spray calcination of aqueous yttrium and aluminum salt solutions, preferably using poly (aluminum chloride) as a starting material.
In WO2003/070640 A1 wird ein Prozess beschrieben zur Herstellung von Nanopulver auf Basis von AI2O3, SiO2; TiO2, ZrO2 und Zusätzen vonWO2003 / 070640 A1 describes a process for producing nanopowders based on Al 2 O 3 , SiO 2 ; TiO 2 , ZrO 2 and additions of
Übergangs- Metalloxiden, Lanthaniden sowie Actiniden unter Verwendung einer Kombination von Metall-Alkoholaten und Carboxylaten, die in oxidierend wirkenden Lösungsmitteln gelöst werden. Während der Pyrolyse erfolgt eine Phasensegregation in mindestens zwei unterschiedliche Phasen.Transition metal oxides, lanthanides and actinides using a combination of metal alkoxides and carboxylates dissolved in oxidizing solvents. During pyrolysis, phase segregation occurs in at least two different phases.
In DE 102 57 001 A1 wird nanoskaliger (d.h. <0,1μm), pyrogen hergestellter Mg-Al-Spinell mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Mg zu AI von 1 : 0,01 bis 1 : 20 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beansprucht. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass Salzlösungen oder Dispersionen in einer (Knallgas-) Flamme bei Temperaturen oberhalb 2000C in MgAI2O4 umgewandelt werden. Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung ist die Aerosolerzeugung durch Ultraschallvemebler oder mit Hilfe einer Einstoffdüse, die bei hohen Drücken (bis zu 10000 bar, vorzugsweise bis zu 100 bar) arbeitet.In DE 102 57 001 A1 nanoscale (ie <0.1 .mu.m), pyrogenically prepared Mg-Al spinel having a stoichiometric ratio of Mg to Al of 1: 0.01 to 1: 20 and a process for its preparation claimed. This is characterized in that salt solutions or dispersions in a (oxyhydrogen) flame at temperatures above 200 0 C are converted into MgAI 2 O 4 . A special feature of this invention is the Aerosol generation by ultrasonic or with the help of a one-fluid nozzle, which operates at high pressures (up to 10,000 bar, preferably up to 100 bar).
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass mit Ultraschallvemeblem im allgemeinen nur geringe Produktdurchsätze erreicht werden können. Das Arbeiten bei einem Druck von bis zu 100 bar oder gar bis zu 10000 bar ist mit sehr hohem technischen Aufwand verbunden, so dass diese Variante für Spraypyrolyseanlagen im technischen Maßstab an sich ohne Bedeutung ist.The disadvantage of this method is that generally only small product throughputs can be achieved with ultrasonic vibblers. Working at a pressure of up to 100 bar or even up to 10,000 bar is associated with very high technical complexity, so that this variant for spray pyrolysis on an industrial scale in itself is of no importance.
Die oben genannten Verfahren bzw. die damit hergestellten Produkte enthalten weiterhin folgende nachteilige Merkmale:The above-mentioned methods or the products produced therewith furthermore have the following disadvantageous features:
Zur Herstellung von Submikron- oder Nanopulvern werden meist teure metall- organische Edukte, vorwiegend gelöst in organischen Lösungsmitteln, verwendet.To produce submicron or nanopowders, expensive metal-organic starting materials, mainly dissolved in organic solvents, are usually used.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher diese Nachteile zu überwinden und ein preiswertes, einfach durchführbares Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch das Mischoxide als kompakte, kugelförmige Partikel einer mittleren Korngröße <10μm hergestellt werden können. Insbesondere ist es aber auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung Mischoxide zur Verfügung zu stellen, die zur Herstellung von hochdichtem, hochfestem, gegebenenfalls transparentem Bulkmaterial oder als Basismaterial für Leuchtstoffe bzw. als Leuchtstoff oder als Ausgangsprodukt für die Keramik- Herstellung dienen können.Object of the present invention is therefore to overcome these disadvantages and to provide an inexpensive, easy to carry out process can be prepared by the mixed oxides as compact, spherical particles of a mean particle size <10 .mu.m. In particular, it is also an object of the present invention to provide mixed oxides which can be used for the production of high-density, high-strength, optionally transparent bulk material or as a base material for phosphors or as a phosphor or as a starting material for ceramic production.
Mittels Flammen-Sprühpyrolyse können meist keine nichtprösen, spährischen Vollpartikel hergestellt werden. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von kostengünstigen Chloriden und Nitraten als Ausgangsstoffen (siehe Bild 1).By means of flame spray pyrolysis it is usually not possible to produce non-prone spastic full particles. This is especially true when using inexpensive chlorides and nitrates as starting materials (see Figure 1).
Überraschenderweise kann die vorliegende Aufgabe gelöst werden, indem einerseits in einer Sprühpyrolyse in ihrer Zusammensetzung veränderte Eduktlösungen, eingesetzt werden, und andererseits die Eduktlösungen in Pyrolysereaktoren mit spezieller Temperaturführung versprüht und pyrolysiert werden, wobei während der Pyrolysereaktion eine zusätzliche Brennstoffzugabe an einem Punkt erfolgt, der sich im Reaktor bezogen auf den Einsprühpunkt an einem nachgelagerten Ort befindet.Surprisingly, the present object can be achieved by, on the one hand in a spray pyrolysis in their composition modified educt solutions are used, and on the other hand sprayed the educt solutions in pyrolysis with special temperature control and pyrolyzed, wherein during the pyrolysis an additional Fuel addition occurs at a point that is located in the reactor at a downstream location with respect to the Einsprühpunkt.
Insbesondere wird diese Aufgabe gelöst durch Verwendung von vorzugsweise wässrigen Salzlösungen, Suspensionen oder Dispersionen in Verbindung mitIn particular, this object is achieved by using preferably aqueous salt solutions, suspensions or dispersions in conjunction with
Zusätzen, durch welche die Tröpfchengröße der versprühten Lösungen, Suspensionen oder Dispersionen erheblich verringert wird. Weiterhin erfolgt die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe durch eine spezielle Gestaltung des Sprühpyrolyse-Verfahrens, das auf dem Einsprühen des Aufgabegutes in einen Heißgasstrom, vorzugsweise in den durch flammenlose, pulsierendeAdditives by which the droplet size of the sprayed solutions, suspensions or dispersions is significantly reduced. Furthermore, the solution of the object according to the invention by a special design of the spray pyrolysis method, which is based on the spraying of the feed material in a hot gas stream, preferably in the flameless, pulsating
Verbrennung erzeugten Gasstrom eines Pulsationsreaktors in Form eines extern beheizten Rohrreaktors mit speziellem Temperaturprofil (Heißwandreaktor) beruht.Burn generated gas flow of a pulsation reactor in the form of an externally heated tubular reactor with a special temperature profile (hot wall reactor) is based.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich erheblich von den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durch den Reaktoraufbau, die Verfahrensgestaltung, die Energieübertragung, den Reaktionsablauf der eigentlichen Mischoxidbildung.The process according to the invention differs considerably from the processes known from the prior art by the reactor structure, the process design, the energy transfer, the course of the reaction of the actual mixed oxide formation.
Es wurde gefunden, dass die oben genannten Nachteile überwunden werden können durch die Einstellung eines bestimmten Verhältnisses zwischen der Menge der eingespeisten Luft und der Menge der eingesprühten Eduktlösung beim Einsprühen mittels Zweistoffdüse, und durch gleichzeitige Absenkung des Energieeintrages am Einsprühpunkt in Verbindung mit dem Einbringen zusätzlichen Brennstoffes im mittleren Teil des Pyrolysereaktors und Eintragen von inhärenter chemischer Energie durch Stoffe mit einer exothermen chemischen Zersetzungsreaktion und gleichzeitig oxidierender Wirkung. Die zusätzliche Zugabe von Tensid, z. B. in Form eines Fettalkohol-Ethoxylates, bewirkt die Ausbildung feinerer Partikel mit noch ebenmäßigerer Kugelform.It has been found that the above-mentioned disadvantages can be overcome by setting a certain ratio between the amount of injected air and the amount of injected educt solution when spraying by two-fluid nozzle, and by simultaneously lowering the energy input at Einsprühpunkt in conjunction with the introduction of additional fuel in the middle part of the pyrolysis reactor and introduction of inherent chemical energy by substances with an exothermic chemical decomposition reaction and at the same time oxidizing action. The additional addition of surfactant, e.g. B. in the form of a fatty alcohol ethoxylate, causes the formation of finer particles with even more even spherical shape.
Am Beispiel von Pulvern auf Basis von Mg- und Y-Aluminaten sowie Ba- Titanat kann gezeigt werden, dass mittels Kombination der erfinderischen Maßnahmen feindisperse, kugelförmige Pulver mit mittleren Korngrößen im Bereich von 0,01 - 2 μm hergestellt werden können ( siehe z. B. Bilder 2 bis 6). Poren sind dabei an den Partikeln im REM-BiId mit bis zu 20 000- facher Vergrößerung im Gegensatz zu den nicht erfindungsgemäßen Pulvern von Bild 1 nicht zu erkennen (siehe Bilder 4 und 6).The example of powders based on Mg and Y aluminates and Ba titanate it can be shown that by means of combination of the inventive measures finely dispersed, spherical powder having average particle sizes in the range of 0.01 - 2 microns can be prepared (see, for. B. pictures 2 to 6). Pores on the particles are up to 20,000 times longer in SEM imaging Magnification in contrast to the not inventive powders of Figure 1 can not be seen (see Figures 4 and 6).
Dabei wurden als Ausgangsstoffe Mischnitratlösungen verwendet, welche die entsprechenden Elemente im erforderlichen stöchiometrischen Verhältnis enthalten. Als chemischer Energieträger wurde diesen Lösungen Ammoniumnitrat in einem Anteil von 10 - 50 %, vorzugsweise 20 - 40 %, bezogen auf den Salzgehalt der Ausgangslösung zugegeben. Mit einer Verdünnung um vorzugsweise 50% kann die Korngröße weiter reduziert werden.In this case mixed nitrate solutions were used as starting materials, which contain the corresponding elements in the required stoichiometric ratio. As a chemical energy carrier ammonium nitrate was added to these solutions in a proportion of 10 - 50%, preferably 20 - 40%, based on the salt content of the starting solution. With a dilution of preferably 50%, the grain size can be further reduced.
Erfindungsgemäß ist es notwendig, den Energieeintrag am Einsprühpunkt zu reduzieren, um eine schnelle Krustenbildung auf den sich während der Verdampfung des Lösungsmittels bildenden Partikeln zu vermeiden. Dabei geschieht es zunächst, dass bei technisch relevanten Speisedurchsätzen aufgrund der kurzen Verweilzeiten in den Pyrolysereaktoren nicht in jedem Fall eine vollständige Umwandlung zu den Mischoxiden erfolgt und die Pulver einen Glühverlust größer als 5% enthalten.According to the invention, it is necessary to reduce the energy input at the injection point in order to avoid rapid crust formation on the particles forming during the evaporation of the solvent. It first happens that in technically relevant Speisesurchsätzen due to the short residence times in the pyrolysis not always a complete conversion to the mixed oxides and the powders contain an ignition loss greater than 5%.
Insbesondere bei der Verwendung eines Reaktors mit Heißgaserzeugung durch pulsierende, flammenlose Verbrennung in Form eines Staustrahlrohres (Pulsationsreaktor) gelingt es, durch Einbringen einer zusätzlichen Menge von Brenngas (Erdgas oder Wasserstoff) den Energieeintrag zu dem Zeitpunkt zu erhöhen, an dem kein Lösungsmittel im Inneren der Partikel mehr vorhanden ist. Diese Energie dient dazu, noch vorhandene Salz-Reste thermisch zu zersetzen und die festkörperchemischen Prozesse der Mischoxid-Bildung zu beschleunigen bzw. abzuschließen. Das Einspeisen des Reaktionsgases erfolgt erfindungsgemäß nach 20 - 40%, vorzugsweise 30% der Gesamtverweilzeit der Stoffe im Reaktor.In particular, when using a reactor with hot gas generation by pulsating, flameless combustion in the form of a ramjet tube (pulsation reactor) succeeds by introducing an additional amount of fuel gas (natural gas or hydrogen) to increase the energy input at the time at which no solvent inside the Particle is more present. This energy is used to thermally decompose any residual salt and to accelerate or complete the solid-state chemical processes of mixed oxide formation. The feeding of the reaction gas is carried out according to the invention after 20 - 40%, preferably 30% of the total residence time of the substances in the reactor.
Überraschend wurde festgestellt, dass in einem Labor- Reaktor geringer Baugröße und kurzen Produktverweilzeiten von ca. 200-500 Millisekunden, ausgehend von einer Mg-Al- Mischnitratlösung die vollständige Umsetzung zum MgAI2O4 erreicht werden kann. Die Morphologie der auf diese Weise hergestellten Partikel ist kugelförmig und die mittlere Partikelgröße beträgt 1 ,8 μm. (s. Bild 7). Der Glühverlust beträgt hier bedingt durch Anlagerung von OH- Gruppen auf der Pulveroberfläche ca. 2%. Für die Weiterverarbeitung zu einem keramischen Material ist dies nicht nachteilig, denn das Pulver ist in Wasser sehr gut dispergierbar, denn es weist Zeta- Potenziale oberhalb 100 mV (4 < pH < 6) auf.Surprisingly, it was found that in a laboratory reactor of small size and short product residence times of about 200-500 milliseconds, starting from a Mg-Al mixed nitrate solution, the complete conversion to MgAl 2 O 4 can be achieved. The morphology of the particles produced in this way is spherical and the average particle size is 1, 8 microns. (see picture 7). The loss on ignition is here due to addition of OH Groups on the powder surface about 2%. This is not disadvantageous for further processing into a ceramic material, since the powder is very readily dispersible in water, since it has zeta potentials above 100 mV (4 <pH <6).
Aus diesem Grund ist es auch möglich, im Sinne eines kostengünstigen Top Down-Prozesses mittels Dispergierung in Wasser und nachfolgender Zerkleinerung in Ringspalt- oder Rührwerkskugelmühlen Submikron-Pulver herzustellen (siehe Korngrößenverteilung von Bild 8). Dies gelingt andererseits auch durch Abtrennung der Grobpartikel mittels Sichten oder Zerkleinerung in Fließbett-Gegenstrahl-Mühlen (s. Korngrößenverteilung von Bild 9).For this reason, it is also possible to produce submicron powder in the sense of a cost-effective top-down process by means of dispersion in water and subsequent comminution in annular gap or stirred ball mills (see particle size distribution of FIG. 8). On the other hand, this is also possible by separating off the coarse particles by means of sifting or comminution in fluidized bed counter-jet mills (see particle size distribution of FIG.
Als besonders überraschend erwies sich, dass nicht nur durch Lösen, sondern auch durch Dispergieren von Salzen bzw. Hydroxiden, wie z. B. von Mg(OH)2 in Aluminiumnitratlösung die Spinellbildung mittels Sprühpyrolyse inAs was particularly surprising that not only by dissolving, but also by dispersing salts or hydroxides, such as. B. of Mg (OH) 2 in aluminum nitrate solution spinel formation by spray pyrolysis in
Kurzzeitreaktoren, wie z. B. in Laborreaktoren, erreichbar ist, und zwar ohne den röntgenographisch Nachweis von Rest-Single-Oxide (s. Bild 10). Dies erhöht den Metallgehalt des Ausgaηgsproduktes und den Produktaustrag erheblich, führt aber zu höheren mittleren Korngrößen von ca. 6 μm. Diese Partikelgröße kann überraschend durch Zugabe von Ammoniumnitrat undShort-term reactors, such as. B. in laboratory reactors, without the X-ray detection of residual single oxides (see Figure 10). This significantly increases the metal content of the Ausgaηgsproduktes and the product discharge, but leads to higher average particle sizes of about 6 microns. This particle size can be surprisingly by adding ammonium nitrate and
Fettalkoholethoxylat und ggf. durch Verdünnung der Ausgangslösung wieder reduziert werden. Je nach Wassergehalt der AI-Nitratlösung ist das Mg(OH)2 löslich oder flockt bei weiterer Verdünnung feindispers aus. In beiden Fällen wird homogenes, feindisperses Spinell-Pulver erzeugt. In einem Technikums- Reaktor mit entsprechend erhöhter Produkt-Verweilzeit in der Größenordnung von 500-1000 Millisekunden können auf diese Weise größere Durchsätze erreicht werden, wobei Produkte mit ähnlichen Pulvermerkmalen erzeugt werdn (s. Korngrößen- Verteilung von Bild 11).Fettalkoholethoxylat and optionally by dilution of the starting solution can be reduced again. Depending on the water content of the Al nitrate solution, the Mg (OH) 2 is soluble or flocculates on further dilution finely dispersed. In both cases, homogeneous, finely dispersed spinel powder is produced. In a pilot plant reactor with a correspondingly increased product residence time in the order of 500-1000 milliseconds, larger throughputs can be achieved in this way, producing products with similar powder characteristics (see particle size distribution of Figure 11).
Eine weitere erfindungsgemäße Edukt-Variante ist eine wässrigeAnother educt variant according to the invention is an aqueous
Magnesiumacetatlösung mit darin dispergiertem AIO(OH) als AI-Komponente (s. Beispiel 7). Damit gelingt die Herstellung von Feinst-Pulver, das im Pulsationsreaktor vollständig bis zum Spinell umgesetzt wird.Magnesium acetate solution with dispersed therein AIO (OH) as an AI component (see Example 7). This makes it possible to produce ultrafine powder, which is completely converted in the pulsation reactor to spinel.
Die Herstellung von Submikron-Pulver gelingt erfindungsgemäß auch durch die Sprühpyrolyse einer Lösung von Al-Tri-Isopropylat in Petrolether mit nachfolgender Dispergierung von feinkörnigem Mg- Ethylat. Die hohe inhärente chemische Energie führt im Prozess der Sprühpyrolyse zur Bildung von Partikeln im Bereich von 100- 200 nm (siehe Bild 12). Dabei erfolgt die Temperaturbegrenzung am Einsprühpunkt durch die Anordnung eines vorgeschalteten, pulsierenden Heißgaserzeugers, die Edukt-Einsprühung und gleichzeitige Kaltluftzugabe in der Brennkammer sowie die Brennstoffzufuhr im Resonanzrohr.According to the invention, the production of submicron powder can also be achieved by the spray pyrolysis of a solution of Al tri isopropylate in petroleum ether subsequent dispersion of fine-grained Mg-ethylate. The high inherent chemical energy leads to the formation of particles in the range of 100-200 nm in the process of spray pyrolysis (see Figure 12). The temperature limitation takes place at the injection point by the arrangement of an upstream, pulsating hot gas generator, the educt injection and simultaneous cold air addition in the combustion chamber and the fuel supply in the resonance tube.
Auch die Edukt-Kombination in Form von Ba-Acetat und Tetra-Isopropyl- Titanat führt zu kugelförmigen Ba-titanat-Pulvem im submikron Bereich (s. Beispiel 9).The starting material combination in the form of Ba acetate and tetra-isopropyl titanate also leads to spherical Ba titanate powders in the submicron range (see Example 9).
Im System Y-Al-O wird die Phasenbildung besonders stark durch die Art der Edukte und deren thermische Zersetzung beeinflusst.In the Y-Al-O system, phase formation is strongly influenced by the nature of the reactants and their thermal decomposition.
Gemäß J. of Alloys and Compounds 255 (1997), S.102-105 ist es insbesondere mittels Festkörperreaktionsprozessen schwierig, phasenreines, kubisches Y3AI5O-I2 (YAG) herzustellen. Auch bei Glühtemperaturen von 16000C seien neben der kubischen YAG-Phase die Oxide von AI und Y sowie die Phasen YAIO3 (Perowskitphase: YAP) und Y4AI2O9 (monokline Phase: YAM) enthalten.According to J. of Alloys and Compounds 255 (1997), pp. 102-105, it is difficult to produce phase-pure cubic Y 3 Al 5 O- 12 (YAG), in particular by means of solid-state reaction processes. Even at annealing temperatures of 1600 0 C in addition to the YAG cubic phase, the oxides of AI and Y, and the phases were YAlO 3 (perovskite phase: YAP) and Y 4 Al 2 O 9 (monoclinic phase: YAM) included.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden u.a. die Nitrate von Yttrium und Aluminium als Ausgangsprodukte für die Sprühpyrolyse verwendet. In diesem Fall entsteht zunächst noch nicht die der chemischen Ausgangs- Zusammensetzung entsprechende Phase Y3AI5O12, sondern teilweise amorphes Aluminiumoxid und ein Phasengemisch von Yttrium-Aluminaten in Form von ca. 90% YAIO3 und ca. 10% Y3AI5O12 . Durch eine thermische Nachbehandlung im Temperaturbereich von 9000C bis 12000C, vorzugsweise 11000C kann das Material vollständig in die kubische YAG- Phase umgewandelt werden (siehe Bild 13). Dies ist insbesondere für die Anwendung als Leuchtstoff notwendig.In the process according to the invention, inter alia, the nitrates of yttrium and aluminum are used as starting materials for spray pyrolysis. In this case, the phase Y 3 Al 5 O 12 corresponding to the starting chemical composition is initially not formed, but partially amorphous aluminum oxide and a phase mixture of yttrium aluminates in the form of about 90% YAIO 3 and about 10% Y 3 Al 5 O 12 . By a thermal aftertreatment in the temperature range of 900 0 C to 1200 0 C, preferably 1100 0 C, the material can be completely converted into the cubic YAG phase (see Figure 13). This is necessary in particular for use as a phosphor.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass das teilreagierte, ungeglühte Pulver eine höhere Reaktivität bei der Herstellung von dicht gesintertem Bulkmaterial aufweist. So konnte beim Heißpressen dieses Pulvers 30 min bei 16000C eine höhere Dichte (99,98 % der theoretischen Dichte gegenüber 98,7 % bei Verwendung des vorher geglühten Pulvers) erreicht werden. Nach einem Glühprozess bei 12000C zum Ausheizen des Kohlenstoffes, zeigte dieses Material Transluzenz, wobei mit weiterer Optimierung zur Minimierung der Kristallitgröße und Rest- Porosität ein transparentes Material gebildet werden kann.However, it has been found that the partially reacted, unannealed powder has a higher reactivity in the production of densely sintered bulk material. Thus, when hot pressed this powder for 30 min at 1600 0 C, a higher density (99.98% of the theoretical density compared to 98.7% at Use of the previously annealed powder) can be achieved. After an annealing process at 1200 ° C. for heating the carbon, this material showed translucency, whereby with further optimization to minimize the crystallite size and residual porosity, a transparent material can be formed.
Eine besonders enge Kornverteilung kann mit der Eduktauswahl in Form Y- Chlorid-Lösung gemischt mit einer Aluminiumnitratlösung im entsprechend der späteren Stöchiometrie vorgegebenen Mischungsverhältnis erreicht werden (s. Bild 14). Dabei entstehen in einem Heißwandreaktor mit sehr kurzerA particularly narrow particle size distribution can be achieved by mixing the starting material in the form of Y chloride solution mixed with an aluminum nitrate solution in a mixing ratio which is predetermined in accordance with the later stoichiometry (see Figure 14). This results in a hot wall reactor with a very short
Produktverweilzeit ca. 80% amorphe Pulveranteile. Die kristallinen Phasen sind neben der Zielphase Y3AI5O12 die Phase YAIO3 in etwa gleich großem Anteil sowie hochreaktive Übergangs-Aluminiumoxide (Kappa- u. Theta- Phase) und Yttriumoxid. Dieses Phasengemisch kann durch Glühung bei ca. 10000C in die YAG- Phase umgewandelt werden.Product residence time approx. 80% amorphous powder content. The crystalline phases are in addition to the target phase Y 3 Al 5 O 12, the phase YAIO 3 in about the same proportion as well as highly reactive transition aluminas (kappa and theta phase) and yttria. This phase mixture can be converted by annealing at about 1000 0 C in the YAG phase.
Die für die Herstellung von Mg-Aluminat-Pulver beschriebenen Merkmale, dass durch die Kombination von Zusätzen in Form von Wasser, Ammonium- Nitrat und Tensid sowie Steuerung der Temperaturverhältnisse im Reaktor die Partikelmorphologie, deren Größe und Größenverteilung gezielt beeinflusst werden kann, treffen auch für die Yttrium- Aluminate zu. In dem erfindungsgemäß angefertigten Pulver gemäß Bild 3 - 6 sind runde Vollpartikel bis zu ca. 2 μm Größe erkennbar.The characteristics described for the preparation of Mg-aluminate powder, that the particle morphology, the size and size distribution of which can be influenced in a targeted manner by the combination of additives in the form of water, ammonium nitrate and surfactant as well as control of the temperature conditions in the reactor, also apply to the yttrium aluminates too. In the powder produced according to the invention according to FIGS. 3 to 6, round solid particles up to approximately 2 μm in size can be seen.
Eine von den Sprühbedingungen unabhängige Beeinflussung der Partikelgröße gelingt durch die Herstellung und Sprühpyrolyse von Emulsionen.An independent of the spray conditions influencing the particle size succeeds by the production and spray pyrolysis of emulsions.
Bei dem in DE 4307 333 beschriebenen Prozess wird das zu versprühende Material in einen extern, elektrisch beheizten Rohrreaktor oder vorzugsweise direkt in den Bereich der mittels Verbrennung eines brennbaren Gases wie Propan, Butan oder Erdgas und (Luft-)Sauerstoff erzeugten Flamme eingebracht. Als besonders zweckmäßig wird dort eine kombinierte Anordnung von Gasbrenner und Einspritzdüse genannt, wobei die Einspritzdüse vorzugsweise zentral im Brennerkopf angeordnet ist. Es wird angegeben, dadurch sei ein maximaler Kontakt der versprühten Emulsionströpfchen mit der Brennerflamme gewährleistet. Bei dem in der Literatur [Journal of the Korean Ceramic Soc.27 (1990), Nr.8; S. 955-964] beschriebenen Verfahren handelt es sich ebenfalls um einen elektrisch beheizten Rohrreaktor.In the process described in DE 4307 333, the material to be sprayed is introduced into an externally, electrically heated tubular reactor or preferably directly into the region of the flame produced by combustion of a combustible gas such as propane, butane or natural gas and (air) oxygen. As particularly useful there is called a combined arrangement of gas burner and injector, wherein the injection nozzle is preferably arranged centrally in the burner head. It is stated that this ensures maximum contact of the sprayed emulsion droplets with the burner flame. In the literature [Journal of Korean Ceramic Soc. 27 (1990), No. 8; S. 955-964] is also an electrically heated tubular reactor.
Im Unterschied hierzu wird die Emulsion mit dem erfindungsgemäßenIn contrast, the emulsion with the inventive
Verfahren in den mittels pulsierender, flammenloser Verbrennung von Erdgas oder Wasserstoff mit Luft erzeugten Heißgasstrom gesprüht, wobei die Temperatur im mittleren Reaktorteil auf ca. 1030 0C begrenzt wird.Spraying process in the produced by means of pulsating flameless combustion of natural gas or hydrogen with hot air stream, the temperature in the central part of the reactor is limited to about 1030 0 C.
Die Herstellung der Emulsion erfolgt zum Beispiel durch intensives Vermischen der Salzlösung und dem Dispergiermedium sowie dem Emulgator in einem Hochdruck-Homogenisator der Bauart der Firma Niro Soavi.The preparation of the emulsion is carried out, for example, by intensive mixing of the salt solution and the dispersion medium and the emulsifier in a high-pressure homogenizer of the type of Niro Soavi.
Dabei können als Emulgatoren Sorbitan-Fettsäure-Derivate oder besonders vorteilhaft ein Gemisch aus diesen mit einem statistischen Copolymer enthaltend hydrophobe und hydrophile Seitenketten im Verhältnis von 4 : 1 bis 2 : 3; bevorzugt ein statistisches Copolymer bestehend aus Dodecylmethacrylat und Hydroxethylmethacrylat im Verhältnis 1 : 1 bis 3 : 1 angewendet werden, wie in europäischen Patentanmeldung Nr. 04023002.1 der Merck Patent GmbH, eingereicht am 28.09.2004, beschrieben.Here, as emulsifiers, sorbitan fatty acid derivatives or particularly advantageously a mixture of these with a random copolymer containing hydrophobic and hydrophilic side chains in a ratio of 4: 1 to 2: 3; Preferably, a random copolymer consisting of dodecyl methacrylate and hydroxyethyl methacrylate in a ratio of 1: 1 to 3: 1 are used as described in European Patent Application No. 04023002.1 of Merck Patent GmbH, filed on 28.09.2004.
Entsprechende Copolymere, lassen sich durch die allgemeine der Formel ICorresponding copolymers can be defined by the general formula I
beschreiben, worin die Reste X und Y üblichen nichtionischen oder ionischenin which the radicals X and Y are conventional nonionic or ionic
Monomeren entsprechen undCorrespond to monomers and
R1 Wasserstoff oder eine hydrophobe Seitengruppe, vorzugsweise ausgewählt aus den verzweigten oder unverzweigten Alkylresten mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen bei denen ein oder mehrere, vorzugsweise alle H-Atome durch Fluor-Atome ersetzt sein können, bedeuten und unabhängig von R1 R2 für eine hydrophile Seitengruppe steht, die vorzugsweise einen Phosphonat- , Sulfonat-, Polyol- oder Polyether-Rest aufweist. Insbesondere bevorzugt sind erfindungsgemäß solche Polymere, in denen -Y-R2 für eine Betainstruktur steht.R 1 is hydrogen or a hydrophobic side group, preferably selected from the branched or unbranched alkyl radicals having at least 4 carbon atoms in which one or more, preferably all H atoms may be replaced by fluorine atoms, and independently of R 1 R 2 is a hydrophilic side group which preferably has a phosphonate, sulfonate, polyol or polyether radical. Particularly preferred according to the invention are those polymers in which -YR 2 is a betaine structure.
In diesem Zusammenhang sind solche Copolymere gemäß Formel I wiederum besonders bevorzugt, bei denen X und Y unabhängig voneinander für -O-, - C(=O)-O-, -C(=O)-NH-, -(CH2V, Phenyl, Naphthyl oder Pyridiyl stehen. Weiterhin weisen im erfindungsgemäßen Einsatz Copolymere bei denen mindestens eine Struktureinheit mindestens ein quarternäres Stickstoffatom enthält, wobei R2 vorzugsweise für eine Seitengruppe -(CH2)m-(N+(CH3)2)- (CH2)n-SO3 " oder eine Seitengruppe -(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-Pθ32" steht, wobei m eine ganze Zahl aus dem Bereich von 1 bis 30 bedeutet, vorzugsweise aus dem Bereich 1 bis 6, insbesondere bevorzugt 2, und n steht für eine ganze Zahl aus dem Bereich von 1 bis 30, vorzugsweise aus dem Bereich 1 bis 8, insbesondere bevorzugt 3, besonders vorteilhafte Eigenschaften auf.In this context, those copolymers according to formula I are again particularly preferred in which X and Y independently of one another are -O-, - C (= O) -O-, -C (= O) -NH-, - (CH 2 V Furthermore, in the use according to the invention copolymers in which at least one structural unit contains at least one quaternary nitrogen atom, where R 2 is preferably a side group - (CH 2 ) m - (N + (CH 3 ) 2 ) - ( CH 2 ) n -SO 3 " or a side group - (CH 2 ) m - (N + (CH 3 ) 2) - (CH 2 ) n -PO 3 2" , where m is an integer from the range of 1 to 30 is preferably from the range 1 to 6, particularly preferably 2, and n is an integer from the range of 1 to 30, preferably from the range 1 to 8, particularly preferably 3, particularly advantageous properties.
Die Emulsion hat bei Verwendung eines solchen Emulgator-Gemisches eine verbesserte Stabilität (keine Entmischung innerhalb von 12 Stunden). Dies führt zur Vereinfachung des technologischen Ablaufes, zur Verbesserung der Pulvermorphologie (siehe Bild 15) sowie zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Pulvereigenschaften.The emulsion has improved stability when using such an emulsifier mixture (no segregation within 12 hours). This leads to the simplification of the technological process, to the improvement of the powder morphology (see Figure 15) as well as to the increase of the reproducibility of the powder properties.
Das Einbringen von brennbaren Substanzen mit der Emulsion wie Petrolether in den Reaktor muss durch Reduzierung der Brenngaszufuhr zum Reaktor entsprechend kompensiert werden, damit es nicht zur Bildung harter Agglomerate kommt. Durch Einstellung einer Referenztemperatur von 1000 bis 10500C im Resonanzrohr des Pulsationsreaktors wird dies gewährleistet und trotzdem wird die vollständige Spinellbildung erreicht.The introduction of combustible substances with the emulsion such as petroleum ether in the reactor must be compensated by reducing the fuel gas supply to the reactor accordingly, so that it does not lead to the formation of hard agglomerates. By setting a reference temperature of 1000 to 1050 0 C in the resonance tube of the pulsation reactor, this is guaranteed and still the complete spinel formation is achieved.
Die mit den oben beschriebenen Mitteln hergestellten Pulver mit den unterschiedlichen Korngrößen und Korngrößenverteilungen können in verschiedener Weise weiter verarbeitet bzw. angewendet werden. Zur Herstellung hochdichter, feinkristalliner, ggf. transparenter Keramiken bei relativ niedrigen Sinter-Temperaturen bieten feindisperse Pulver erhebliche Vorteile, wobei für die Heißpresstechnologie Pulver von ca. 100 nm Korngröße angewendet werden können. Mit anderen keramischen Verfahren sind diese Pulver meist nicht oder nur mit erhöhtem technischen Aufwand bei derThe powders having the different particle sizes and particle size distributions prepared by the above-described means can be further processed in various ways. For the production of high-density, fine-crystalline, possibly transparent ceramics at relatively low sintering temperatures, finely dispersed powders offer considerable advantages, with powders of about 100 nm particle size being able to be used for the hot-pressing technology. With other ceramic methods, these powders are usually not or only with increased technical effort in the
Formgebung verarbeitbar. Für diese Verfahren empfiehlt sich die Verwendung von Pulvern im Submikrometer-Bereich.Shaping processable. For these methods, the use of powders in the submicrometer range is recommended.
Sollen spezielle Eigenschaften, wie hohe mechanische Festigkeiten und/oder optische Transparenz erreicht werden, dann sind Pulver mit mittleren Korngrößen von 0,3 - 0,6 μm und engen Korngrößenverteilungen, z. B. charakterisiert durch dgg-Werte der Korngrößen-Volumenverteilung im Bereich von 1 bis 3μm vorteilhaft anwendbar (siehe Bild 8 und 9).If special properties such as high mechanical strengths and / or optical transparency are to be achieved, then powders with mean particle sizes of 0.3-0.6 μm and narrow particle size distributions, eg. B. characterized by dgg values of the particle size volume distribution in the range of 1 to 3 microns advantageously applicable (see Figure 8 and 9).
Mit Seltenen Erd-Elementen (SE), wie z. B. Ce, Pr, Nd, Sm1 Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb und deren Mischungen, dotierte Magnesium- oder Yttrium- Aluminate werden gemäß dem Stand der Technik als Leuchtstoff-Material angewendet, wobei die o.g. SE-Metalle als Aktivator-Eiemente wirksam sind [Angew. Chem. 110(1998); S. 3250- 3272]. Als Beispiele werden u.a. genannt:With rare earth elements (SE), such as As Ce, Pr, Nd, Sm 1 Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb and mixtures thereof, doped magnesium or yttrium aluminates are used according to the prior art as a phosphor material, the above SE -Metals are effective as activator Eiemente [Angew. Chem. 110 (1998); Pp. 3250-3272]. Examples include:
Y3AI5Oi2:Ce; (Yi-xGdx)3 (AI1-yGay)5Oi2:Ce ; Y3(AI1Ga)5O12Tb; BaMgAI10Oi7:Eu; BaMgAI10Oi7:Eu,Mn; (Ce,Tb)MgAlnO19:Eu; Sr4Ah4O25: Eu; SrAI12Oi9:Ce.Y 3 Al 5 O 2 : Ce; (Yi -x Gd x ) 3 (Al 1-y Ga y ) 5 Oi 2 : Ce; Y 3 (Al 1 Ga) 5 O 12 Tb; BaMgAI 10 Oi 7 : Eu; BaMgAI 10 Oi 7 : Eu, Mn; (Ce, Tb) MgAlnO 19 : Eu; Sr 4 Ah 4 O 25 : Eu; SrAl 12 Oi 9 : Ce.
Aus dem Fachmann zugänglicher Fachliteratur (Römpp's Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995;From specialist literature accessible to the person skilled in the art (Römpp's Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart / New York: Georg Thieme Verlag 1995;
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002 ; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA.;Article Online Posting Date: June 15, 2000) ist bekannt, dass die Herstellung von Leuchtstoffen im technischen Maßstab in elektrisch oder gasbeheizten Brennöfen je nach Art der Grundstoffe bei Temperaturen zwischen ca. 700° u. 1600° erfolgt. Insbesondere in Festkörperreaktions-Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; Article Online Posting Date: June 15, 2000) is known that the production of phosphors on an industrial scale in electric or gas-fired furnaces depending on the nature of the raw materials at temperatures between about 700 ° u , 1600 ° takes place. Especially in solid-state reaction
Prozessen ohne Zugabe von Flussmittel und nachfolgender Kalzinierung bei relativ hohen Temperaturen von bis zu 1600°C führt dies in der Regel nicht zu kompakten, kugelförmigen Partikeln, die für derartige Anwendungen von Vorteil wären. Beispiele hierfür sind: Cerium Magnesium Aluminate wie z. B. Ceo.65 Tb 0.35 MgAI n O19, hergestellt durch Kofällung der Metallhydroxide aus Nitratlösungen mit NH4OH und nachfolgendem Glühen bei 700 C für 2h und nachfolgend 1h bei 15000C.Flux-free processes and subsequent calcinations at relatively high temperatures of up to 1600 ° C typically do not result in compact, spherical particles which would be advantageous for such applications. Examples include: cerium magnesium aluminates such as. B. Ce o.65 Tb 0. 35 MgAI n O1 9 , prepared by coprecipitation of the metal hydroxides from nitrate solutions with NH 4 OH and subsequent annealing at 700 C for 2 h and then 1 h at 1500 0 C.
Barium-Magnesium-Aluminate wie z. B BaMg2AI16O27IEu2+, hergestellt durch Mischen von AI2O3, BaCO3, MgCO3, and Eu2O3 in Gegenwart einesBarium magnesium aluminates such. B BaMg 2 Al 16 O 27 IEu 2+ prepared by mixing Al 2 O 3 , BaCO 3 , MgCO 3 , and Eu 2 O 3 in the presence of a
Flussmittels und einer schwach reduzierenden Atmosphäre bei 1100 bis 12000C.Flux and a low reducing atmosphere at 1100 to 1200 0 C.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur anwendbar zur Herstellung kugelförmiger Partikel unterschiedlicher Korngrößen. Es bietet auch dieThe inventive method is not only applicable for the production of spherical particles of different particle sizes. It also offers the
Möglichkeit, derartige Stoffsysteme in entsprechender Weise herzustellen, weil ausgehend vom Vermischen und Versprühen von Salzlösungen eine Vielzahl unterschiedlicher Dotierungen, auch in geringer Menge eingebracht und homogen verteilt werden kann. Selbst, wenn zur Einstellung einer bestimmten Phasenzusammensetzung ein nachträglicher Glühprozess notwendig ist, kann die dafür einzustellende Temperatur niedriger gewählt werden und die Pulvermorphologie sowie die Homogenität bleiben bis zum Endprodukt erhalten.Possibility to produce such material systems in a corresponding manner, because starting from the mixing and spraying of salt solutions, a multiplicity of different dopants, even in small quantities, can be introduced and homogeneously distributed. Even if a post-annealing process is necessary to set a particular phase composition, the temperature to be set can be set lower and the powder morphology and homogeneity retained until the final product.
Am Vergleich eines undotierten und mit Ce dotierten Y3AI5Oi2 -Materials kann festgestellt werden, dass auch mit der Dotierung (s. Beispiel 12) nach der Sprühpyrolyse vorliegendes Pulver durch eine thermische Nachbehandlung bei 12000C vollständig in die kubische Kristall-Phase umgewandelt wird.On comparison of an undoped and doped with Ce, Y 3 Al 5 O 2 material can be found that even with the dopant (s. Example 12) vorliegendes after the spray pyrolysis powder by a thermal post-treatment at 1200 0 C completely into the cubic crystal Phase is converted.
Diese Pulver können wegen ihrer kugelförmigen Morphologie und der damit im Vergleich zu anderen geometrischen Formen erreichbaren höheren Packungsdichte, vorteilhaft als Leuchtstoff-Basis-Material verwendet werden. Diese sind dann besonders vorteilhaft für die Herstellung von Weißlicht emittierenden Beleuchtungssystemen durch Kombination eines blauen Emitters mit den o.g. Leuchtstoffen z. B. für anorganische und organische Leuchtdioden einsetzbar.These powders, because of their spherical morphology and the higher packing density that can be achieved with respect to other geometric shapes, can be advantageously used as the phosphor base material. These are then particularly advantageous for the production of white light emitting lighting systems by combining a blue emitter with the o.g. Phosphors z. B. for inorganic and organic light emitting diodes used.
Die Variabilität der erfindungsgemäß herstellbaren Pulver ermöglicht auch die einfache und preiswerte Herstellung von abrieb- und kratzfesten Schichten, die auch transparent sein können und mit den in der Technik üblichen Methoden des Plasma-Sprühens, Flammen-Sprühens, Spin Coatings, Dip Coatings mit gegebenenfalls nachfolgender thermischer Behandlung erzeugt werden können.The variability of the powder which can be produced according to the invention also makes possible the simple and inexpensive production of abrasion- and scratch-resistant layers, which can also be transparent and with the methods of plasma spraying, flame spraying, spin coatings, dip coatings customary in the art optionally subsequent thermal treatment can be generated.
BeispieleExamples
Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung der Erfindung werden im folgenden Beispiele gegeben, die mit Ausnahme von Beispiel 1 im Rahmen des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Diese Beispiele dienen auch zur Veranschaulichung möglicher Varianten. Aufgrund der allgemeinen Gültigkeit des beschriebenen Erfindungsprinzips sind die Beispiele jedoch nicht geeignet, den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nur auf diese zu reduzieren.For a better understanding and clarification of the invention, examples which, with the exception of example 1, are within the scope of the present invention are given below. These examples also serve to illustrate possible variants. Due to the general validity of the described principle of the invention, however, the examples are not suitable for reducing the scope of protection of the present application only to these.
Die in den Beispielen gegebenen Temperaturen gelten immer in 0C. Es versteht sich weiterhin von selbst, dass sich sowohl in der Beschreibung als auch in den Beispielen die zugegebenen Mengen der Komponenten in den Zusammensetzungen immer zu insgesamt 100% addieren. Gegebene Prozentangaben sind immer im gegebenen Zusammenhang zu sehen. Sie beziehen sich üblicherweise aber immer auf die Masse der angegebenen Teil- oder Gesamtmenge.The temperatures given in the examples always apply to 0 C. It goes without saying that in both the description and in the examples the added amounts of the components in the compositions always add up to a total of 100%. Given percentages are always to be seen in the given context. However, they usually refer to the mass of the specified partial or total quantity.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel, nicht erfindungsgemäß)Example 1 (comparative example, not according to the invention)
Magnesiumnitrat- Hexahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) und Aluminiumnitrat-nonahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) werden jeweils getrennt in Reinst-Wasser gelöst, so dass die Lösungen einen Metallgehalt von 6,365% Mg bzw. 4,70% AI aufweisen. Die Metallgehalte werden mit Hilfe der komplexometrischen Titration bestimmt. Danach wird mittels intensivem Rühren eine Mg-Al-Mischnitratlösung hergestellt, welche die Elemente Mg und AI im molaren Verhältnis 1 : 2 enthält.Magnesium nitrate hexahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) and aluminum nitrate nonahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) are each dissolved separately in ultrapure water so that the solutions have a metal content of 6.365% Mg or 4, 70% AI. The metal contents are determined by means of complexometric titration. Then, by means of intensive stirring, a Mg-Al mixed nitrate solution is prepared which contains the elements Mg and Al in a molar ratio of 1: 2.
Diese wird mit einem Speisedurchsatz von 2kg/h in eine durch Verbrennung von Wasserstoff und Luft erzeugte Flamme eingesprüht (Wasserstoff- Flammenpyrolyse-Reaktor). Die Flammentemperatur beträgt dabei >1000°C, die Reaktortemperatur am Referenzpunkt (Reaktorende, an dem die Reaktionsgase aus dem Reaktionsraum austreten) beträgt 700°C. Der Pulveraustrag beträgt 0,2 kg/h.This is sprayed with a feed rate of 2kg / h into a flame generated by combustion of hydrogen and air (hydrogen flame pyrolysis reactor). The flame temperature is> 1000 ° C, the reactor temperature at the reference point (reactor end at which the Reaction gases escape from the reaction space) is 700 ° C. The powder discharge is 0.2 kg / h.
Pulvereiqenschaften: - Glühverlust: 0,86%Powder associations: - loss on ignition: 0.86%
- Korngrößenverteilung: Cl50= 4,7 μm , dg5 = 15,2 μm, d99i9= 38 μm- Grain size distribution: Cl 50 = 4.7 microns, dg 5 = 15.2 microns, d 99i9 = 38 microns
- Partikelmorphologie: unregelmäßig geformt, viele Poren (siehe Bild 1 )- Particle morphology: irregularly shaped, many pores (see picture 1)
- spezifische Oberfläche (BET): 38 m2/g- specific surface area (BET): 38 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4) gut kristallisiert.- Phases (X-ray diffractometry): Spinel (MgAl 2 O 4 ) well crystallized.
Beispiel 2 (erfindungsgemäß)Example 2 (according to the invention)
Magnesiumnitrat-Hexahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) und Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) werden jeweils getrennt in Reinst-Wasser gelöst, so dass die Lösungen einenMagnesium nitrate hexahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) and aluminum nitrate nonahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) are each dissolved separately in ultrapure water, so that the solutions have a
Metallgehalt von 6,365% Mg bzw. 4,70% AI aufweisen. Die Metallgehalte werden mit Hilfe der komplexometrischen Titration bestimmt. Danach wird durch intensives Rühren eine Mg-Al-Mischnitratlösung hergestellt, welche die Elemente Mg und AI im molaren Verhältnis 1 :2 enthält. Die Lösung wird mit Reinst-Wasser im Verhältnis 1 :1 verdünnt.Metal content of 6.365% Mg or 4.70% AI have. The metal contents are determined by means of complexometric titration. Thereafter, an Mg-Al mixed nitrate solution is prepared by intensive stirring, which contains the elements Mg and Al in a molar ratio 1: 2. The solution is diluted with ultrapure water in the ratio 1: 1.
Es erfolgt ein weiterer Zusatz von Ammoniumnitrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) in einer Menge von 35% bezogen auf den Nitratsalzgehalt und von einem Fettalkoholethoxylat (Lutensol AO3 der BASF AG) in einer Menge von 10% bezogen auf die Masse der gesamten Lösung.There is a further addition of ammonium nitrate (quality for analysis of the company. Merck KGaA) in an amount of 35% based on the Nitratsalzgehalt and of a fatty alcohol ethoxylate (Lutensol AO3 BASF AG) in an amount of 10% based on the mass of the total Solution.
Nach 2-stündigem Rühren wird diese Mischung mit einem Speisedurchsatz von 10 kg/h mittels Zweistoffdüse (Verhältnis Speise : Luft= 0,5) in den Heißgasstrom, erzeugt durch flammenlose Verbrennung von Erdgas und Luft, der Brennkammer eines Pulsationsreaktors (Technikumsmaßstab) eingebracht. Die Brennkammertemperatur beträgt 726 0C. Nachdem der Heißgasstrom mit den neu gebildeten Feststoffpartikeln und den Reaktionsgasen die Brennkammer durchströmt hat, wird er im Resonanzrohr durch Zuführung von weiterem Brennstoff in Form von Wasserstoff auf 10270C nochmals erwärmt. Vor Eintritt in den Filter wird der Gas-Partikelstrom durch Zufuhr von Umgebungsluft auf ca. 160 0C abgekühlt. Dadurch können zum Abtrennen der Pulverpartikel aus dem Gasstrom kostengünstige Kassettenfilter anstelle von Heißgasfiltern verwendet werden.After stirring for 2 hours, this mixture is introduced at a feed rate of 10 kg / h by means of a two-fluid nozzle (ratio feed: air = 0.5) in the hot gas flow generated by flameless combustion of natural gas and air, the combustion chamber of a pulsation reactor (pilot plant scale). The combustion chamber temperature is 726 0 C. After the hot gas flow has flowed through the combustion chamber with the newly formed solid particles and the reaction gases, it is reheated in the resonance tube by supplying more fuel in the form of hydrogen to 1027 0 C. Before entering the filter, the gas particle stream is cooled by supplying ambient air to about 160 0 C. As a result, cost-effective cassette filters instead of hot gas filters can be used to separate the powder particles from the gas stream.
Der prinzipielle Aufbau des Pulsationsreaktors einschließlich des Temperaturverlaufes ist im Bild 16 dargestellt.The basic design of the pulsation reactor including the temperature profile is shown in Figure 16.
Weitere Reaktor- Parameter: - Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas): 26 : 1Further reactor parameters: - Ratio of combustion air quantity to fuel quantity (natural gas): 26: 1
- Verhältnis der Zusatzbrennstoffmenge (H2) zur Brennstoffmenge (Erdgas): 4,25 : 1- ratio of additional fuel quantity (H2) to fuel quantity (natural gas): 4.25: 1
- Verhältnis Luft zu Aufgabegut (Lösung) an der Zweistoffdüse: 2,35 : 1.- Air to feed ratio (solution) at the two-fluid nozzle: 2.35: 1.
Pulvereiqenschaften:Powder Properties:
- Glühverlust: 1 ,6%- loss on ignition: 1, 6%
- Korngrößenverteilung: d50= 1 ,8 μm , d95 = 3,4 μm, d99,9= 6 //m (s. Bild 7)- particle size distribution: d 50 = 1, 8 μm, d 95 = 3.4 μm, d 99 , 9 = 6 // m (see Figure 7)
- Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel (siehe Bild 2) - spezifische Oberfläche (BET): 25 m2/gParticle morphology: spherical particles (see Figure 2) - specific surface area (BET): 25 m 2 / g
- Phasen (Röntgen-Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4) gut kristallisiert.- Phases (X-ray diffractometry): Spinel (MgAl 2 O 4 ) well crystallized.
Beispiel 3 (erfindungsgemäß)Example 3 (according to the invention)
Yttriumnitrat-Hexahydrat (Fa. Merck KGaA) und Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) werden jeweils getrennt in Reinst- Wasser gelöst, so dass die Lösungen einen Metallgehalt von 15,4% Y bzw. 4,7% AI aufweisen. Die Metallgehalte werden mit Hilfe der komplexometrischen Titration bestimmt. Danach wird durch intensives Rühren eine Y-Al- Mischnitratlösung hergestellt, worin die Elemente Y und AI im molaren Verhältnis 3 : 5 enthalten sind. Die Lösung wird mit Reinst-Wasser im Verhältnis 1 : 1 verdünnt.Yttrium nitrate hexahydrate (Merck KGaA) and aluminum nitrate nonahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) are each dissolved separately in ultrapure water so that the solutions have a metal content of 15.4% Y or 4.7% AI have. The metal contents are determined by means of complexometric titration. Thereafter, a Y-Al mixed nitrate solution is prepared by intensive stirring, wherein the elements Y and AI in a molar ratio of 3: 5 are included. The solution is diluted with ultrapure water in the ratio 1: 1.
Es erfolgt ein weiterer Zusatz von Ammoniumnitrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) in einer Menge von 35% bezogen auf den Nitrat-Salzgehalt und von einem Fettalkoholethoxylat (Lutensol AO3 der BASF) in einer Menge von 10% bezogen auf die Masse der gesamten Lösung.There is a further addition of ammonium nitrate (quality for analysis of the company. Merck KGaA) in an amount of 35% based on the nitrate salt content and from a fatty alcohol ethoxylate (Lutensol AO3 from BASF) in an amount of 10% based on the mass of the total solution.
Nach 2-stündigem Rühren wird diese Mischung mit einem Speisedurchsatz von 10 kg/h mittels Zweistoffdüse (Verhältnis Speise : Luft = 0,5) in denAfter stirring for 2 hours, this mixture with a feed throughput of 10 kg / h by means of two-fluid nozzle (ratio feed: air = 0.5) in the
Heißgasstrom, erzeugt durch flammenlose Verbrennung von Erdgas und Luft, der Brennkammer eines Pulsationsreaktors (Technikumsmaßstab) eingebracht. Die Brennkammertemperatur beträgt 695 0C. Nachdem der Heißgasstrom mit den neu gebildeten Feststoffpartikeln und den Reaktionsgasen die Brennkammer durchströmt hat, wird er im Resonanzrohr durch Zuführung von weiterem Brennstoff in Form von Wasserstoff nochmals auf 10250C erhitzt.Hot gas stream, produced by flameless combustion of natural gas and air, the combustion chamber of a pulsation reactor (pilot plant scale) introduced. The combustion chamber temperature is 695 0 C. After the hot gas stream has flowed through the combustion chamber with the newly formed solid particles and the reaction gases, it is again heated to 1025 ° C. in the resonance tube by supplying further fuel in the form of hydrogen.
Weitere Reaktor- Parameter: - Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas) : 26 : 1Further reactor parameters: - Ratio of combustion air quantity to fuel quantity (natural gas): 26: 1
- Verhältnis der Zusatzbrennstoffmenge (H2) zur Brennstoffmenge (Erdgas): 4,25 : 1- ratio of additional fuel quantity (H2) to fuel quantity (natural gas): 4.25: 1
- Verhältnis Luft zu Aufgabegut (Lösung) an der Zweistoffdüse: 2,35 : 1.- Air to feed ratio (solution) at the two-fluid nozzle: 2.35: 1.
Pulvereiqenschaften:Powder Properties:
- Glühverlust: 0,5%Ignition loss: 0.5%
- Korngrößenverteilung: d50= 1 ,4 μm , dgs = 3 μm, d99,9= 5 μm - Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel (siehe Bild 5 und 6)- particle size distribution: d 50 = 1, 4 μm, dgs = 3 μm, d 99 , 9 = 5 μm - Particle morphology: spherical particles (see Figures 5 and 6)
- spezifische Oberfläche (BET): 7 m2/g- specific surface area (BET): 7 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): kristalline Anteile in Form von 11 % Y3AI5O12 (YAG) und 89 %YAIO3(YAP)Phases (X-ray diffractometry): crystalline fractions in the form of 11% Y 3 Al 5 O 12 (YAG) and 89% YAIO 3 (YAP)
Nach Glühung 4h bei 12000C an Luft: - spezifische Oberfläche (BET): 5 m2/gAfter annealing for 4 h at 1200 ° C. in air: - specific surface area (BET): 5 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): 100% Y3AI5Oi2 (YAG)- Phases (X-ray diffractometry): 100% Y 3 Al 5 O 2 (YAG)
Beispiel 4 (erfindungsgemäß)Example 4 (according to the invention)
Herstellung der Lösungen und Sprühpyrolyse im Pulsationsreaktor gemäß Beispiel 2. Das aus dem Reaktor ausgetragene Pulver wird in entionisiertem Wasser dispergiert, so dass der Feststoff gehalt 30 Masse% beträgt. In einer Ringspaltkugelmühle vom Typ „Coball MiII" der Fa. Fryma wird die Dispersion unter Verwendung von 1 mm-AI2O3-Kugeln 200 min mit folgenden Parametern gemahlen:Preparation of the solutions and spray pyrolysis in the pulsation reactor according to Example 2. The discharged from the reactor powder is dispersed in deionized water, so that the solids content is 30% by weight. In a ring-gap ball mill of the "Coball MiII" type from Fryma, the dispersion is ground for 200 minutes using 1 mm Al 2 O 3 spheres with the following parameters:
- Rotordrehzahl - 1900 U/min; entspricht einer Umfangesgeschwindigkeit von 13 m/sRotor speed - 1900 rpm; corresponds to a peripheral speed of 13 m / s
- Durchsatz - 40 kg/h - pH-Wert - 8- Throughput - 40 kg / h - pH - 8
- gesamter Energieeintrag - 4,7 kWh.- total energy input - 4.7 kWh.
Die Suspension wird anschließend in einem Laborsprühtrockner vom Typ Niro Minor getrocknet.The suspension is then dried in a Niro Minor laboratory spray dryer.
Pulvereiqenschaften:Powder Properties:
- Glühverlust: 1 ,6%- loss on ignition: 1, 6%
- Korngrößenverteilung: d5o= 0,4 μm , d95 = 2,8 μm, 4μm (s. Bild 8).Grain size distribution: d 5 o = 0.4 μm, d 95 = 2.8 μm, 4μm (see Fig. 8).
- Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel - spezifische Oberfläche (BET): 35 m2/gParticle morphology: spherical particles - specific surface area (BET): 35 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4).- Phases (X-ray diffractometry): Spinel (MgAl 2 O 4 ).
Beispiel 5 (erfindungsgemäß)Example 5 (according to the invention)
Herstellung der Y-Nitrat-und AI-Nitrat-Lösungen und Sprühpyrolyse im Pulsationsreaktor erfolgen gemäß Beispiel 3.Production of the Y nitrate and Al nitrate solutions and spray pyrolysis in the pulsation reactor are carried out according to Example 3.
Das hergestellte Pulver wird zur möglichst vollständigen Bildung der YAG- Phase in einem Kammerofen 4 h bei 113O0C geglüht und enthält danach 98,5% kubisches Y3AI5O12 (YAG) und 1 ,5% hexagonales YAI12Oi9 ■ Danach erfolgt die Grobpartikelabtrennung mit dem Kanalrad-Sichter 100MZR mit einer Sichterrad-Drehzahl von 19 000 U/min, einem Luftdurchsatz von 15 m3/h sowie einem Produktdurchsatz von 0,4 kg/h.The powder produced is annealed for 4 h at 113O 0 C in a chamber furnace for the fullest possible formation of YAG phase and then contains 98.5% cubic Y3AI5O12 (YAG) and 1, 5% hexagonal YAI 12 Oi 9 ■ Then, the coarse particle separation is carried out with the channel wheel classifier 100MZR with a Sichterrad-speed of 19 000 U / min, an air flow of 15 m 3 / h and a product throughput of 0.4 kg / h.
Pulvereiqenschaften: - Glühverlust: 0,5%Powder associations: - Ignition loss: 0.5%
- Korngrößenverteilung: d50= 0,48 μm , dg5 = 1 ,7 μm, d99?9= 3 μm (s. Bild 9). - Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel- Grain size distribution: d 50 = 0.48 μm, dg 5 = 1.7 μm, d 99? 9 = 3 μm (see Fig. 9). Particle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 21 m2/g- specific surface area (BET): 21 m 2 / g
Beispiel 6 (erfindungsgemäß)Example 6 (according to the invention)
In 1 ,2 kg Aluminiumnitratlösung mit einem Metallgehalt von 4,5% werden 0,06 kg Mg(OH)2 vom Typ Magnifin-H10 der Fa. Magnesia- Produkte GmbH dispergiert und nach Zusatz von 0,254 kg Ammoniumnitrat in den Laborreaktor gesprüht und pyrolysiert, wobei die Einstellung des Temperaturprofils in Analogie zu Beispiel 2 erfolgt.In 1.2 kg of aluminum nitrate solution having a metal content of 4.5%, 0.06 kg of Mg (OH) 2 of the type Magnifin-H10 from the company Magnesia-Produkte GmbH are dispersed and, after addition of 0.254 kg of ammonium nitrate, sprayed into the laboratory reactor and pyrolyzed , wherein the adjustment of the temperature profile in analogy to Example 2 takes place.
Reaktor- Parameter:Reactor parameters:
- Temperatur Brennkammer: 8000C - Temperatur Resonanzrohr: 10800C- Temperature combustion chamber: 800 0 C - Temperature resonance tube: 1080 0 C
- Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoff menge (Erdgas): 40:1- Ratio of combustion air quantity to fuel quantity (natural gas): 40: 1
- Faktor Speise: Luft an der Zweistoffdüse: 0,4.- Feed factor: air at the two-fluid nozzle: 0.4.
Pulvereiqenschaften: - Glühverlust: 2,0%Powder Industry: - Loss on ignition: 2.0%
- Korngrößenverteilung: d50= 3,2 μm , d95 = 8,6 μm, d99,9= 15 μm- Grain size distribution: d 50 = 3.2 microns, d 95 = 8.6 microns, d 99 , 9 = 15 microns
- Partikelmorphologie: kugelförmige PartikelParticle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 18 m2/g- specific surface area (BET): 18 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4) ohne Nachweis von Rest-Single-Oxiden (s. Bild 10).- Phases (X-ray diffractometry): Spinel (MgAl 2 O 4 ) without detection of residual single oxides (see Figure 10).
Das Versprühen dieser Suspension, die nochmals im Verhältnis 1 : 1 mit Reinstwasser verdünnt wird, in einem Technikumsreaktor gemäß Beispiel 2 führt zu folgenden Pulvereiqenschaften:The spraying of this suspension, which is again diluted in a ratio of 1: 1 with ultrapure water, in a pilot plant reactor according to Example 2 leads to the following powder properties:
- Glühverlust: 1 ,2%- loss on ignition: 1, 2%
- Korngrößenverteilung: d5o= 2,1 μm , d95 = 4,4 μm, d99|9= 6 μm (s. Bild 11).- Grain size distribution: d 5 o = 2.1 μm, d 95 = 4.4 μm, d 99 | 9 = 6 μm (see Figure 11).
- Partikelmorphologie: kugelförmige PartikelParticle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 26 m2/g - Phasen (Röntgen-Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4) Beispiel 7 (erfindungsgemäß)- specific surface area (BET): 26 m 2 / g - phases (X-ray diffractometry): spinel (MgAl 2 O 4 ) Example 7 (according to the invention)
In einer Magnesiumacetat- Lösung (wässrig) wird AIO(OH) als AI- Komponente mit folgender Einwaage dispergiert: - 2,145 kg Mg- Acetat ' 4 H2O gelöst in 2,95 kg WasserIn a magnesium acetate solution (aqueous), AIO (OH) is dispersed as an AI component with the following weight: - 2.145 kg of Mg acetate '4 H 2 O dissolved in 2.95 kg of water
- 1 ,20 kg AIO(OH) vom Typ Martoxal BN-2A der Fa. Abemarle Corp.1.20 kg AIO (OH) of the type Martoxal BN-2A from Abemarle Corp.
Die Suspension wird mittels Zweistoffdüse in den Labor- Reaktor eingesprüht und pyrolysiert, wobei die Einstellung des Temperaturprofils in Analogie zu Beispiel 2 erfolgt.The suspension is sprayed by means of two-fluid nozzle in the laboratory reactor and pyrolyzed, the adjustment of the temperature profile in analogy to Example 2 takes place.
Reaktor- Parameter:Reactor parameters:
- Temperatur Brennkammer: 7800C- Temperature combustion chamber: 780 0 C
- Temperatur Resonanzrohr: 10540C - Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas): 40:1- Temperature of the resonance tube: 1054 0 C - Ratio of the quantity of combustion air to the quantity of fuel (natural gas): 40: 1
- Faktor Speise: Luft an der Zweistoff düse: 0,4.- Feed factor: air at the two-substance nozzle: 0.4.
Pulvereiqenschaften: - Glühverlust: 3,1 % - Korngrößenverteilung: d50= 2,1 μm , d95 = 4,3 μm, dg9i9= 8 μmPowder properties: - Ignition loss: 3.1% - Grain size distribution: d 50 = 2.1 μm, d 95 = 4.3 μm, d 9i9 = 8 μm
- Partikelmorphologie: kugelförmige PartikelParticle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 30 m2/g- specific surface area (BET): 30 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): kristalline Anteile von Spinell (MgAI2O4) u. Oxide von Mg u. AI- Phases (X-ray diffractometry): crystalline fractions of spinel (MgAl 2 O 4 ) u. Oxides of Mg u. AI
Bei der Verarbeitung im Technikums- Reaktor mit den Reaktorparametern gemäß Beispiel 2 erfolgt die vollständige Umwandlung zum Spinell.When processing in the pilot plant reactor with the reactor parameters according to Example 2, the complete conversion to spinel takes place.
Beispiel 8 (erfindungsgemäß)Example 8 (according to the invention)
Al-Tri-Isopropylat wird in Petrolether (Petroleumbenzin mit Siedebereich 100- 1400C der Fa. Merck KGaA), gelöst mit nachfolgender Dispergierung von feinkörnigem Mg-Ethylat, so dass Mg und AI im molaren Verhältnis 1 : 2 vorliegen. Danach erfolgt die Sprühpyrolyse in einem Labor- Pulsationsreaktor unter folgenden Bedingungen: Reaktor- Parameter:Al-tri-isopropoxide is in petroleum ether (boiling range petroleum benzine of 100- 140 0 C from Merck KGaA.) Dissolved with subsequent dispersion of fine-grained Mg ethylate, so that Mg and Al in a molar ratio of 1: 2 are present. The spray pyrolysis then takes place in a laboratory pulsation reactor under the following conditions: Reactor parameters:
- Temperatur Brennkammer: 7950C- Temperature combustion chamber: 795 0 C
- Temperatur Resonanzrohr: 9540C- Temperature resonance tube: 954 0 C
- Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas): 41 :1 - Faktor Speise: Luft an der Zweistoffdüse: 0,4.- Ratio of the quantity of combustion air to the quantity of fuel (natural gas): 41: 1 - factor of feed: air at the two-substance nozzle: 0,4.
Zur Einstellung des Temperatur- Profils, d.h. abgesenkte Temperatur am Einsprühpunkt und nachträgliche Temperatur- Erhöhung im Resonanzrohr wird ein der Brennkammer vorgeschalteter Heißgaserzeuger verwendet. Durch Kühlluftzufuhr in die Brennkammer und Energiezufuhr im Resonanzrohr erfolgt die Einstellung der o.g. Temperaturen.To set the temperature profile, i. lowered temperature at Einsprühpunkt and subsequent temperature increase in the resonance tube, a combustion chamber upstream hot gas generator is used. By adding cooling air into the combustion chamber and supplying energy in the resonance tube, the setting of the o.g. Temperatures.
In diesem Fall erfolgt wegen des zusätzlichen Energieeintrages durch Petrolethers nur eine geringe zusätzliche Brenngaszufuhr.In this case, only a small additional fuel gas supply takes place because of the additional energy input by petroleum ether.
Pulvereiαenschaften:Pulvereiαenschaften:
- Glühverlust: 3,5%- Ignition loss: 3.5%
- Partikelgröße im Bereich von 100-200nm (gemäß REM; s. Bild 12)Particle size in the range of 100-200nm (according to REM, see Figure 12)
- Partikelmorphologie: kugelförmige PartikelParticle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 55 m2/g - Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4)- specific surface area (BET): 55 m 2 / g - phases (X-ray diffractometry): spinel (MgAl 2 O 4 )
Beispiel 9 (erfindungsgemäß)Example 9 (according to the invention)
In 500 ml Isopropanol werden 194,59 g Bariumacetat eingerührt. Es bildet sich eine weiße Suspension (Gemisch 1).194.59 g of barium acetate are stirred into 500 ml of isopropanol. It forms a white suspension (mixture 1).
Separat wird ein Gemisch aus 217,61 g Tetra-Isopropyl-Orthotitanat und 500 mlSeparately, a mixture of 217.61 g of tetra-isopropyl orthotitanate and 500 ml
Isopropanol hergestellt (Gemisch 2).Isopropanol prepared (mixture 2).
Gemisch 1 und Gemisch 2 werden unter Rühren vereinigt.Mixture 1 and mixture 2 are combined with stirring.
Diese Suspension wird im Labor-Reaktor bei 800 0C in der Brennkammer versprüht und, wie im Beispiel 8 beschrieben, pyrolysiert.This suspension is sprayed in the laboratory reactor at 800 ° C. in the combustion chamber and, as described in Example 8, pyrolyzed.
Pulvereiqenschaften:Powder Properties:
Korngrößenverteilung: d50 = 150 nm, d95 = 220 nm, d99,9 = 1 μm Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel - Spezifische Oberfläche (BET: 15 m2/g) Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): BaTiO3 (tetragonal), Reste von TiO2 (Rutil)Particle morphology: d50 = 150 nm, d95 = 220 nm, d99.9 = 1 μm Particle morphology: spherical particles - Specific surface area (BET: 15 m 2 / g) Phases (X-ray diffractometry): BaTiO 3 (tetragonal), residues of TiO 2 (rutile)
Beispiel 10 (erfindungsgemäß)Example 10 (according to the invention)
Es wird eine Mg-Al-Mischnitratlösung gemäß Beispiel 2 hergestellt. Danach wird Emulgator in Form eines statistischen Copolymers, bestehend aus Dodecylmethacrylat und Hydroxyethylmethacrylat im Verhältnis 2:1 mit einem Molekulargewicht von 5000 g/mol in Petrolether (Petroleumbenzin mit Siedebereich 100 bis 1400C der Fa. Merck KGaA) gelöst, so dass eine 35 %- ige Lösung entsteht. Diese Lösung wird im Verhältnis 2:1 mit der Mg-Al- Mischnitratlösung mittels Rührwerk gemischt. Das so entstandene Gemisch wird durch Umpumpen mittel Hochdruck- Homogenisator der Bauart Niro/Soavi in ca. 0,5 h in eine Emulsion überführt, in der die Salzlösung als vorgeformte Tröpfchen in Petrolether dispergiert sind. Danach erfolgt die Sprühpyrolyse in einem Pulsationsreaktor (Technikums- Maßstab) mit folgenden Bedingungen:An Mg-Al mixed nitrate solution according to Example 2 is prepared. Emulsifier is then dissolved in the form of a random copolymer consisting of dodecyl methacrylate and hydroxyethyl methacrylate in a ratio of 2: 1 with a molecular weight of 5000 g / mol in petroleum ether (petroleum spirit with boiling range 100 to 140 0 C from. Merck KGaA), so that a 35 % solution is created. This solution is mixed in a ratio of 2: 1 with the Mg-Al mixed nitrate solution by means of a stirrer. The resulting mixture is transferred by pumping medium high pressure homogenizer type Niro / Soavi in about 0.5 h in an emulsion in which the salt solution are dispersed as preformed droplets in petroleum ether. The spray pyrolysis is then carried out in a pulsation reactor (pilot plant scale) with the following conditions:
Reaktor- Parameter:Reactor parameters:
- Temperatur Brennkammer: 10230C - Temperatur Resonanzrohr: 10260C- Temperature combustion chamber: 1023 0 C - Temperature of the resonance tube: 1026 0 C
- Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas): 36 : 1- Ratio of combustion air quantity to fuel quantity (natural gas): 36: 1
- Verhältnis Luft zu Aufgabegut an der Zweistoffdüse: 5,7 : 1. In diesem Fall erfolgt wegen des zusätzlichen Energieeintrages durch den Petrolether keine zusätzliche Brenngaszufuhr. Pulvereiqenschaften:- Ratio of air to feed material at the two-substance nozzle: 5.7: 1. In this case, no additional fuel gas supply takes place because of the additional energy input by the petroleum ether. Powder Properties:
- Glühverlust: 4,5%Ignition loss: 4.5%
- Korngrößenverteilung: d50= 0,8 μm , dg5 = 1 ,5 μm, d99,9= 2,5 μm - Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel- Particle size distribution: d 50 = 0.8 μm, dg 5 = 1, 5 μm, d 9 9 , 9 = 2.5 μm - Particle morphology: spherical particles
- spezifische Oberfläche (BET): 28 m2/g- specific surface area (BET): 28 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): Spinell (MgAI2O4) Beispiel 11 (erfindungsgemäß)- Phases (X-ray diffractometry): spinel (MgAl 2 O 4 ) Example 11 (according to the invention)
Yttriumnitrat-Hexahydrat (Fa. Merck KGaA), Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) und Cernitrat-Hexahydrat (Qualität „reinst" der Fa. Merck KGaA) werden jeweils getrennt in Reinst- Wasser gelöst, so dass die Lösungen einen Metallgehalt von 15,4 Masse-% Y, 4,7 Masse% AI und 25,2 Masse% Ce aufweisen. Danach erfolgt die Herstellung einer Y-Al-Ce- Mischnitratlösung, welche die Elemente Y, AI und Ce im molaren Verhältnis 2,91 : 5: 0,09 enthält. Diese Lösung wird mit Reinstwasser im Verhältnis 1 :1 verdünnt und danach erfolgt ein weiterer Zusatz von Ammoniumnitrat (Qualität zur Analyse der Fa. Merck KGaA) in einer Menge von 35 % bezogen auf den NitratsalzgehaltYttrium nitrate hexahydrate (Merck KGaA), aluminum nitrate nonahydrate (quality for analysis by Merck KGaA) and cerium nitrate hexahydrate (quality "pure" from Merck KGaA) are each dissolved separately in ultrapure water, so that the Solutions have a metal content of 15.4% by mass of Y, 4.7% by mass of Al and 25.2% by mass of Ce, followed by the preparation of a Y-Al-Ce mixed nitrate solution which comprises the elements Y, Al and Ce in molar form This solution is diluted with ultrapure water in a ratio of 1: 1 and then there is a further addition of ammonium nitrate (quality for analysis by Merck KGaA) in an amount of 35% based on the nitrate salt content
Dieses Gemisch wird mittels Zweistoffdüse in einen Labor- Reaktor eingesprüht, wobei die Einstellung des Temperaturprofils in Analogie zu Beispiel 2 erfolgt. Die Partikel werden aus dem Heißgasstrom mittels Heißgasfilter abgeschieden.This mixture is sprayed by means of two-fluid nozzle in a laboratory reactor, wherein the adjustment of the temperature profile in analogy to Example 2 takes place. The particles are separated from the hot gas stream by means of hot gas filters.
Reaktor- Parameter: - Temperatur Brennkammer: 7600CReactor parameters: - Combustion chamber temperature: 760 0 C
- Temperatur Resonanzrohr: 10750C- Temperature resonance tube: 1075 0 C
- Verhältnis der Verbrennungsluftmenge zur Brennstoffmenge (Erdgas): 42 : 1- Ratio of combustion air quantity to fuel quantity (natural gas): 42: 1
- Faktor Speise: Luft an der Zweistoffdüse: 0,4.- Feed factor: air at the two-fluid nozzle: 0.4.
Pulvereiqenschaften:Powder Properties:
- Glühverlust: 0,5%Ignition loss: 0.5%
- Korngrößenverteilung: d5o= 1 ,9 μm , d95 = 4,1 μm, d99,9= 7 μm- Grain size distribution: d 5 o = 1, 9 microns, d 95 = 4.1 microns, d 99 , 9 = 7 microns
- Partikelmorphologie: kugelförmige Partikel - spezifische Oberfläche (BET): 6,9 m2/gParticle morphology: spherical particles - specific surface area (BET): 6.9 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): kristalline Anteile in Form von Y3AI5O12 , YAIO3 , Y2O3 und amorphe Anteile vermutlich in Form von OxidenPhases (X-ray diffractometry): crystalline fractions in the form of Y 3 Al 5 O 2 , YAIO 3 , Y 2 O 3 and amorphous fractions, presumably in the form of oxides
Nach Glühung 4h bei 1200°C an Luft: - spezifische Oberfläche (BET): 4,5 m2/gAfter annealing for 4 h at 1200 ° C in air: - specific surface area (BET): 4.5 m 2 / g
- Phasen (Röntgen- Diffraktometrie): 100% kubische Mischkristallphase. - Phases (X-ray diffractometry): 100% cubic mixed crystal phase.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü G H E PATENT APPLICATIONS
1. Verfahren zur Herstellung von Mischoxid-Pulvern mit kompakten, kugelförmigen Partikeln einer mittleren Korngröße <10μm durch Sprühpyrolyse, indem die Edukte in Form von Salzen, Oxiden, Hydroxiden, metallorganischen Verbindungen einzeln oder im Gemisch in Lösung, Suspension oder Dispersion gebracht werden und diese in einen durch pulsierende, flammenlose Verbrennung von Erdgas-Luftgemischen oder Wasserstoff- Luftgemischen erzeugten Heißgastrom in einen Reaktor1. A process for the preparation of mixed oxide powders with compact, spherical particles of average particle size <10 .mu.m by spray pyrolysis, by reacting the starting materials in the form of salts, oxides, hydroxides, organometallic compounds individually or in a mixture in solution, suspension or dispersion and these in a hot gas stream generated by pulsating, flameless combustion of natural gas-air mixtures or hydrogen-air mixtures in a reactor
' 0 eingesprüht, pyrolysiert und zu Mischoxiden oder deren Vorstufen umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Temperatur am Einsprühpunkt auf 600 - 1000 0C, vorzugsweise 700 - 800 0C begrenzt wird, und zur Beschleunigung der Mischoxidbildung ^ zusätzlich Brennstoff in den Pyrolysereaktor an einem Ort zugeführt wird, der bezogen auf den Heißgasstrom an einem nachgelagerten Ort hinter dem Einsprühpunkt liegt, oder zur Steuerung der Partikelgröße eine Lösung, Suspension oder Dispersion in Form einer Wasser/Öl- Emulsion versprüht und pyrolysiert wird. 0'0 sprayed, pyrolyzed and converted to mixed oxides or their precursors, characterized in that either the temperature at the injection is limited to 600 - 1000 0 C, preferably 700 - 800 0 C, and to accelerate the Mischoxidbildung ^ additional fuel in the pyrolysis reactor is supplied at a location which is based on the hot gas stream at a downstream location behind the Einsprühpunkt, or sprayed to control the particle size, a solution, suspension or dispersion in the form of a water / oil emulsion and pyrolyzed. 0
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von zusätzlichem Brennstoff in Form von Ergas oder Wasserstoff nach einer Verweilzeit der Stoffe im Reaktor von 20 - 40%, vorzugsweise 30% der Gesamtverweilzeit, erfolgt. 52. The method according to claim 1, characterized in that the addition of additional fuel in the form of natural gas or hydrogen after a residence time of the substances in the reactor of 20 - 40%, preferably 30% of the total residence time takes place. 5
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Edukte Nitrate, Chloride, Hydroxide, Acetate, Ethylate, Butylate oder Isopropylate, oder deren Mischungen verwendet werden. 03. The method according to claim 1, characterized in that are used as starting materials nitrates, chlorides, hydroxides, acetates, ethylates, butylates or isopropylates, or mixtures thereof. 0
4. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that as
Edukte Salze, Hydroxide oder metallorganische Verbindungen von Elementen der Gruppen IIA (IUPAC: 2), INA (13) , HIB (3) und IVB (4) VIB und VIIB verwendet werden. 5 Starting materials Salts, hydroxides or organometallic compounds of elements of groups IIA (IUPAC: 2), INA (13), HIB (3) and IVB (4) VIB and VIIB can be used. 5
5. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass als Edukte Salze, Oxide, Hydroxide oder metallorganischen Verbindungen des AI und/oder Ti von Elmenten der Gruppen IIA und HIB verwendet werden.5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that are used as starting materials salts, oxides, hydroxides or organometallic compounds of Al and / or Ti of elements of the groups IIA and HIB.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu versprühenden Lösung, Dispersion oder Suspension ein anorganischer Stoff zugegeben wird, der durch seine exotherme Zersetzung zusätzliche thermische Energie erzeugt und gleichzeitig oxidierend wirkt.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that to be sprayed solution, dispersion or suspension, an inorganic material is added, which generates additional thermal energy through its exothermic decomposition and at the same time acts oxidizing.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlich zugegebene Stoff ein Nitrat, vorzugsweise ein Ammoniumnitrat ist und dass die Zugabemenge 10 bis 80%, vorzugsweise 25-50% bezogen auf die eingesetzte Menge Edukt- beträgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the additionally added substance is a nitrate, preferably an ammonium nitrate and that the addition amount of 10 to 80%, preferably 25-50% based on the amount Edukt- is.
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8. Verfahren gemäß Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, dass der zu versprühenden Lösung, Dispersion oder Suspension ein Tensid zugegeben wird.8. The method according to claim 1-6, characterized in that the solution to be sprayed, dispersion or suspension, a surfactant is added.
o 9- Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Tensid ein Fettalkoholethoxylat in einer Menge von 1 - 10 Masse-% , vorzugsweise 3 - 6% bezogen auf die Gesamtmenge der Lösung, verwendet wird.A process according to claim 8, characterized in that a fatty alcohol ethoxylate in an amount of 1-10% by weight, preferably 3-6%, based on the total amount of the solution, is used as the surfactant.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur 5 Herstellung einer Wasser/Öl-Emulsion eine Mischung von in Wasser gelösten Nitraten und/oder Chloriden in einen Kohlenwasserstoff eingebracht, mittels mechanischer Scherkräfte zu Tröpfchen dispergiert und durch Zugabe eines Hilfsstoffes stabilisiert wird.10. The method according to claim 1, characterized in that for the preparation of a water / oil emulsion, a mixture of dissolved in water nitrates and / or chlorides introduced into a hydrocarbon, dispersed by means of mechanical shear forces to droplets and stabilized by the addition of an adjuvant.
0 11. Verfahren gemäß der Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein0 11. The method according to claim 10, characterized in that a
Petroleumbenzin mit einem Siedebereich von 80-1800C, vorzugsweise 100- 1400C in Kombination mit Emulgatoren verwendet wird, welche darin löslich sind und einen HLB- (Hydrophylic-Lipophylic-Balance)-Wert im Bereich von 2 - 8 aufweisen. 5 Petroleum benzine is used with a boiling range of 80-180 0 C, preferably 100- 140 0 C in combination with emulsifiers which are soluble therein and have an HLB (Hydrophylic-Lipophylic balance) value in the range 2-8. 5
12. Verfahren gemäß der Ansprüche 10 und 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Emulgatoren Sorbitan-Fettsäure-Derivate sowie deren Gemische mit unterschiedlichem HLB-Wert verwendet werden.12. The method according to claims 10 and 1 1, characterized in that are used as emulsifiers sorbitan fatty acid derivatives and mixtures thereof with different HLB value.
13. Verfahren gemäß der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Emulgatoren ein Gemisch aus Fettsäure-Sorbitanestern und einem statistischen Copolymer, enthaltend mindestens ein Monomer mit einer hydrophilen und mindestens ein Monomer mit einer hydrophoben Seitenkette und einem Molekulargewicht zwischen 1000 und 50000, ° bevorzugt zwischen 2000 und 20000, verwendet wird.13. The method according to claims 10 to 12, characterized in that as emulsifiers a mixture of fatty acid sorbitan esters and a random copolymer containing at least one monomer with a hydrophilic and at least one monomer having a hydrophobic side chain and a molecular weight between 1000 and 50,000, ° preferably between 2000 and 20,000 is used.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei als statistisches Copolymer Copolymere der allgemeine der Formel I14. The method according to claim 13, wherein as a random copolymer copolymers of the general of formula I.
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0 0
verwendet werden, worin die Reste X und Y üblichen nichtionischen oder ionischen Monomeren entsprechen und R1 Wasserstoff oder eine hydrophobe Seitengruppe, ausgewählt aus den verzweigten oder unverzweigten Alkylresten mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen bei denen ein oder mehrere, H-Atome durch Fluor-Atome ersetzt sein können, bedeutet und unabhängig von R1 be used, wherein the radicals X and Y correspond to conventional nonionic or ionic monomers and R 1 is hydrogen or a hydrophobic side group selected from the branched or unbranched alkyl radicals having at least 4 carbon atoms in which one or more, H atoms are replaced by fluorine atoms can, means and independently of R 1
R2 für eine hydrophile Seitengruppe steht, die einen Phosphonat- , Sulfonat-, Polyol- oder Polyether-Rest aufweist.R 2 is a hydrophilic side group having a phosphonate, sulfonate, polyol or polyether radical.
15. Mischoxid- Pulver auf Basis von Aluminaten und Titanaten, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass dessen mittlere Korngröße im Bereich von 1 - 5μm liegt, eine spezifische Oberfläche (nach BET) im Bereich von 3 - 30 m2/g, vorzugsweise 5 - 15 m2/g besitzt und eine kompakte, kugelförmige15. mixed oxide powder based on aluminates and titanates, prepared according to one or more of claims 1-14, characterized in that the average particle size is in the range of 1-5 microns, a specific surface area (according to BET) in the range of 3 - 30 m 2 / g, preferably 5 - has 15 m 2 / g and a compact, spherical
Morphologie aufweist. Having morphology.
16. Mischoxidpulver auf Basis von Aluminaten und Titanaten, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass dessen mittlere Korngröße im Bereich von 0,1-1//m liegt, eine spezifische Oberfläche (nach BET) im Bereich von 10-60 m2/g, vorzugsweise 20 - 40 m2/g aufweist und eine kompakte, kugelförmige Morphologie besitzt.16. mixed oxide powder based on aluminates and titanates, prepared according to one or more of claims 1-14, characterized in that the average grain size is in the range of 0.1-1 // m, a specific surface area (according to BET) in the range of 10-60 m 2 / g, preferably 20 - 40 m 2 / g and has a compact, spherical morphology.
17. Verwendung eines Mischoxid-Pulvers gemäß der Ansprüche 15 oder 16, zur Herstellung von hochdichtem, hochfestem, gegebenenfalls transparentem Bulkmateria!.17. Use of a mixed oxide powder according to claims 15 or 16, for the production of high density, high strength, optionally transparent bulk material.
18. Mischoxidpulver auf Basis von Aluminaten und Titanaten, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 -14, dadurch gekennzeichnet, dass dessen mittlere Korngröße im Bereich von 0,01 -0,2 μm liegt, eine spezifische Oberfläche (nach BET) im Bereich von 20- 100 m2/g, vorzugsweise 40- 80 m2/g besitzt und eine kugelförmige Morphologie aufweist.18. Mixed oxide powder based on aluminates and titanates, prepared according to one of claims 1 to 14, characterized in that its mean grain size is in the range of 0.01-0.2 μm, a specific surface area (according to BET) in the range of 20 - 100 m 2 / g, preferably 40- 80 m 2 / g and has a spherical morphology.
19. Verwendung eines Mischoxid-Pulvers gemäß Anspruch 18 zur Herstellung von hochdichtem, hochfestem und gegebenenfalls transparentem BuIk- Material mittels Heißpress-Technologie.19. Use of a mixed oxide powder according to claim 18 for the production of high-density, high-strength and optionally transparent BuIk material by means of hot-pressing technology.
20. Verwendung eines Mischoxid-Pulvers gemäß einem der Ansprüche 15, 16, 18 als Basismaterial für Leuchtstoffe oder als Leuchtstoff oder als Ausgangsprodukt für die Keramik- Herstellung. 20. Use of a mixed oxide powder according to any one of claims 15, 16, 18 as a base material for phosphors or as a phosphor or as a starting material for the ceramic production.
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