SI23265A - Disperzije na osnovi pigmentiranega nanokristaliniäśnega titanovega (iv) oksida v kristalni obliki rutil za lesne premazne sisteme - Google Patents

Abstract

Predložen izum se nanaša na sintezo disperzij na osnovi pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, z ozko porazdelitvijo velikosti delcev sferične oblike v območju med 10 nm in 50 nm, na postopek hidrolize raztopine titanil sulfata (TiOS04), obarjanja netopnega hidratiziranega titanovega dioksida (Ti02-xH20-yS03) z dialkilamidom kot obarjalnim reagentom, pigmentiranja netopnega hidratiziranega titanovega dioksida (Ti02-xH20-yS03) s pigmentom (ZnFe204) spinelnekristalne strukture, sedimentacije oborjenih in pigmentiranih hidratiziranih nanodelcev z dodatkom vodne raztopine anionskega poliakrilamidnega flokulacijskega sredstva, visoko temperaturne termične obdelave pigmentiranih nanodelcev hidratiziranega titanovega (IV) oksida v zračni atmosferi, tehnologije dvostopenjskega visokoenergetskega deaglomeriranja termično obdelanih pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil ter tehnologije površinske obdelave pigmentiranih nano delcevtitanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil z dodatki organskih površinsko aktivnih snovmi z eno ali več funkcionalnimi hidroksilnimi, karboksilnimi, amino in tiolnimi skupinami, ki zagotavljajo stabilnost in transparentnost disperzijskih sistemov v območju pH vrednosti 5 in 9 in zeta potencialom manjšim od - 30 eV, prilagojene pogojem uporabe za lesne premazne sisteme.

Description

DISPERZIJE NA OSNOVI PIGMENTIRANEGA

NANOKRISTALINIČNEGA TITANOVEGA (IV) OKSIDA V KRISTALNI

OBLIKI RUTIL ZA LESNE PREMAZNE SISTEME

Predmet izuma je sinteza disperzij na osnovi pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, s povprečno velikostjo delcev v območju med 10 nm in 50 nm, ki zaradi visoko oksidacij ske sposobnosti, hidrofilnosti in kemijske obstojnosti pod vplivom UV-svetlobe sproži redukcijsko ciklične površinsko aktivne procese ter mineralizacijo organskih polutantov pri fotokatalitičnem odstranjevanju nečistoč in mikroorganizmov v različnih lesnih premaznih sistemih.

Uporabne lastnosti pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, izvirajo iz njegove fotokatalitske sposobnosti zaščite materialov pred svetlobnimi in vremenskimi vplivi ter so v osnovi določene z velikostjo in obliko pigmentiranih nanodelcev, kristalno strukturo in kemijsko sestavo ter prilagojene pogojem uporabe za lesne premazne sisteme.

Učinkovita izraba lastnosti pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni strukturi rutil je mogoča zaradi prilagojenih pogojev površinske obdelave pigmentiranih nanodelcev z nanosom površinsko aktivnih substanc ter načina in pogojev dispergiranja površinsko aktivnih substanc v stabilne in transparentne disperzije.

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

Tehnični problem, ki ga omenjeni izum rešuje, je sinteza disperzij na osnovi pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalnih rutil, ki vključuje postopke hidrolize komercialno dostopne 12 % - 15 % raztopine titanilovega sulfata (TiOSO₄), z gostoto 1,4 g/ml in pH vrednostjo < 1, obarjanja netopnega hidratiziranega titanovega dioksida (TiO2’xH₂O’ySO3) z dialkilamidnim obaijalnim reagentom v koncentracijskem območju od 1,0 mol/1 do 3,0 mol/1, pigmentacijo oboijenih nanodelcev hidratiziranega titanovega dioksida z vodno raztopino pigmenta (ZnFe2O₄) spinelne kristalne strukture,, sedimentacijo oboijenih pigmentiranih hidratiziranih nanodelcev z dodatkom vodne raztopine anionskega poliakrilamidnega flokulacij skega sredstva v koncentracijskem območju med 0,01 ut.% in 0,5 ut.%, ter procesnih parametrov obaijanja (pHvrednost, temperatura in čas obaijanja), visoko temperaturne termične obdelave pigmentiranih nanodelcev hidratiziranega titanovega (IV) oksida v zračni atmosferi v temperaturnem območju med 500 °C in 1000 °C ter zadrževalnim časom od 1 ure do 3 ur pri maksimalni temperaturi, dvostopenjskega visoko energetskega mletja v horizontalnem atritorskem cirkonijevem mlinu s fazo dezintegracije termično obdelanih pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil v območju od 1 do 20 ur pri pH vrednosti v območju med 6,0 in 11,5 s cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 2 mm do 6 mm, ter fazo površinske obdelave pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil z organskimi površinskimi snovmi v razmeiju suha snov/organska komponenta 1: 1,5-5 v visokoenergetskem atritorskem cirkonijevem mlinu s cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 0,2 mm do 2 mm, časa homogenizacije v območju med 0,5 ure do 4 ure, pri pH vrednosti v območju od 5 do 9, ki zagotavljajo stabilnost in transparentnost končnega disperzij skega sistema v območju pH vrednosti med 5 in 9 in zeta potencialom manjšim od - 30 eV.

Način in pogoji priprave pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil v veliki meri določajo končne uporabne lastnosti, ki so odvisne od oblike in velikosti, kristalne strukture in kemijske sestave. Razvoj na področju sinteze pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida, se usmeija v tehnologije priprave sferičnih nanodelcev z visoko specifično površino in ozko porazdelitvijo velikosti.

Po doslej znanih literaturnih podatkih, poteka priprava titanovega (IV) oksida v svetu v dveh glavnih komercialnih oblikah. Starejša in količinsko bistvena je proizvodnja mikronskega pigmenta, medtem ko je proizvodnja ultrafinega oziroma nano pigmenta predmet intenzivnih razvojnih raziskav.

Priprava mikronskega pigmentnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, poteka po komercialno najbolj uveljavljenem sulfatnem in kloridnem postopku. Sulfatni postopek priprave titanovega (IV) oksida se prične z razklopom rud, obogatenih s titanom, z žvepleno (VI) kislino. Nastane titanilov sulfat (TiOSO₄), ki se večstopenjsko čisti in hidrolizira, da se dobi hidratiziran gel, ki se mu pred fazo kalcinacije dodajo ustrezne snovi za usmeijeno rast kristalov v želeno kristalno obliko (anatas, rutil). Sledi postopek površinske obdelave primarnih delcev titanovega (IV) oksida, da se izboljšajo končne pigmentne lastnosti.

Kloridni postopek, ki je novejši in zahtevnejši od sulfatnega, temelji na kloriranju ustreznih, s titanom obogatenih surovin, v temperaturnem območju med 700 °C in 1200 °C. Nastane titanov tetraklorid (TiCl₄), ki ga po fazi čiščenja z neposredno oksidacijo v temperaturnem območju med 900 °C in 1400 °C v kisikovi atmosferi

ali s postopkom termične hidrolize, prevedejo v titanov (IV) oksid v kristalno strukturo rutil.

Skupno obema postopkoma je nastanek odpadnih stranskih produktov, kar zahteva ustrezno deponiranje, pojavljajo se problemi visokih temperatur, korozije in toksičnosti, zaradi česar sta lahko postopka tudi ekološko sporna in ne omogočata priprave titanovega (IV) oksida v obliki nanodelcev, zahtevane oblike, velikosti in porazdelitve velikosti.

V primeijavi z doslej znanimi postopki priprave disperzij na osnovi pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, se predmet izuma od njih razlikuje v postopku priprave pigmentiranih nanodelcev hidratiziranega titanovega dioksida (TiO2'xH₂OySO3), visoko-temperaturni termični obdelavi pigmentiranega hidratiziranega titanovega (IV) oksida, načinu in pogojih homogeniziranja in mletja termično obdelanega pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida ter površinski obdelavi z različnimi anorganskimi in organskimi površinsko aktivnimi snovmi, ki vplivajo na končne fizikalno-kemijske lastnosti pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni strukturi rutil, ter zagotavljajo stabilnost in transparentnost končnih disperznih za lesne premazne sisteme.

Izum se nanaša na uporabljene vhodne surovine in kemijske sestave, tehnologijo termične obdelave pigmentiranega hidratiziranega nano titanovega dioksida dvostopenjske obdelave termično obdelanega pigmentiranega nano titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, tehnologijo deaglomeriranja termično obdelanega nano titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil v visoko energetskem horizontalnem kontinuirnem atritorskem mlinu z uporabo cirkonijevih krogelnih mlevnih teles ter tehnologijo površinske obdelave pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil z različnimi organskimi površinsko aktivnimi snovmi, ki zagotavljajo stabilnost in transparentnost končnega disperzij skega sistema v območju pH vrednosti med 5 in 9 in zeta potencialom manjšim kot - 30 eV.

Po izumu je naloga rešena z izdelavo disperznij na osnovi pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil, iz:

• 12 - 15 % raztopine titanilovega sulfata (TiOSCL), z gostoto 1,4 g/ml in pH vrednostjo < 1.

• Vodne raztopine dialkilamida kot obaijalni reagent v koncentracijskem območju med 1,0 mol/1 in 3,0 mol/1.

• Homogene vodne suspenzije pigmenta (ZnFe2O4) spinelne kristalne strukture v koncentracijskem območju med 1 ut% in 10 ut% • Vodne raztopine anionskega poliakrilamidnega flokulacijskega sredstva v koncentracijskem območju med 0,01 ut% in 0,5 ut%.

• Organske površinsko aktivnih snovi z eno ali več primernimi funkcionalnimi hidroksilnimi, karboksilnimi, amino in tiolnimi skupinami v koncentracijskem območju med 0,1 ut.% in 50 ut.% • Procesnih parametrov postopka obarjanja pigmentiranega hidratiziranega titanovega (IV) oksida v temperaturnem območju (100 ± 2) °C ter 3 do 7 ur zadrževanja na maksimalni temperaturi, termične obdelave pigmentiranega hidratiziranega titanovega (IV) oksida v temperaturnem območju med 500 °C in 1000 °C v zračni atmosferi ter 1 do 3 urnem zadrževanjem na maksimalni temperaturi, dvostopenjskega visoko energetskega mletja v horizontalnem atritorskem cirkonijevem mlinu s fazo dezintegracije • · ·

termično obdelanih pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil v območju od 1 do 20 ur pri pH vrednosti v območju med 6,0 in 11,5 s cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 2 mm do 6 mm, ter fazo površinske obdelave pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil z organskimi površinskimi snovmi v razmeiju suha snov/organska komponenta 1: 1,5-5 v visokoenergetskem atritorskem cirkonijevem mlinu s cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 0,2 mm do 2 mm, časa homogenizacije v območju med 0,5 ure do 4 ure, pri pH vrednosti v območju od 5 do 9.

Natančna razmeija posameznih komponent ter pripadajoči procesni parametri sinteze so navedeni v izvedbenem primeru.

IZVEDBENI PRIMER

V reakcijsko posodo, opremljeno z mešalom, odmerimo 450 ml 10 - 12 % raztopine titanilovega sulfata (TiOSO₄), z gostoto 1,4 g/ml in pH vrednostjo < 1, 450 ml destilirane vode ter 2250 ml 2,4 molarne vodne raztopine obaijalnega reagenta dialkilamida. Sinteza poteka 5 ur pri konstantni temperaturi (100 ± 2) °C in hitrosti mešanja 150 vrt./minuto. Po zaključku sinteze dodamo 7% vodne raztopine pigmenta (ZnFe₂O₄) spinelne kristalne strukture, pri hitrosti mešanja 150 vrt./minuto. Oboijene pigmentirane delce hidratiziranega titanovega (IV) oksida (TiO₂xH₂OySO₃) sedimentiramo z dodatkom 0,4g 0,33 % vodne raztopine anionskega poliakriamidnega flokulanta in filtrat ločimo z dekantiranjem. Sediment pigmentiranih nanodelcev hidratiziranega titanovega (IV) oksida, ki vsebuje cca 15% vlage termično obdelamo pri temperaturi 900 °C v zračni atmosferi z zadrževalnim časom 2 uri na maksimalni temperaturi, da se formira kristalna oblika rutil.

Termično obdelane pigmentirane nanodelce titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil v prvi fazi deaglomeriramo v visokoenergetskem horizontalnem kontinuirnem atritorskem mlevnem agregatu z uporabo cirkonijevih krogelnih mlevnih teles velikosti Φ = 2 mm, 150 minut pri sledečem mlevskem razmerju: 1 masni delež pigmentiranih nanodelcev titanovega (IV) dioksida v kristalni strukturi rutil, 2,33 masnega deleža destilirane vode z dodatkom amoniaka (pH = 11 ±0,5) ter 6,45 masnega deleža cirkonijevih krogelnih mlevnih teles dimenzije Φ = 2 mm. V fazo deaglomeracije dodamo površinsko aktivne organske komponente: 15 ut.% propilenglikola (računano na masni delež nano delcev pigmentiranega titanovega (IV) oksida), 10 ut.% dispergirnega sredstva polidimetilsiloksana modificiranega s polietrom ter 1 ut.% antipenilca polisiloksana s hidrofobnimi delci v poliglikolu (računano na masni delež nano delcev pigmentiranega titanovega (IV) oksida). Med fazo deaglomeracije vzdržujemo pH vrednost med 8 in 9 (alkalimo z NH4OH). Po zaključku faze deaglomeracije zamenjamo cirkonijeva krogelna mlevna telesa Φ = 2 mm z cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi Φ = 0,5mm in meljemo 120 minut do končne stabilne in transparentne pigmentirane disperzije nano titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil.

Pigmentirane nanodelce titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil karakteriziramo z rentgensko praškovno difrakcijo (XRD), določimo specifično površino in velikost delcev z metodo BET, pH vrednost in zeta potencial.

Po izumu je problem rešen z določitvijo fazne sestave z rentgensko praškovno difrakcijo (XRD), specifično površino delcev (A_BET) in velikostjo delcev (D_Bet) z metodo BET, pH vrednostjo in zeta potencialom stabilne in transparentne disperzije pigmentiranega nano titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil.

Fazna sestava (XRD)	ABet (m2/g)	DBet (nm)	pH	Zeta potencial (eV)
Rutil	44	30	5-9	<-30

Andrej Žnidaršič

Neve:

Claims (1)

1. PATENTNI ZAHTEVEK

   1. Sinteza disperzij pigmentiranega nanokristaliničnega titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil za lesne premazne sisteme, s povprečno velikostjo delcev v območju med 10 nm in 50 nm označeno s tem, da vključuje postopek hidrolize raztopine titanilovega sulfata (TiOSO₄), z gostoto 1,4 g/ml in pH vrednostjo < 1 v koncentracijskem območju od 10 ut.% do 12 ut.%, postopek obaijanja netopnega hidratiziranega titanovega dioksida (TiO2'xH₂O’ySO3) z dialkilamidom kot obarjalnim reagentom v koncentracijskem območju med 1,0 mol/l in 3,0 mol/l, postopek pigmentiranja netopnega hidratiziranega titanovega dioksida (TiO2’xH₂O^-ySO3) s pigmentom (ZnFe2O₄) spinelne kristalne strukture v koncentracijskem območju med 1 ut% in 10 ut%, postopek sedimentacije oborjenih in pigmentiranih hidratiziranih nanodelcev z dodatkom vodne raztopine anionskega poliakrilamidnega flokulacijskega sredstva v koncentracijskem območju med 0,01 ut.% in 0,5 ut.%, ter procesne parametre obarjanja in pigmentiranja hidratiziranega titanovega (IV) oksida v temperaturnem območju (100 ± 2) °C, časa zadrževanja na maksimalni temperaturi od 3 ur do 7 ur, termične obdelave pigmentiranega hidratiziranega titanovega (IV) oksida v temperaturnem območju med 500 °C in 1000 °C v zračni atmosferi, z 1 do 3 urnim zadrževanjem na maksimalni temperaturi, postopek dvostopenjskega visoko energetskega mletja v horizontalnem atritorskem cirkonijevem mlinu s fazo deaglomeracije termično obdelanih prahov pigmentiranega nano titanovega (IV) oksida v kristalnih obliki rutil v območju od 1 do 20 ur pri pH vrednosti v območju med 6,0 in 11,5, z cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 2 mm do 6 mm ter postopek površinske obdelave pigmentiranih nano delcev titanovega (IV) oksida v kristalni obliki rutil z dodatkom organskih površinsko aktivnih snovi v razmerju suha snov/organska komponenta 1:0,001-0,5 v visokoenergetskem atritorskem cirkonijevem mlinu s cirkonijevimi krogelnimi mlevnimi telesi dimenzije v območju Φ = 0,2 mm do 2 mm in časa homogenizacije v območju med 0,5 ure in 4 ure, ki zagotavljajo stabilnost in transparentnost končne disperzije za lesne premazne sisteme v območju pH vrednosti med 5 in 9 ter pri vrednosti zeta potenciala manjšega od - 30 eV.

   Andrej Žnidaršič