SI23264A

SI23264A - Sinteza amorfnega nano slilicijevega dioksida z metodo precipitacije

Info

Publication number: SI23264A
Application number: SI201000029A
Authority: SI
Inventors: Ĺ˝Nidarĺ Iäś Andrej; Rajnar Nevenka
Original assignee: Nanotesla Institut
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-07-29

Abstract

Predložen izum se nanaša na sintezo amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO2) z ozko porazdelitvijo velikosti delcev sferične oblike v območju med 5 nm in 60 nm ter nasipno gostoto več kot 0,2 g/cm3, postopke obarjanja komercialno dostopne vodne raztopine natrijevega silikata s klorovodikovo kislino v vodni raztopini natrijevega silikata pri pH vrednost med 6,5 in 11, temperaturo sinteze v območju med 50 stopinj celzija in 90 stopinj celzija ter zadrževalnim časom na maksimalni temperaturi od 20 do 150minut, stabilizacijo suspenzije z dodatkom klorovodikove kisline pri pH vrednost med 3 in 5, stabilizacijo površine delcev nano silicijevega oksida (Si02) z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami v območju med 1% in 15%, dodatki anorganskih površinsko aktivnih snovmi s silanskimi in siloksanskimi funkcionalnimi skupinami v območju med 1% in 15% za prilagoditev pogojem uporabe za adsorbente in katalizatorje ter kotdodatek različnim transparentnim organskim disperzijskim sistemom za nanos na različne površine v funkciji izboljšanja mehanskih in abrazivnih lastnosti materialov.

Description

Sinteza amorfnega nano silicijevega dioksida z metodo precipitacije

Predmet izuma je sinteza amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) z metodo precipitacije v vodnih raztopinah, z ozko porazdelitvijo velikosti delcev v območju med 5nm in 60 nm in veliko specifično površino, ki je primeren za adsorbente in katalizatoije ter kot dodatek različnim organskim disperzij skim sistemom, ki se nanašajo na različne površine v funkciji izboljšanja končnih mehanskih in abrazivnih lastnosti materialov.

Lastnosti amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) so v osnovi določene z velikostjo in obliko delcev, specifično površino in nasipno gostoto, prilagojene pogojem uporabe na različnih področjih kemijske, barvne in papirne industrije ter na področju ekologije in varovanja okolja.

Učinkovita izraba osnovnih lastnosti amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) je mogoča zaradi prilagojenih oblik in velikosti delcev, pogojev površinske obdelave z organskimi in anorganskimi površinsko aktivnimi substancami ter pogojev integriranja v različne stabilne in transparentne disperzij ske sisteme.

Po standardni patentni klasifikaciji sodi izum v 01. razred - kemični proizvodi za industrijo in znanost.

• ·

Tehnični problem, ki ga omenjeni izum rešuje, je sinteza amorfnega nano silicijevega dioksida (S1O2), ki vključuje postopke obarjanja komercialno dostopne vodne raztopine natrijevega silikata z gostoto v območju med 1,20 g/cm³ in 1,54 g/cm³ z klorovodikovo kislino s koncentracijo v območju med 30 % in 32 % v vodni raztopini natrijevega silikata pri pH vrednost med 6,5 in 11, v temperaturnem območju med 50°C in 90°C ter zadrževalnim časom na maksimalni temperaturi od 20 do 150 minut, stabilizacijo suspenzije z dodatkom klorovodikove kisline pri pH vrednost med 3 in 5, stabilizacijo površine delcev amorfnega nano silicijevega oksida (SiO2) z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami v območju med 1% in 15%, dodatkom anorganskih površinsko aktivnih snovmi z silanskimi in siloksanskimi funkcioanlnimi skupinami v območju med 1% in 15% ter postopki spiranja, flokulacije, dekantiranja, centrifugiranja in sušenja kar zagotavlja sintezo amorfnega nano silicijevega dioksida (S1O2) z nasipno gostoto > 0,2 g/cm³ ter sferično obliko delcev z velikostjo v območju med 5 nm in 60 nm.

Po doslej znanih literaturnih podatkih poteka proizvodnja amorfnega silicijeva dioksida (S1O2) v dveh glavnih komercialnih oblikah.

Prva komercialna oblika je proizvodnja amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂) z nakisavanjem vodne raztopine natrijevega silikata z uporabo žveplove (VI) kisline ali dušikove (V) kisline. Pri standardnih pogojih izdelave se med stalnim mešanjem v reakcijsko posodo z deionizirano vodo simultano dodajata raztopini anorganske mineralne kisline določene koncentracije ter vodne raztopine natrijevega silikata s predpisano gostoto in razmerjem NaO/ SiO2. Obarjanje poteka v alkalnem področju. Pravilna izbira in število obratov mešala, čas obaijanja, hitrost dodajanja reaktantov in njihova temperatura, koncentracija in pH področje omogočajo prilagajanje lastnosti amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂). Nastanek silicijevega gela med postopkom nakisavanja se prepreči s pravilno izbiro mešala, hitrostjo mešanja ter pravilno izbiro temperature. Dobljeno oborino amorfnega silicijevega dioksida se spira, da se odstranijo vodotopne soli ter v naslednjem koraku stiska na filternih stiskalnicah, da se odstrani odvečna voda. Dobljeni filterni kolač s 15% do 25% suhe snovi se nato suši. Najbolj uporabljeni metodi sušenja sta sušenje z razpršilnim sušilnikom in sušenje z rotacijskim sušilnikom, ki povzročita različne oblike delcev in različno stopnjo aglomeracije ter široko porazdelitev delcev amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂). Tako pripravljen amorfni silicijev dioksid (SiO₂) se v nadaljevanju melje, da se zagotovi želeno velikost in porazdelitev delcev.

Druga komercialna oblika, ki je zelo razšiijena je proizvodnja amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂) s postopkom neutralizacija in koagulacije silikatne raztopine s pomočjo kovinskih soli. Pri tem postopku se v reakcijsko posodo pripravi vodna raztopina natrijevega silikata z določeno koncentracijo v kateri se raztopi predpisana količina natrijevega sulfata kot elektrolita. Raztopina se med mešanjem ogreje na temperaturo med 60° in 100°C ter obaija z žveplovo (VI) kislino določene koncentracije. Ločeno se pripravi silikatni sol z obarjanjem natrijevega silikata z žveplovo (VI) kislino. Silikatni sol se pri predpisanih pogojih mešanja in hitrosti doziranja dodaja raztopini silikata in soli. Oboijen amorfen silicijev dioksid (SiO₂) se loči z vakuumsko filtracijo. Dobljeni kolač amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂) do odstranitve vseh sulfatnih soli. Kolač amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂) se suši pri temperaturi 110°C. Tako pripravljen amorfni silicijev dioksid (SiO₂) se v nadaljevanju melje, da se zagotovi želeno velikost in porazdelitev delcev.

V primerjavi z doslej znanimi postopki priprave amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂), se predmet izuma od njih razlikuje v postopku priprave nanodelcev amorfnega silicijevega dioksida (SiO₂), stabilizaciji površine delcev nano silicijevega oksida (SiO₂) z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami, dodatki anorganskih površinsko aktivnih snovmi s silanskimi in siloksanskimi funkcioanlnimi skupinami ter postopki spiranja, flokulacije, dekantiranja, centrifugiranja in sušenja, ki vplivajo na končne fizikalno kemijske lastnosti amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂).

Izum se nanaša na uporabljene surovine in kemijsko sestavo, sintezo, stabilizacijo površine z dodatkom organskih in anorganskih površinsko aktivnih snovi ter postopke spiranja, flokulacije, dekantiranja, centrifugiranja in sušenja, pri izdelavi amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) z ustreznimi fizikalno kemijskimi lastnostmi.

Po izumu je naloga rešena s sintezo ter površinsko obdelavo amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) z uporabo:

^x Vodne raztopine komercialno dostopnega natrijevega silikata z gostoto v območju med 1,20 g/cm in 1,54 g/cm in reakcijskim modulom SiO₂/ Na₂O v območju med 2 in 3 a Klorovodikove kisline tehnične čistosti v koncentracijskem območju med 30 % in 32 %

A Dodatkom vodne raztopine kationskega akrilnega flokulacijskega sredstva v koncentracijskem območju med 0,01 ut.% in 0,5 ut.%,

A Dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami ter anorganskih površinsko aktivnih snovi s silanskimi in siloksanskimi funkcioanlnimi skupinami v koncentracijskem razmeiju med 1 ut% in 15 ut%

Procesnih parametrov obaijanja komercialno dostopne vodne raztopine natrijevega silikata z gostoto v območju med 1,20 g/cm³ in 1,54 g/cm³ z klorovodikovo kislino s koncentracijo v območju med 30% in 32% v vodni raztopini natrijevega silikata pri pH vrednost med 6,5 in 11, v temperaturnem območju med 50°C in 90°C ter zadrževalnim časom na maksimalni temperaturi od 20 do 150 minut, stabilizacijo suspenzije z dodatkom klorovodikove kisline pri pH vrednost v območju med 3 in 5, stabilizacijo površine delcev nano delcev amorfnega silicijevega oksida (SiO₂) z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami, dodatki anorganskih površinsko aktivnih snovmi s silanskimi in siloksanskimi funkcioanlnimi skupinami ter postopki spiranja, flokulacije, dekantiranja, centrifugiranja, sušenja v temperaturnem območju med 110°C in 120°C ter časom zadrževanja na maksimalni temperaturi 12h.

Natančna razmerja posameznih komponent ter pripadajoči procesni parametri sinteze so navedeni v izvedbenih primerih.

• ·

IZVEDBENI PRIMER 1

V reakcijsko posodo, opremljeno z mešalom ter elektrodama za meritev pH in temperature, odmerimo 1140 ml vode in jo segrejemo do 60°C. Segreto vodo med mešanjem naalkalimo z vodno raztopino komercialno dostopnega natrijevega •5 silikata z gostoto 1,54 g/cm do vrednosti pH=7. Avtomatsko dozirno posodo napolnimo z klorovodikovo kislino tehnične čistosti in koncentracijo 31%, ročno dozirno posodo pravilno namestimo na reakcijsko posodo in napolnimo s 320 ml o

vodne raztopine natrijevega silikata z gostoto 1,345 g/cm in reakcijskim modulom SiO₂/ Na₂O 2,6. Klorovodikovo kislino in vodno raztopino natrijevega silikata med mešanjem s kotvastim mešalom z 200 obrati/ minuto 30 minut simultano dodajamo naalkaljeni vodi ter vzdržujemo temperaturo 60°C pri pH=7. Po končanem dodajanju s prebitkom vodne raztopine natrijevega silikata naalkalimo reakcijsko zmes do vrednosti pH=8,5 in med mešanjem z mešalom v obliki kotve pri številu obratov 200/ minuto obarjamo 30 minut. Po zaključenem obaijanju s prebitkom klorovodikove kisline tehnične čistosti in koncentracije 31% nakisamo suspenzijo na vrednost pH=3,5 ter ohlajamo do sobne temperature. Hladni suspenziji med mešanjem dodamo 1000 ml vode ter 0,1 ut.% vodne raztopine kationskega akrilnega flokulanta. Mešamo 5 minut. Posedamo do bistrega filtrata. Bister filtrat dekantiramo. Postopek ponovimo. Sprano oborino med mešanjem redčimo z vodo do koncentracije 20 ut.% suhe snovi ter dodamo 10 ut.% kopolimera s kationskimi funkcionalnimi skupinami. Oborino mešamo 2 uri pri sobni temperaturi ter v nadaljevanju 3 minute centrifugiramo pri hitrosti 4000 obratov/ min. Dobljeno oborino amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO2) sušimo na temperaturi 110°C, pri 12 urnem zadrževanju na maksimalni temperaturi.

Po izumu je problem rešen z določitvijo specifične površine delcev (A_BET) in povprečne velikosti delcev (D_Bet) z metodo BET, povprečne velikosti in morfologije delcev (D) s presevno elektronsko mikroskopijo (TEM) ter meritvijo nasipne gostote (NG).

Nasipna gostota (g/cm³)	A_bet (m²/g)	Dbet (μώ)	D_TEm (nm)	Morfologija
0,221	130	21	30 ±5	Sferična

IZVEDBENI PRIMER 2

V reakcijsko posodo, opremljeno z mešalom ter elektrodama za meritev pH in temperature odmerimo 1140 ml navadne vode in jo segrejemo do 60°C. Segreto vodo med mešanjem naalkalimo z vodno raztopino komercialno dostopnega natrijevega silikata z gostoto 1,54 g/cm do vrednosti pH=7. Avtomatsko dozirno posodo napolnimo z klorovodikovo kislino tehnične čistosti in koncentracijo 31%, ročno dozirno posodo pravilno namestimo na reakcijsko posodo in napolnimo s 320 ml vodne raztopine natrijevega silikata z gostoto 1,345 g/cm³ in reakcijskim modulom S1O2/ Na2O 2,6. Klorovodikovo kislino in vodno raztopino natrijevega silikata med mešanjem z mešalom v obliki kotve in število obratov 200/ minuto, dodajamo naalkaljeni vodi ter vzdržujemo temperaturo 60°C pri vrednosti pH=7. Po 30 minutah mešanja reakcijsko zmes naalkalimo na vrednost pH = 8,5 z dodatkom vodne raztopine natrijevega silikata ter med mešanjem z mešalom v obliki kotve in število obratov 200/ minuto obarjamo 30 minut. Po zaključenem obarjanju s prebitkom klorovodikove kisline tehnične čistosti in koncentracije 31% « * · nakisamo suspenzijo do vrednosti pH=3,5 ter ohlajamo do sobne temperature. Hladni suspenziji med mešanjem dodamo 1000 ml vode in centrifugiramo 3 minute, pri hitrosti 4000 obratov/minuto. Postopek ponovimo. Sprano oborino med mešanjem redčimo z vodo do koncentracije 20 ut.% suhe snovi. Dobljeno suspenzijo naalkalimo s 25% vodno raztopino amonijaka na pH=9,5. Dodamo 10 ut.% tetraetilortosilikata in mešamo 1 uro pri sobni temperaturi. Centrifugiramo 3 minute pri hitrosti 4000 obratov/minuto. Dobljeno oborino amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO2) sušimo na temperaturi 120°C, pri 12 urnem zadrževanju na maksimalni temperaturi.

Nasipna gostota (g/cm³)	A_Bet (m²/g)	D_Bet (nm)	D_Tem (nm)	Morfologija
0,263	140	19	30 ±5	Sferična

rej Žnidaršič

Claims

PATENTNI ZAHTEVEK

1. Sinteza amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) označeno s tem, da vključuje postopek obaijanja vodne raztopine natrijevega silikata z gostoto v
3 · 3 · območju med 1,20 g/cm m 1,54 g/cm in reakcijskim modulom SiO₂/Na₂O v območju med 2 in 3, z klorovodikovo kislino s koncentracijo v območju med 30 % in 32 % v vodni raztopini natrijevega silikata pri pH vrednost med
6,5 in 11, v temperaturnem območju med 50°C in 90°C ter zadrževalnim časom na maksimalni temperaturi v območju od 20 do 150 minut, postopek stabilizacije suspenzije z dodatkom klorovodikove kisline pri pH vrednost med 3 in 5, postopek stabilizacije površine delcev amorfnega nano silicijevega oksida (SiO₂) z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi z anionskimi, kationskimi, neionskimi in elektronevtralnimi funkcionalnimi skupinami v območju med 1% in 15% in dodatkom anorganskih površinsko aktivnih snovmi z silanskimi in siloksanskimi funkcioanlnimi skupinami v območju med 1% in 15% ter postopke spiranja, flokulacije, dekantiranja, centrifugiranja in sušenja kar zagotavlja sintezo amorfnega nano silicijevega dioksida (SiO₂) z nasipno gostoto > 0,2 g/cm ter sferično obliko delcev z velikostjo v območju med 5 nm in 60 nm.

a Rajhar