WO2009147025A2 - Method for the production of organosols - Google Patents

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WO2009147025A2
WO2009147025A2 PCT/EP2009/056337 EP2009056337W WO2009147025A2 WO 2009147025 A2 WO2009147025 A2 WO 2009147025A2 EP 2009056337 W EP2009056337 W EP 2009056337W WO 2009147025 A2 WO2009147025 A2 WO 2009147025A2
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organosols
organic
aqueous solution
particles
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Imme Domke
Reiner WERKMÜLLER
Hartmut Hibst
Alexander Traut
Sachin Jain
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Basf Se
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J13/0004Preparation of sols
    • B01J13/0026Preparation of sols containing a liquid organic phase
    • B01J13/003Preparation from aqueous sols
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C09C1/00Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/28Compounds of silicon
    • C09C1/30Silicic acid
    • C09C1/3063Treatment with low-molecular organic compounds
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    • C09C3/00Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/08Treatment with low-molecular-weight non-polymer organic compounds

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of organosols comprising at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals, comprising the following steps:
  • step (b) contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance
  • step (c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent or dispersing agent (L), and
  • step (d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least
  • the present invention relates to a process for the production of particles from the organosols and the use of the organosols for the preparation of polymer compositions or coatings.
  • EP-A 0 236 945 discloses the hydrolysis of tetramethoxysilane or tetraethoxysilane in alcohol / water mixtures.
  • SiO 2 dispersions in glycols become accessible by exchanging the water / alcohol phase of the brine with a glycol.
  • US Pat. No. 6,110,439 discloses a method for producing silica gel by contacting an aqueous silica sol having a pH of> 7.5 with an acidic ion exchange resin which removes metal ions from the silica system and replaces them with protons. Subsequently, an organic liquid selected from among alcohols, acetone, dioxane, tetrahydrofuran, acetonitrile and ethylene glycol is added in an amount of up to 80% by weight.
  • an organic liquid selected from among alcohols, acetone, dioxane, tetrahydrofuran, acetonitrile and ethylene glycol is added in an amount of up to 80% by weight.
  • EP-A 1 236 765 discloses a process for the preparation of SiO 2 dispersions from water glass. For this purpose, an aqueous solution of Na2Ü * n SiÜ2 is polycondensed and then set an alkaline pH. However, the process does not provide organosols.
  • US-P 5,759,506 discloses a process for the preparation of aerogels in which an aqueous solution of water glass is brought to a pH of ⁇ 3 by the action of an acidic ion exchanger or a mineral acid and then a polycondensation of the water glass to SiO 2 gel by adding a base and if necessary, an exchange of the water with organic solvents.
  • the process does not lead to the formation of organosols, but to agglomerated particles. Accordingly, an application of this method for the preparation of nanoparticulate substances is not suitable.
  • EP-A 0 409 083 describes a process for preparing aerogels from SiO 2, in which case the extract containing polysilicic acid, if appropriate with the addition of polysilicic acid esters and / or bases such as ammonia, is subjected to a supercritical treatment with simultaneous formation of a gel. However, the process does not lead to the formation of organosols.
  • aqueous oxidic sols are unsuitable as such, so that the originating from the manufacturing process aqueous medium must be replaced by a suitable organic solvent.
  • a functionalization of SiO 2 particles it is advantageous for a functionalization of SiO 2 particles to be carried out at the surface to be present in organic solution, since the functionalizing reagents are often soluble only in these solvents, but not in aqueous solvents.
  • the functionalizing reagents are often soluble only in these solvents, but not in aqueous solvents.
  • organic solvents e.g. Ethylene glycol or tetrahydrofuran (THF)
  • the process should at the same time make available organosols having a water content of at most 0.01% by weight without carrying out a drying step or a solvent exchange.
  • a method is to be provided which makes a complicated, costly and energy-intensive drying step unnecessary at the end of the method.
  • the organosols should have a narrow particle size distribution. In the process, the formation of gels should be avoided, i. the process should lead to stable sols without further steps.
  • the process should also make it possible to control the formation of stable sols while preventing the cross-linking or agglomeration of the particles.
  • the sols thus obtained should have a high proportion of oxidic particles in the solvent, without carrying out a step of concentration.
  • the resulting sols should also be stable over a long period of time. Finally, the resulting sols should be able to be used directly for the preparation of hybrid materials.
  • step (b) contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance
  • step (c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent (L), and
  • step (d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least 7.
  • Sol is understood to mean a stable dispersion of isolated particles in a liquid phase.
  • the solid phase is particu- larly distributed in the liquid phase, i. H. dispersed, wherein isolated particles are present.
  • a sol is a stable colloidal solution.
  • a sol is to be strictly distinguished from a gel.
  • the solid phase which forms a three-dimensional network, and the liquid phase penetrate continuously (often called bicopatirent).
  • a stable dispersion of isolated particles is to be understood as meaning a distribution of the isolated particles in the liquid phase which is constant in time.
  • a system which undergoes temporal change by forming a three-dimensional network (gel) is thus not a sol in the sense of the present invention.
  • the distribution of the particles in the sol is stable over a period of at least two hours, in particular at least 4, more preferably at least 8 hours, most preferably at least 12 hours.
  • step (d) of the present invention comprises raising the pH of the organic phase of step (c) to a pH of at least 7 to obtain a dispersion of isolated particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or or semimetals in the solvent (L), wherein the dispersion over a period of at least 2 hours, more preferably at least 4 hours, in particular 8 hours and most preferably 12 hours is stable.
  • Oxide hydrates of metals and / or semimetals are to be understood as meaning oxides which also contain hydroxyl groups and / or chemically bound water.
  • the organosols of the present invention contain oxides.
  • organosol is to be understood as meaning a sol in which the liquid phase contains at least one organic solvent or dispersant.
  • an organosol is obtained in the process according to the invention, in which the liquid Phase consists of at least one organic solvent or dispersant (L).
  • the solid phase contains at least one oxide and / or hydrated oxide containing at least one metal and / or metalloid M 1 as sol, ie in the form of isolated particles.
  • organosols obtainable by the process according to the invention preferably comprise particles of oxides and / or hydrated oxides of metals and / or semimetals which correspond to the general formula (I):
  • M 1 metal or semimetal selected from Groups 1 to 15 of the Periodic Table of the Elements (IUPAC) of lanthanides, actinides and mixtures thereof, a 1 to 4 and b 1 to 4, wherein a and b, depending on the oxidation state of M 1 so are chosen such that the compound of the general formula (I) is neutrally charged.
  • IUPAC Periodic Table of the Elements
  • a and b are chosen so that, depending on the oxidation state of M 1, the compound of general formula (I) is neutrally charged.
  • M 1 is a monovalent metal or semimetal
  • M 1 is a divalent metal or semimetal
  • M 1 is a trivalent metal
  • a is 3 and b is 2
  • M 1 is one tetravalent metal, is a 1 and b 2, etc.
  • the volume-weighted average particle diameter D [4,3] of the particles of the organosols obtainable by the process according to the invention can be from 1 nm to approximately 10 ⁇ m.
  • the upper limit with respect to the particle diameter is caused inter alia by the decreasing stability of the organosol.
  • the particles in the organosols preferably have a volume-weighted average particle diameter D [4,3] of 1 to 500 nm, in particular of 1 to 300 nm.
  • volume-weighted mean particle size of the organosols obtainable according to the invention is carried out by means of dynamic light scattering.
  • dynamic light scattering Corresponding methods are known to the person skilled in the art.
  • the determination of a number-weighted average particle diameter by means of transmission electron microscopy and subsequent image-analytical evaluation on at least 500 individual pores can be carried out on the basis of a statistically meaningful sample.
  • all particle diameters referred to in the present invention are volume weighted average particle diameters determined by dynamic light scattering.
  • step (a) comprises providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound containing at least one metal and / or semimetal M 1 .
  • solution or dispersion encompasses both solutions in the true sense as well as colloidal solutions and dispersions of particles in a liquid phase.
  • the concentration of the starting compounds in the aqueous solution or dispersion is preferably from 10 to 25% by weight, in particular from 12 to 20% by weight.
  • the starting compound or the starting compounds containing at least one metal and / or metalloid M 1 are selected depending on the organo-nosols to be prepared or depending on the oxidic particles to be produced.
  • an aqueous solution or dispersion is to be understood as meaning a solution or dispersion whose liquid phase comprises at least 50% by weight of water, preferably at least 90% by weight, in particular at least 99% by weight, of water consists.
  • Suitable starting compounds are those compounds containing at least one metal and / or semimetal M 1 , which are soluble or dispersible in the aqueous phase and which can be reacted by hydrolysis and polycondensation.
  • step (a) is carried out by providing an aqueous solution or dispersion of at least one compound of the general formula (II) in which M 1 has the abovementioned meaning, and M 2 , x, y, z and n have the following meanings:
  • x, y and z are selected depending on the oxidation states of M 1 and M 2 so that the at least one compound of general formula (II) is neutrally charged.
  • the general formula (II) means for some by the meanings of M 1 , M 2 , x, y, z and n used in the invention starting compounds only a formal consideration of the compounds actually used.
  • Na 2 [Zn (OH) 4] used as starting compound in the inventive process the Na compound is only a formal 2 ZnO 2 * H 2 O before, however, as in substance
  • M 2 NaOH / Zn (OH) 2 NaOH / Zn (OH) 2 is to be described.
  • the starting compounds used are oxides / hydroxy compounds which can be formally described by the general formula (II). These oxides / hydroxy compounds are then converted in the process according to the invention by hydrolysis and polycondensation into the corresponding oxides of the general formula (I).
  • M 2 is an alkali, alkaline earth metal or a mixture of two or more alkali or alkaline earth metals or of alkali and alkaline earth metals. M 2 thus represents a metal selected from Groups 1 or 2 of the Periodic Table of the Elements (I U-PAC) and mixtures thereof.
  • M 2 are Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba and mixtures thereof.
  • Alkali metals are particularly preferably used, so that very particularly preferred meanings for M 2 are Li, Na, K or Rb.
  • x, y and z are selected so that, depending on the oxidation states of M 1 and M 2, the at least one compound of general formula (II) is neutrally charged.
  • M 2 is a monovalent alkali metal and M 1 is a monovalent metal or metalloid
  • x, y and z are 1.
  • M 2 is a monovalent alkali metal and M 1 is a divalent metal or semimetal
  • x 2, y 1 and z 2 are to be understood as examples only. It is known to a person skilled in the art how, depending on the oxidation states of M 1 and M 2 , x, y and z have to be determined so that the compound of the general formula (II) is neutrally charged.
  • the starting compound or compounds preferably contain at least one M 1 selected from Si and Zn, in particular Si.
  • Na2SiC "3 * 5H 2 O or Na 2 [Zn (OH) 4] formally corresponding to Na 2 ZnC" 2 * H 2 O, is used as compound of the general formula (II).
  • water glass of the formula Na 2 SiC" 3 * 5H 2 O is used as the compound of the general formula (II), or the corresponding compound without crystal water.
  • Na 2 [Zn (OH) 4] is used.
  • This compound corresponds formally regarded Na2ZnÜ2 * 2 H2O corresponding to the general formula (II).
  • step (a) of the process according to the invention is preferably carried out by mixing the starting compounds in dry form or in the form of concentrated aqueous solutions with water.
  • the term "compounds in dry form” also includes compounds containing water of crystallization.
  • Step (a) of the process of the invention is preferably carried out at a temperature of 5 to 50 0 C, more preferably from 15 to 35 ° C. Pressure does not play a crucial role during step (a) unless it affects the dissolution properties of water.
  • step (a) is preferably carried out at a pressure of 900 to 1100 mbar, in particular at normal pressure.
  • Step (a) may be carried out in an inert atmosphere, depending on the substrates used.
  • Suitable inert gases are preferably selected from the group consisting of nitrogen, noble gases such as helium or argon, and mixtures thereof. If the starting compounds used are not sensitive to atmospheric oxygen or moisture, it is advantageous to carry out step (a) of the process according to the invention in the presence of ambient air.
  • Step (b) of the process according to the invention comprises contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance.
  • acidic substance is meant a compound or substance which, in contact with water, lowers its pH.
  • the pH is from 1 to 5, more preferably from 2 to 3.5, as a result of performing step (b).
  • the person skilled in the art preferably selects the amount of the acid substance (s) preferably so that the aqueous solution has the above-indicated preferred pH values due to the contacting. The choice of the amount depends on the number of acid groups of the acidic substance and on the acidity.
  • the starting compound is in molecular form as the acid.
  • the starting compound is so-called free silicic acid, which can be referred to simply as H 4 SiO 4 .
  • the electrically neutral proton-containing derivatives of the starting compounds can also be present in oligomeric form.
  • the starting compound in molecular form has an increased solubility in the organic solvent (L) compared to the starting compound.
  • the acidic substance can in principle be in the form of a solid, in particular as Solid phase, or be brought in contact with the aqueous solution in the form of a liquid.
  • the contacting with the acidic substance can be effected by adding a strong acid, in particular a mineral acid.
  • the maximum concentration of the starting compound according to step (a) of the process according to the invention is about 8 wt .-%, provided that the contacting with an acidic substance is effected by addition of inorganic acids.
  • an acidic ion exchanger as the acidic substance according to step (b).
  • the acidic ion exchanger is separated following step (b). This is preferably done by decanting or filtration of the aqueous solution or dispersion following step (b). Filtration also leads to the separation of suspended matter and the smallest particles.
  • Suitable filters are, for example, paper filters, membrane filters, metallic nets or ceramic filters. The filters used preferably have a pore size of 2 to 5 micrometers.
  • Preferred acidic ion exchangers are acidic ion exchange resins such as functionalized styrene-divinylbenzene copolymers with sulfonic acid groups or comparable acid groups on the surface or phyllosilicates (zeolites), in particular zeolite A (Sasil) according to the formula Nai 2 ((AIO 2 ) i 2 (SiO 2 ) i2) * 27 H 2 O.
  • step (a) it is in principle also possible, in addition to the at least one acidic ion exchanger in the context of step (a) to add at least one further acidic substance.
  • the state of matter of the additionally used acid substance can be solid, liquid or gaseous.
  • suitable acidic substances are mineral acids, for example HCl and / or H2SO4.
  • Step (b) of the process according to the invention can be carried out in an inert gas atmosphere, reference being made to the inert gases which have been mentioned with respect to step (a) of the process according to the invention. In a preferred embodiment, however, step (b) is not carried out in an inert gas atmosphere in order to keep the process technically as simple as possible.
  • the reaction mixture is preferably stirred for the duration of step (b).
  • the duration of step (b) is at least 0.5 hours, more preferably at least one hour, most preferably at least 2 hours.
  • step (b) determines the time of completion of step (b) preferably according to one or more of the following criteria: no change in the pH and / or in the case of the addition of an ion exchanger, whereupon the temperature of the solution increases: re-cooling to room temperature.
  • Step (b) of the process according to the invention can be carried out at any temperature which ensures a sufficiently high reaction rate between the starting compound or the starting compounds and the at least one acidic substance.
  • step (b) is carried out at a temperature of 15 ° C to 40 0 C, more preferably at a temperature of 15 ° C to 30 0 C.
  • the at least one acidic substance, in particular the ion exchanger through the
  • Step (c) of the process of the invention comprises extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent or dispersing agent (L).
  • extraction in the context of the present invention comprises contacting a first liquid with a second liquid which is subsequently separated and which at least partially contains at least one compound which was previously completely in the first liquid.
  • the extraction as such is well known to those skilled in the art.
  • the amount of the first liquid and the amount of the second liquid are of the same order of magnitude, preferably substantially the same.
  • the organic solvent or dispersant (L), hereinafter referred to as solvent (L), preferably satisfies some conditions as set forth below.
  • the solvent (L) is preferably liquid at room temperature and normal pressure.
  • the at least one organic solvent or dispersant is selected so that it is substantially immiscible with water, either as such or after addition of at least one salt. It is thus likewise preferred to use a solvent (L) which is in principle miscible with water but which, after the addition of at least one salt, is substantially immiscible with water.
  • a solvent (L) which is in principle miscible with water but which, after the addition of at least one salt, is substantially immiscible with water.
  • salting out in principle.
  • the polarity of the solvent (L) can in principle vary within a wide range. However, it is preferred to use a medium polarity or moderately high polarity solvent (L).
  • a measure of the polarity of a substance is its dipole moment.
  • the dipole moment of the organic solvent (L) which can be used according to the invention is preferably from (0.4 to 20) - 10 " 30 cm, preferably from (1 to 15) - 10" 30 cm, particularly preferably from (3 to 10) -10 " 30 cm.
  • Suitable organic solvents are, in particular, those having 1 to 6 C atoms and at least one O atom.
  • the viscosity of the solvents used in a preferred embodiment is 0.2 to 1300 mPa.s, more preferably 0.2 to 100 mPa.s, very particularly preferred are organic solvents having a low viscosity of ⁇ 5 mPa.s, wherein a technically reasonable lower limit is approximately 0.2 mPa.s.
  • organic solvents (L) have a boiling point of at least 30 0 C, in particular at least 40 0 C.
  • organic solvent (L) have a boiling point of preferably at most 300 0 C, in particular at most 200 0 C and particularly preferably at most 150 0 C. It is particularly preferred if the solvent (L) has a low boiling point, very particularly preferably from 30 ° C. to 90 ° C., especially from 40 to 70 ° C. If a solvent (L) having a low dipole moment, in particular maximum 0.4-10 " 30 cm, then it is all over particularly preferred that the solvent (L) has a boiling point of at most 150 0 C, for example from 30 to 150 0 C.
  • the at least one organic solvent or dispersing agent is selected from the group consisting of ethers, ketones and aromatic hydrocarbons.
  • Preferred aromatic hydrocarbons are those having a boiling point of at most 150 0 C, which have exclusively uncondensed aromatic rings, for example benzene or its derivatives such as toluene and the xylene.
  • Preferred ethers are those of the structure R 1 -OR 2 , wherein R 1 and R 2 are aliphatic groups of 1 to 12 carbon atoms and may be the same or different and are independently selected. Preferably, R 1 and R 2 are independently selected from methyl, ethyl, n -propyl, iso -propyl, n -butyl, iso -butyl and n -hexyl. Preferred ethers are also cyclic ethers, especially THF.
  • ketones are those of the general structure R 1 -CO-R 2 , wherein R 1 and R 2 are aliphatic groups of 1 to 12 carbon atoms and may be the same or different and are independently selected.
  • R 1 and R 2 are independently selected from methyl, ethyl, n -propyl, iso -propyl, n -butyl, iso -butyl and n -hexyl.
  • Particularly preferred ketones are dimethyl ketone, methyl ethyl ketone and acetone.
  • Tetrahydrofuran is particularly preferred as the organic solvent or dispersant (L).
  • the abovementioned solvents (L) can be used individually or as a mixture of a plurality of the abovementioned solvents.
  • the solvent or dispersant (L) can be used in anhydrous or hydrous form. If the solvent or dispersion medium (L) contains water, the corresponding amount of water in the solvent or dispersion medium (L) is preferably at most 10% by weight, particularly preferably at most 8% by weight.
  • Step (d) of the process according to the invention comprises increasing the pH of the organic phase from step (c) to at least 7, preferably at least 7.5.
  • the pH of the organic phase from step (c) is preferably increased to a pH of from 7 to 10, particularly preferably from 7.5 to 9.
  • Bases are used to increase the pH. Suitable bases are both inorganic and organic bases.
  • Suitable inorganic bases are, in particular, ammonia or hydroxides of alkali metals, in particular NaOH and / or KOH.
  • the inorganic bases are preferably used as aqueous solution and / or as alcoholic solution.
  • inorganic bases have the disadvantage over the organic bases that only organosols with a content of particles of at most 1 wt .-% are accessible, whereas the use of organic bases makes organosols with a particle content of up to 15 wt .-% accessible. Accordingly, organic bases are preferred in step (d) of the process according to the invention.
  • Suitable organic bases are, in particular, compounds containing at least one primary, secondary or tertiary amino group bonded to a carbon atom.
  • the organic compounds thus defined are referred to below as organic amines.
  • step (d) by adding at least one organic amine.
  • Dodecylamine is an organic amine particularly preferred.
  • organic amine are also polyfunctional aliphatic amines into consideration.
  • Polyfunctional amines are amines which have at least two amino groups per molecule.
  • Suitable organic amines are in particular the following polyfunctional amines: bis (2-aminoethyl) amine, also called diethylenetriamine, tris (2-aminoethyl) amine, triethylenetetramine and other derivatives of ethyleneimine, tetramethylenediamine, ethylenediamine, diamines of butane and of pentane , 2-methyl-1,5-diaminopentane, 1,6-diaminohexane, 1,7-diaminoheptane, 1,8-diaminooctane, 1,9-diaminononane, 1,10-diaminodecane, 1,12-diaminododecane, 1-amino -3-aminomethyl 3,5,5-trimethylcyclohexane, 4,4'-methylenebis (cyclohexylamine), 4,4'-, 2,4'- and 2,2'-diaminodicyclo
  • Aliphatic polyfunctional amines having at least two primary amino groups are also suitable, in particular bis (2-aminoethyl) amine, tris (2-aminoethyl) amine, triethylenetetramine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, pentaethylenehexamine, diaminopropylenethylenediamine, propylenediamine, hexamethylenediamine, diaminocyclohexyl, triglycol diamine , Polymers of alkylene oxides such as ethylene oxide or propylene oxide, in which the hydroxyl end groups are replaced by amino groups, 1, 3-diaminopropan-2-ol, ⁇ , ⁇ "-Diaminodi-n-hexylamine, and dimethyl-1, 4-diaminoadipate.
  • bis (2-aminoethyl) amine tris (2-aminoethyl) amine, triethylenetetramine, ethylenediamine
  • the abovementioned aliphatic amines can be used individually or in mixtures.
  • the organic amines used are those having a weight-average molecular weight of from 100 to 10,000 g / mol and two to three amino groups per molecule, if unequal amines are used.
  • the weight-average molecular weight is determined by gel permeation chromatography.
  • organic amine having a molecular weight of 100 to 10,000 g / mol and two or three amino groups per molecule
  • organic amine having a molecular weight of 100 to 10,000 g / mol and two or three amino groups per molecule
  • bis (2-dimethylaminoethyl) ethers and polyetheramines are particularly preferred.
  • Polyetheramines are to be understood as meaning polyalkylene oxides which have been functionalized with amino groups, in particular polymeric ethylene oxides and / or propylene oxides having primary amino end groups.
  • the organic amine used is a polyetheramine of the general structure R 1 R 2 N - (- CHR 3 -CH 2 -O-) n -CHR 3 CH 2 -NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 independently of one another are H or an alkyl radical having 1, 2, 3 or 4 carbon atoms, R 3 independently of one another corresponds to H or methyl and n is a number from 1 to 40.
  • the polyetheramines mentioned may be uniform or non-uniform in their molecular weight, so that n corresponds to a number-weighted average.
  • polyetheramines of the general structure H2N - (- CH (CH3) CH2 ⁇ -) n-CH (CH 3) NH 2 with a number-average molecular weight of 150 to 1000 g / mol, particularly preferably from 150 to 300 g / mol and an amine content of 7 to 10 meq / g, especially 8 to 9 meq / g.
  • step (d) an increase in the pH of the organic phase to a pH of 7 to 10, in particular from 7.5 to 9, wherein preferably the temperature during step (d) from 0 to 5 ° C is. It is then preferably stirred at a temperature of 0 to 5 ° C over a period of a few minutes to several hours, preferably from 1 to 4 hours.
  • This optional functionalization of the metal or semimetal oxide particles can be carried out according to processes known in principle to the person skilled in the art, in particular by adding at least one functionalizing agent.
  • those functionalizing agents are added which contain the metal M 1 already used in step (a) and which have further functional groups which are reactive with the surface groups of the oxide or hydrated oxide.
  • Preferred functionalizing agents are siloxanes, chlorosilanes, silazanes, titanates and zirconates as well as combinations of the aforementioned classes of compounds, with siloxanes, chlorosilanes and silazanes being particularly preferred.
  • Preferred structures for the functionalizing agent are in particular M 1 (OR 1 ) n (R 2 ) 4-n, SiCl n (R 2 Kn, and ((R 2 ) m (OR 1 ) 3 -mSi) 2 NH, where
  • R 1 and R 2 are independently linear or branched alkyl groups of from 1 to 12 carbon atoms optionally containing further functional groups Groups may be included, with methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, n-hexyl, n-octyl and n-dodecyl being particularly preferred.
  • OR 1 are water-hydrolyzable functional groups.
  • R 2 are not hydrolyzable in water and remain as a hydrophobic functional group in the oxidic particles.
  • the person skilled in the art refers to the oxide particles thus obtained as surface-functionalized or -modified particles.
  • Suitable functionalizing agents are aminopropyltrimethoxysilane, aminobutyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, aminobutyltriethoxysilane and the corresponding silanes which contain glycidyl groups, in particular 3-glycidopropyltrimethoxysilane, and also phenyltriethoxysilane and phenyltrimethoxysilane.
  • Alkyltrimethoxysilanes (R 2 ) Si (OMe) 3 are particularly preferred as functionalizing agents, where R 2 has the abovementioned meaning.
  • Isobutyltrimethoxysilane is most preferred as a functionalizing agent.
  • the functionalization in the optional step (e) is carried out in the same solvent or dispersion medium (L).
  • the resulting reaction mixture is stirred at a temperature of from 20 to 200 ° C., preferably from room temperature to 180 ° C., for a period of from 2 to 48 hours, preferably from 6 to 18 hours.
  • the person skilled in the art knows how to choose the reaction temperature as a function of the solvent used, the functionalization reagent and the desired particle size.
  • Another object of the present invention is a process for the preparation of particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide, wherein subsequent to steps (a) to (d) and optionally (e) a further step (f) is carried out, which comprises the separation of the particles obtained in step (d) or optionally in step (e) comprising at least one oxide and / or oxide hydrate from the organosol.
  • Suitable methods for separating solids from solutions or dispersions are widely known. Examples are decanting, filtering and / or centrifuging. fugieren. Particularly preferably, the particles are filtered off from the reaction mixture. This can be done using an increased pressure or vacuum. Suitable methods are also known to the person skilled in the art.
  • Another object of the present invention is the use of the organosols according to the invention for the preparation of polymer compositions, in particular polymer composites, or coatings.
  • the process according to the invention makes it possible to produce particles having a volume-weighted mean particle diameter in the nanometer range as organosol.
  • the organosols obtainable in this way contain particles which can be further optimized by modification as described above with regard to good binding to a polymer in the organosol.
  • the organosols may be used for the preparation of polymer composites preferably directly, d. H. without drying, be brought into contact with the polymer. As a result, an irreversible agglomeration of the particles can be avoided.
  • Example 2 The mixture was then stirred at room temperature for 20 h at 200 revolutions per minute. After addition of 250 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase took place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then the organic phase was freed from suspended matter using a coarse white-band filter. The THF phase had a pH of 2.3 and was then cooled to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, so much dodecylamine was added until the solution had a pH of 8.9. The system was stirred for a further 12 h at room temperature and freed of suspended matter by means of a coarse round filter. Subsequently, a volume-weighted mean particle diameter of the SiO 2 particles of 140 nm was detected by means of dynamic light scattering. The organosol was stable for a period of at least 8 hours.
  • Example 2 Example 2:
  • the mixture was then stirred at room temperature for 20 h at 200 revolutions per minute. After addition of 250 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase took place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then freed the organic phase with a coarse white-edge filter of suspended matter.
  • the THF phase had a pH of 2.3 and was then cooled to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, so much dodecylamine was added until the solution had a pH of 7.8. The system was stirred for a further 12 h at room temperature and freed of suspended matter by means of a coarse white-edge filter.
  • the mixture was then stirred at RT at 200 revolutions per minute for 20 h. After addition of 60 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase takes place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then freed the organic phase with a coarse white-edge filter of suspended matter.
  • the THF phase had a pH of 2.5 and was then cooled down to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, 12.0 ml of 1 M NaOH were added and the mixture was heated to 60 ° C. for 2 h. After cooling to room temperature, the dispersion was over a coarse white edge filter freed of suspended matter.
  • SiO 2 particles having a volume-weighted mean particle diameter of 3 nm were detected.
  • the organosol was stable for a period of at least 8 hours.
  • the content of SiO 2 particles in the organosol was 1% by weight. It was not possible to increase the content of SiO 2 in the organosol obtained by varying the amounts used and the experimental conditions beyond 1% by weight.

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Abstract

The present invention relates to a method for the production of organosols containing at least one oxide and/or oxide hydrate of metals and/or semimetals, comprising the following steps: (a) providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound containing at least one metal and/or semimetal M1, (b) bringing the aqueous solution or dispersion from step (a) in contact with at least one acidic substance, (c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) using at least one organic solvent or dispersion medium (L) and (d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least 7. The present invention additionally relates to a method for producing particles from the organosols and to the use of the organosols for producing polymer compositions or polymer coatings.

Description

Verfahren zur Herstellung von Organosolen Process for the preparation of organosols
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Organosolen enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen umfassend die folgenden Schritte:The present invention relates to a process for the preparation of organosols comprising at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals, comprising the following steps:
(a) Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens einer Aus- gangsverbindung enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1,(a) providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound containing at least one metal and / or semimetal M 1 ,
(b) Inkontaktbringen der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (a) mit mindestens einer sauren Substanz,(b) contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance,
(c) Extrahieren der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (b) mit mindestens einem organischen Lösungs- oder Dispersionsmittel (L), und(c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent or dispersing agent (L), and
(d) Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf mindestens(d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least
7.7th
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu Herstellung von Partikeln aus den Organosolen und die Verwendung der Organosole zur Herstellung von Polymerzusammensetzungen oder Beschichtungen.Moreover, the present invention relates to a process for the production of particles from the organosols and the use of the organosols for the preparation of polymer compositions or coatings.
Verfahren zur Herstellung von Solen enthaltend Partikeln aus Oxiden und/oder Oxidhydraten sind aus der Gewinnung von wässrigen Siθ2-Solen aus Wasserglas bekannt. Derartige Siθ2-Sole entstehen insbesondere als Zwischenprodukte bei der Herstellung von Aerogelen. Die Entfernung der wässrigen Phase erfolgt im Stand der Technik auf der Stufe von fertig ausgebildeten Solen oder Gelen. Die Herstellung von Siθ2 in Ge- genwart von organischen Lösungsmitteln ist im Prinzip ebenfalls bekannt.Processes for the preparation of sols containing particles of oxides and / or oxide hydrates are known from the recovery of aqueous SiO 2 sols from water glass. Such SiO 2 sols arise in particular as intermediates in the production of aerogels. The removal of the aqueous phase occurs in the prior art at the stage of ready formed sols or gels. The production of SiO 2 in the presence of organic solvents is also known in principle.
EP-A 0 236 945 offenbart die Hydrolyse von Tetramethoxysilan bzw. Tetra-ethoxysilan in Alkohol/Wasser-Gemischen. Durch das in dem genannten Dokument offenbarte Verfahren werden Siθ2-Dispersionen in Glykolen zugänglich, indem die Wasser/Alkohol- Phase der Sole durch ein Glykol ausgetauscht wird.EP-A 0 236 945 discloses the hydrolysis of tetramethoxysilane or tetraethoxysilane in alcohol / water mixtures. By the method disclosed in said document, SiO 2 dispersions in glycols become accessible by exchanging the water / alcohol phase of the brine with a glycol.
US 6,110,439 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Silica-Gel durch In- Kontaktbringen eines wässrigen Silica-Sols mit einem pH von > 7,5 mit einem sauren lonenaustauscherharz, welches Metallionen aus dem Silica-System entfernt und durch Protonen ersetzt. Anschließend wird eine organische Flüssigkeit, ausgewählt aus Alkoholen, Aceton, Dioxan, Tetrahydrofuran, Acetonitril und Ethylenglycol in einer Menge von bis zu 80 Gew.-% zugesetzt. Durch das in US 6,1 10,439 offenbarte Verfahren kann ein Silica-Gel hergestellt werden, welches sich durch seinen hohen Anteil an organischem Lösungsmittel auszeichnet. Das Verfahren führt jedoch nicht zur Bildung von Organosolen.US Pat. No. 6,110,439 discloses a method for producing silica gel by contacting an aqueous silica sol having a pH of> 7.5 with an acidic ion exchange resin which removes metal ions from the silica system and replaces them with protons. Subsequently, an organic liquid selected from among alcohols, acetone, dioxane, tetrahydrofuran, acetonitrile and ethylene glycol is added in an amount of up to 80% by weight. By the method disclosed in US 6,110,439 can be made a silica gel, which is characterized by its high content of organic solvent. However, the process does not lead to the formation of organosols.
EP-A 1 236 765 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Siθ2-Dispersionen aus Wasserglas. Dazu wird eine wässrige Lösung von Na2Ü * n SiÜ2 polykondensiert und anschließend ein alkalischer pH-Wert eingestellt. Das Verfahren liefert jedoch keine Organosole.EP-A 1 236 765 discloses a process for the preparation of SiO 2 dispersions from water glass. For this purpose, an aqueous solution of Na2Ü * n SiÜ2 is polycondensed and then set an alkaline pH. However, the process does not provide organosols.
US-P 5,759,506 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Aerogelen, in dem eine wässrige Lösung von Wasserglas durch Einwirkung eines sauren Ionenaustauschers oder einer Mineralsäure auf einen pH von < 3 gebracht wird und anschließend eine Polykondensation des Wasserglases zu Siθ2-Gel durch Zugabe einer Base und gegebenenfalls ein Austausch des Wassers mit organischen Lösungsmitteln erfolgt. Das Verfahren führt jedoch nicht zur Bildung von Organosolen , sondern zu agglomerierten Partikeln. Dementsprechend ist eine Anwendung dieses Verfahrens zur Darstellung von nanopartikulären Substanzen nicht geeignet.US-P 5,759,506 discloses a process for the preparation of aerogels in which an aqueous solution of water glass is brought to a pH of <3 by the action of an acidic ion exchanger or a mineral acid and then a polycondensation of the water glass to SiO 2 gel by adding a base and if necessary, an exchange of the water with organic solvents. However, the process does not lead to the formation of organosols, but to agglomerated particles. Accordingly, an application of this method for the preparation of nanoparticulate substances is not suitable.
EP-A 0 409 083 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Aerogelen aus SiÜ2, wo- bei das Extrakt enthaltend Polykieselsäure gegebenenfalls unter Zugabe von Polykie- selsäureestern und/oder Basen wie Ammoniak einer überkritischen Behandlung unter gleichzeitiger Bildung eines Gels unterzogen wird. Das Verfahren führt jedoch nicht zur Bildung von Organosolen.EP-A 0 409 083 describes a process for preparing aerogels from SiO 2, in which case the extract containing polysilicic acid, if appropriate with the addition of polysilicic acid esters and / or bases such as ammonia, is subjected to a supercritical treatment with simultaneous formation of a gel. However, the process does not lead to the formation of organosols.
Für viele Anwendungen sind wässrige oxidische Sole als solche ungeeignet, so dass das aus dem Herstellungsprozess herrührende wässrige Medium durch ein geeignetes organisches Lösungsmittel ausgetauscht werden muss.For many applications, aqueous oxidic sols are unsuitable as such, so that the originating from the manufacturing process aqueous medium must be replaced by a suitable organic solvent.
Beispielsweise ist es für eine durchzuführende Funktionalisierung von Siθ2-Partikeln an der Oberfläche vorteilhaft, dass diese in organischer Lösung vorliegen, da die Funk- tionalisierungsreagenzien oftmals nur in diesen Lösungsmitteln, nicht jedoch in wässri- gen Lösungsmitteln, löslich sind. So ist z.B. 3-(Glycido-oxy-propyl)trimethoxysilan nicht in Wasser, sondern nur in organischen Lösungsmitteln, z.B. Ethylenglycol oder Tetra- hydrofuran (THF), löslich. Des Weiteren ist es oftmals notwendig, Siθ2-Partikel in or- ganischer Lösung zur Verfügung zu haben, um diese in Polymere, beispielsweise in Polyurethane oder anderen Formulierungen, basierend auf organischen Lösungsmitteln, einzubringen. Stellt man beispielsweise Polyurethane in einem Reaktionsgemisch her, welches mehr als 0,7 bis 1 Gew.-% Wasser enthält, verschlechtern sich die Eigenschaften signifikant.For example, it is advantageous for a functionalization of SiO 2 particles to be carried out at the surface to be present in organic solution, since the functionalizing reagents are often soluble only in these solvents, but not in aqueous solvents. For example, e.g. 3- (glycido-oxy-propyl) trimethoxysilane not in water but only in organic solvents, e.g. Ethylene glycol or tetrahydrofuran (THF), soluble. Furthermore, it is often necessary to have available SiO 2 particles in organic solution in order to incorporate them in polymers, for example in polyurethanes or other formulations based on organic solvents. If, for example, polyurethanes are prepared in a reaction mixture which contains more than 0.7 to 1% by weight of water, the properties deteriorate significantly.
In der Publikation von P. Sozzani et al., Chem. Mater. 2002, 14, 3377-3381 wird ein Verfahren zur Herstellung von SiÜ2 beschrieben, wobei zunächst durch Ansäuern einer wässrigen Alkalimetallsilikatlösung mittels HCl die so entstehende Kieselsäure in ein organisches Lösungsmittel extrahiert wird. Anschließend erfolgt die Polykondensation der Kieselsäure durch Verdampfen des organischen Lösungsmittels bei Druck und Temperatur der Umgebung. Es wird plättchenförmiges SiÜ2 erhalten, jedoch kein Or- ganosol.In the publication by P. Sozzani et al., Chem. Mater. 2002, 14, 3377-3381 a process for the preparation of SiÜ2 is described, wherein first by acidification of a aqueous alkali metal silicate solution by means of HCl, the resulting silica is extracted into an organic solvent. Subsequently, the polycondensation of the silica is carried out by evaporation of the organic solvent at ambient pressure and temperature. It is platelet-shaped SiÜ2 obtained, but no organosol.
DE-O 26 33 198 beschreibt das Ansäuern von Alkalimetallsilikatlösungen mit organischen Säuren in einem organischen Lösungsmittel mit Octadecylamin als Emulgator, woraufhin die entstehende Emulsion intensiv gerührt und erhitzt wird. Gemäß dieser Offenlegungsschrift wird ein Hydrogel erhalten.DE-O 26 33 198 describes the acidification of alkali metal silicate solutions with organic acids in an organic solvent with octadecylamine as emulsifier, whereupon the resulting emulsion is stirred vigorously and heated. According to this disclosure, a hydrogel is obtained.
Es wäre wünschenswert ein Verfahren zur Herstellung von oxidischen Organosolen bereitzustellen, in dem die Bildung der Partikel unmittelbar in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels erfolgt, so dass ein Lösungsmittelaustausch unterbleiben kann.It would be desirable to provide a process for the preparation of oxidic organosols in which the formation of the particles occurs immediately in the presence of an organic solvent so that solvent exchange can be omitted.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren bereitzustellen, welches Organosole enthaltend Oxide und/oder Oxidhydrate von Metallen und/oder Halbmetallen in organischer Lösung bzw. Dispersion erhältlich macht, ohne dass ein Austausch der wässrigen Phase durch die organische Phase in einem zusätzlichen Verfah- rensschritt notwendig ist. Das Verfahren soll gleichzeitig Organosole mit einem Wassergehalt von höchstens 0,01 Gew.-% zugänglich machen, ohne einen Trocknungsschritt oder einen Lösungsmitteltausch durchzuführen. Des Weiteren soll ein Verfahren bereitgestellt werden, welches einen aufwendigen, kosten- und energieintensiven Trocknungsschritt zum Ende des Verfahrens erübrigt. Die Organosole sollen eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen. Im Rahmen des Verfahrens soll die Bildung von Gelen unterbleiben, d.h. das Verfahren soll ohne weitere Schritte zu stabilen Solen führen. Das Verfahren soll es zudem ermöglichen, die Bildung von stabilen Solen zu steuern und gleichzeitig die Vernetzung oder Agglomeration der Partikel zu verhindern. Die so erhältlichen Sole sollen einen hohen Anteil an oxidischen Partikeln im Lö- sungsmittel aufweisen, ohne einen Schritt der Aufkonzentration durchzuführen. Die erhaltenen Sole sollen außerdem über einen langen Zeitraum stabil sein. Die erhaltenen Sole sollen schließlich unmittelbar zur Darstellung von Hybridmaterialien eingesetzt werden können.It is therefore an object of the present invention to provide a process which makes available organosols comprising oxides and / or hydrated oxides of metals and / or semimetals in organic solution or dispersion without replacement of the aqueous phase by the organic phase in an additional process - step is necessary. The process should at the same time make available organosols having a water content of at most 0.01% by weight without carrying out a drying step or a solvent exchange. Furthermore, a method is to be provided which makes a complicated, costly and energy-intensive drying step unnecessary at the end of the method. The organosols should have a narrow particle size distribution. In the process, the formation of gels should be avoided, i. the process should lead to stable sols without further steps. The process should also make it possible to control the formation of stable sols while preventing the cross-linking or agglomeration of the particles. The sols thus obtained should have a high proportion of oxidic particles in the solvent, without carrying out a step of concentration. The resulting sols should also be stable over a long period of time. Finally, the resulting sols should be able to be used directly for the preparation of hybrid materials.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen und im Folgenden beschrieben. Kombinationen mehrerer bevorzugter Ausführungsformen verlassen den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht. Insbesondere kann jede bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrensschrittes mit einer bevorzugten Ausführungsform eines anderen Verfah- rensschrittes kombiniert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Organosolen enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen umfasst die folgenden Schritte:These objects are achieved by the method according to the invention. Preferred embodiments are described in the claims and in the following. Combinations of several preferred embodiments do not depart from the scope of the present invention. In particular, each preferred embodiment of a method step can be combined with a preferred embodiment of another method step. The process according to the invention for producing organosols comprising at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals comprises the following steps:
(a) Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens einer(a) providing an aqueous solution or dispersion of at least one
Ausgangsverbindung enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1,Starting compound containing at least one metal and / or semimetal M 1 ,
(b) Inkontaktbringen der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (a) mit mindestens einer sauren Substanz,(b) contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance,
(c) Extrahieren der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (b) mit mindestens einem organischen Lösungsmittel (L), und(c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent (L), and
(d) Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf mindestens 7.(d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least 7.
Unter SoI wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine stabile Dispersion von isolierten Partikeln in einer flüssigen Phase verstanden. Im SoI ist die feste Phase partiku- lär in der flüssigen Phase verteilt, d. h. dispergiert, wobei isolierte Partikel vorliegen. Vorzugsweise handelt es sich bei einem SoI um eine stabile kolloidale Lösung.For the purposes of the present invention, Sol is understood to mean a stable dispersion of isolated particles in a liquid phase. In SoI, the solid phase is particu- larly distributed in the liquid phase, i. H. dispersed, wherein isolated particles are present. Preferably, a sol is a stable colloidal solution.
Ein SoI ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung strikt von einem Gel zu unterscheiden. Bei einem Gel durchdringen sich die feste Phase, welche ein dreidimensionales Netzwerk bildet, und die flüssige Phase biskontinuierlich (oft bikohärent genannt).For the purposes of the present invention, a sol is to be strictly distinguished from a gel. In a gel, the solid phase, which forms a three-dimensional network, and the liquid phase penetrate continuously (often called bicohärent).
Unter einer stabilen Dispersion von isolierten Partikeln ist eine zeitlich gleich bleibende Verteilung der isolierten Partikel in der flüssigen Phase zu verstehen. Ein System, welches der zeitlichen Veränderung unterliegt, indem es ein dreidimensionales Netzwerk bildet (Gel), ist somit kein SoI im Sinne der vorliegenden Erfindung.A stable dispersion of isolated particles is to be understood as meaning a distribution of the isolated particles in the liquid phase which is constant in time. A system which undergoes temporal change by forming a three-dimensional network (gel) is thus not a sol in the sense of the present invention.
Vorzugsweise ist die Verteilung der Partikel im SoI über einen Zeitraum von mindestens zwei Stunden stabil, insbesondere mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 8 Stunden, ganz besonders bevorzugt mindestens 12 Stunden.Preferably, the distribution of the particles in the sol is stable over a period of at least two hours, in particular at least 4, more preferably at least 8 hours, most preferably at least 12 hours.
Vorzugsweise umfasst Schritt (d) der vorliegenden Erfindung die Erhöhung des pH- Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf einen pH-Wert von mindestens 7 unter Erhalt einer Dispersion von isolierten Partikeln enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen im Lösungsmittel (L), wobei die Dispersion über einen Zeitraum von mindestens 2 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 4 Stunden, insbesondere 8 Stunden und ganz besonders bevorzugt 12 Stunden stabil ist. Unter Oxidhydraten von Metallen und/oder Halbmetallen sind Oxide zu verstehen, welches noch Hydroxygruppen und/oder chemisch gebundenes Wasser enthalten. Vorzugsweise enthalten die Organosole der vorliegenden Erfindung jedoch Oxide.Preferably, step (d) of the present invention comprises raising the pH of the organic phase of step (c) to a pH of at least 7 to obtain a dispersion of isolated particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or or semimetals in the solvent (L), wherein the dispersion over a period of at least 2 hours, more preferably at least 4 hours, in particular 8 hours and most preferably 12 hours is stable. Oxide hydrates of metals and / or semimetals are to be understood as meaning oxides which also contain hydroxyl groups and / or chemically bound water. Preferably, however, the organosols of the present invention contain oxides.
Unter Organosol ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein SoI zu verstehen, bei dem die flüssige Phase mindestens ein organisches Lösungs- oder Dispersionsmittel enthält.For the purposes of the present invention, organosol is to be understood as meaning a sol in which the liquid phase contains at least one organic solvent or dispersant.
Durch Umsetzung der Ausgangsverbindung oder der Ausgangsverbindungen enthal- tend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1, die als Lösung oder Dispersion in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden, wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Organosol erhalten, in dem die flüssige Phase aus dem mindestens einen organischen Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) besteht. Die feste Phase enthält dabei mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat enthaltend min- destens ein Metall und/oder Halbmetall M1 als SoI, d. h. in Form von isolierten Partikeln.By reacting the starting compound or starting compounds containing at least one metal and / or metalloid M 1 , which are provided as a solution or dispersion in step (a) of the method according to the invention, an organosol is obtained in the process according to the invention, in which the liquid Phase consists of at least one organic solvent or dispersant (L). The solid phase contains at least one oxide and / or hydrated oxide containing at least one metal and / or metalloid M 1 as sol, ie in the form of isolated particles.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen Organosole enthalten vorzugsweise Partikel aus Oxiden und/oder Oxidhydraten von Metallen und/oder Halbme- tallen, die der allgemeinen Formel (I) entsprechen:
Figure imgf000006_0001
The organosols obtainable by the process according to the invention preferably comprise particles of oxides and / or hydrated oxides of metals and / or semimetals which correspond to the general formula (I):
Figure imgf000006_0001
worin M1, a und b die folgenden Bedeutungen haben:wherein M 1 , a and b have the following meanings:
M1 Metall oder Halbmetall ausgewählt aus den Gruppen 1 bis 15 des Periodensystems der Elemente (IUPAC) der Lanthanoide, Actinoide und Mischungen davon, a 1 bis 4 und b 1 bis 4, wobei a und b in Abhängigkeit von der Oxidationsstufe von M1 so gewählt sind, dass die Verbindung der allgemeinen Formel (I) neutral geladen ist.M 1 metal or semimetal selected from Groups 1 to 15 of the Periodic Table of the Elements (IUPAC) of lanthanides, actinides and mixtures thereof, a 1 to 4 and b 1 to 4, wherein a and b, depending on the oxidation state of M 1 so are chosen such that the compound of the general formula (I) is neutrally charged.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist M1 ausgewählt aus Metallen oder Halbmetallen ausgewählt aus den Gruppen 4 bis 15 des Periodensystems der Elemente (I U- PAC). Besonders bevorzugt ist M1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Zn, Cd, B, AI, Ga, In, Si, Ge, Sn und Mischungen davon. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist M1 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zn, Si und Mischungen davon, wobei M1 = Si insbesondere bevorzugt ist.In a preferred embodiment, M 1 is selected from metals or semi-metals selected from Groups 4 to 15 of the Periodic Table of the Elements (I U-PAC). More preferably, M 1 is selected from the group consisting of Ti, Zr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge , Sn and mixtures thereof. In a very particularly preferred embodiment, M 1 is selected from the group consisting of Zn, Si and mixtures thereof, with M 1 = Si being particularly preferred.
a und b werden so gewählt, dass in Abhängigkeit von der Oxidationsstufe von M1 die Verbindung der allgemeinen Formel (I) neutral geladen ist. Beispielsweise, wenn M1 ein einwertiges Metall oder Halbmetall ist, ist a 2 und b 1 , ist M1 ein zweiwertiges Metall oder Halbmetall, so ist a 1 und b 1 , ist M1 ein dreiwertiges Metall, so ist a 3 und b 2, ist M1 ein vierwertiges Metall, ist a 1 und b 2, usw.a and b are chosen so that, depending on the oxidation state of M 1, the compound of general formula (I) is neutrally charged. For example, if M 1 is a monovalent metal or semimetal, is a 2 and b is 1, M 1 is a divalent metal or semimetal, so if a is 1 and b is 1, M 1 is a trivalent metal, then a is 3 and b is 2, M 1 is one tetravalent metal, is a 1 and b 2, etc.
Es ist dem Fachmann klar, dass die aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen bezüglich M1 auch so zu verstehen sind, dass entsprechende Ausgangsverbindungen enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1 bevorzugt sind.It is clear to the person skilled in the art that the listed preferred embodiments with respect to M 1 are to be understood as meaning that corresponding starting compounds containing at least one metal and / or semimetal M 1 are preferred.
Der volumengewichtete mittlere Teilchendurchmesser D[4,3] der durch das erfin- dungsgemäße Verfahren erhältlichen Partikel der Organosole kann von 1 nm bis ungefähr 10 μm betragen. Die obere Grenze bezüglich des Teilchendurchmessers wird dabei unter anderem durch die abnehmende Stabilität des Organosols bedingt. Vorzugsweise weisen die Partikel in den Organosolen einen volumengewichteten mittleren Teilchendurchmesser D[4,3] von 1 bis 500 nm, insbesondere von 1 bis 300 nm, auf.The volume-weighted average particle diameter D [4,3] of the particles of the organosols obtainable by the process according to the invention can be from 1 nm to approximately 10 μm. The upper limit with respect to the particle diameter is caused inter alia by the decreasing stability of the organosol. The particles in the organosols preferably have a volume-weighted average particle diameter D [4,3] of 1 to 500 nm, in particular of 1 to 300 nm.
Die Messung der volumengewichteten mittleren Teilchengröße der erfindungsgemäß erhältlichen Organosole erfolgt mittels dynamischer Lichtstreuung. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Alternativ kann die Bestimmung eines zahlenge- wichteten mittleren Teilchendurchmessers mittels Transmissionselektronenmikroskopie und anschließender bildanalytischer Auswertung an mindestens 500 Einzelporen anhand einer statistisch aussagekräftigen Probe erfolgen. Alle Teilchendurchmesser, auf die im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, sind jedoch volumengewichtete mittlere Teilchendurchmesser, welche durch dynamische Lichtstreuung bestimmt werden.The measurement of the volume-weighted mean particle size of the organosols obtainable according to the invention is carried out by means of dynamic light scattering. Corresponding methods are known to the person skilled in the art. Alternatively, the determination of a number-weighted average particle diameter by means of transmission electron microscopy and subsequent image-analytical evaluation on at least 500 individual pores can be carried out on the basis of a statistically meaningful sample. However, all particle diameters referred to in the present invention are volume weighted average particle diameters determined by dynamic light scattering.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden näher erläutert.The individual steps of the method according to the invention are explained in more detail below.
Schritt (a)Step (a)
Schritt (a) umfasst erfindungsgemäß das Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens einer Ausgangsverbindung enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1.According to the invention, step (a) comprises providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound containing at least one metal and / or semimetal M 1 .
Der Begriff Lösung oder Dispersion umfasst sowohl Lösungen im eigentlichen Sinne als auch kolloidale Lösungen und Dispersionen von Partikeln in einer flüssigen Phase.The term solution or dispersion encompasses both solutions in the true sense as well as colloidal solutions and dispersions of particles in a liquid phase.
Vorzugsweise beträgt die Konzentration der Ausgangsverbindungen in der wässrigen Lösung oder Dispersion von 10 bis 25 Gew.-%, insbesondere von 12 bis 20 Gew.-%. Die Ausgangsverbindung oder die Ausgangsverbindungen enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1 werden in Abhängigkeit von den herzustellenden Orga- nosolen bzw. in Abhängigkeit von den herzustellenden oxidischen Partikeln gewählt.The concentration of the starting compounds in the aqueous solution or dispersion is preferably from 10 to 25% by weight, in particular from 12 to 20% by weight. The starting compound or the starting compounds containing at least one metal and / or metalloid M 1 are selected depending on the organo-nosols to be prepared or depending on the oxidic particles to be produced.
Unter einer wässrigen Lösung oder Dispersion soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine solche Lösung oder Dispersion verstanden werden, deren flüssige Phase zu mindestens 50 Gew.-% aus Wasser, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew.-% aus Wasser besteht.In the context of the present invention, an aqueous solution or dispersion is to be understood as meaning a solution or dispersion whose liquid phase comprises at least 50% by weight of water, preferably at least 90% by weight, in particular at least 99% by weight, of water consists.
Als Ausgangsverbindungen kommen solche Verbindungen enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1 in Betracht, die in der wässrigen Phase löslich oder dis- pergierbar sind und die durch Hydrolyse und Polykondensation umgesetzt werden können.Suitable starting compounds are those compounds containing at least one metal and / or semimetal M 1 , which are soluble or dispersible in the aqueous phase and which can be reacted by hydrolysis and polycondensation.
Vorzugsweise wird Schritt (a) ausgeführt durch Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion wenigstens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
Figure imgf000008_0001
worin M1 die oben genannte Bedeutung hat, und M2, x, y, z und n die folgenden Bedeutungen haben:
Preferably, step (a) is carried out by providing an aqueous solution or dispersion of at least one compound of the general formula (II)
Figure imgf000008_0001
in which M 1 has the abovementioned meaning, and M 2 , x, y, z and n have the following meanings:
M2 Alkali-, Erdalkalimetall oder Mischungen davon, x 0,5 bis 6, y 0,5 bis 6, z 0,5 bis 4, n 0 bis 12 undM 2 alkali, alkaline earth metal or mixtures thereof, x 0.5 to 6, y 0.5 to 6, z 0.5 to 4, n 0 to 12 and
wobei x, y und z in Abhängigkeit von den Oxidationsstufen von M1 und M2 so gewählt sind, dass die wenigstens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) neutral geladen ist.wherein x, y and z are selected depending on the oxidation states of M 1 and M 2 so that the at least one compound of general formula (II) is neutrally charged.
Die allgemeine Formel (II) bedeutet bei einigen durch die Bedeutungen von M1, M2, x, y, z und n erfindungsgemäß einsetzbaren Ausgangsverbindungen nur eine formale Betrachtung der tatsächlich einzusetzenden Verbindungen. Wird beispielsweise Na2[Zn(OH)4] als Ausgangsverbindung in das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, so liegt nur formal die Verbindung Na2ZnO2 * H2O vor, die jedoch in Substanz alsThe general formula (II) means for some by the meanings of M 1 , M 2 , x, y, z and n used in the invention starting compounds only a formal consideration of the compounds actually used. For example, Na 2 [Zn (OH) 4] used as starting compound in the inventive process, the Na compound is only a formal 2 ZnO 2 * H 2 O before, however, as in substance
2 NaOH/Zn(OH)2 zu beschreiben ist. Im Allgemeinen werden als Ausgangsverbindungen Oxide/Hydroxyverbindungen eingesetzt, die formal mit der allgemeinen Formel (II) beschrieben werden können. Diese Oxide/Hydroxyverbindungen werden dann in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Hydrolyse und Polykondensation in die entspre- chenden Oxide der allgemeinen Formel (I) überführt. M2 ist ein Alkali-, Erdalkalimetall oder eine Mischung von zwei oder mehreren Alkalioder Erdalkalimetallen oder von Alkali- und Erdalkalimetallen. M2 bedeutet somit ein Metall ausgewählt aus den Gruppen 1 oder 2 des Periodensystems der Elemente (I U- PAC) und Mischungen davon. Beispiele für besonders bevorzugte M2 sind Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Mischungen davon. Besonders bevorzugt werden Alkalimetalle eingesetzt, so dass ganz besonders bevorzugte Bedeutungen für M2 Li, Na, K oder Rb sind.2 NaOH / Zn (OH) 2 is to be described. In general, the starting compounds used are oxides / hydroxy compounds which can be formally described by the general formula (II). These oxides / hydroxy compounds are then converted in the process according to the invention by hydrolysis and polycondensation into the corresponding oxides of the general formula (I). M 2 is an alkali, alkaline earth metal or a mixture of two or more alkali or alkaline earth metals or of alkali and alkaline earth metals. M 2 thus represents a metal selected from Groups 1 or 2 of the Periodic Table of the Elements (I U-PAC) and mixtures thereof. Examples of particularly preferred M 2 are Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba and mixtures thereof. Alkali metals are particularly preferably used, so that very particularly preferred meanings for M 2 are Li, Na, K or Rb.
x, y und z werden so ausgewählt, dass in Abhängigkeit von den Oxidationsstufen von M1 und M2 die wenigstens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) neutral geladen ist. Ist M2 beispielsweise ein einwertiges Alkalimetall, und M1 ist ein einwertiges Metall oder Halbmetall, so bedeuten x, y und z 1. Ist M2 ein einwertiges Alkalimetall und M1 ein zweiwertiges Metall oder Halbmetall, so bedeutet x 2, y 1 und z 2. Diese Bedeutungen für x, y und z sollen lediglich exemplarisch verstanden werden. Einem Fachmann ist es bekannt, wie, in Abhängigkeit der Oxidationsstufen von M1 und M2, x, y und z bestimmt werden müssen, damit die Verbindung der allgemeinen Formel (II) neutral geladen ist.x, y and z are selected so that, depending on the oxidation states of M 1 and M 2, the at least one compound of general formula (II) is neutrally charged. For example, if M 2 is a monovalent alkali metal and M 1 is a monovalent metal or metalloid, then x, y and z are 1. If M 2 is a monovalent alkali metal and M 1 is a divalent metal or semimetal, x 2, y 1 and z 2. These meanings for x, y and z are to be understood as examples only. It is known to a person skilled in the art how, depending on the oxidation states of M 1 and M 2 , x, y and z have to be determined so that the compound of the general formula (II) is neutrally charged.
Vorzugsweise enthalten die Ausgangsverbindung oder die Ausgangsverbindungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens ein M1 ausgewählt aus Si und Zn, insbesondere Si.In the context of the present invention, the starting compound or compounds preferably contain at least one M 1 selected from Si and Zn, in particular Si.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Verbindung der allgemeinen Formel (II) Na2SiC"3 * 5 H2O oder Na2[Zn(OH)4], formal entsprechend Na2ZnC"2 * H2O, eingesetzt.In a preferred embodiment of the process according to the invention Na2SiC "3 * 5H 2 O or Na 2 [Zn (OH) 4], formally corresponding to Na 2 ZnC" 2 * H 2 O, is used as compound of the general formula (II).
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird für die Herstellung von SiC"2-Nanopartikeln Wasserglas der Formel Na2SiC"3 * 5 H2O als Verbindung der allgemeinen Formel (II) eingesetzt, oder die entsprechende Verbindung ohne Kristallwas- ser.In a very particularly preferred embodiment, for the preparation of SiC "2 nanoparticles, water glass of the formula Na 2 SiC" 3 * 5H 2 O is used as the compound of the general formula (II), or the corresponding compound without crystal water.
Wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein ZnO-Nanopartikel hergestellt, so wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Na2[Zn(OH)4] eingesetzt. Diese Verbindung entspricht formal betrachtet Na2ZnÜ2 * 2 H2O entsprechend der allgemeinen Formel (II).If a ZnO nanoparticle is produced by the process according to the invention, in a further preferred embodiment Na 2 [Zn (OH) 4] is used. This compound corresponds formally regarded Na2ZnÜ2 * 2 H2O corresponding to the general formula (II).
Die Lösung oder Dispersion in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise durch Vermengen der Ausgangsverbindungen in trockener Form oder in Form von konzentrierten wässrigen Lösungen mit Wasser. Der Begriff „Verbindungen in trockener Form" schließt selbstverständlich auch Verbindungen enthaltend Kristallwasser ein. Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 5 bis 500C, besonders bevorzugt von 15 bis 35°C. Der Druck spielt während Schritt (a) keine entscheidende Rolle, sofern er die Lösungseigenschaften von Wasser nicht beeinflusst. Um das Verfahren möglichst einfach durchzuführen, wird Schritt (a) vorzugsweise bei einem Druck von 900 bis 1 100 mbar, insbesondere bei Normaldruck durchgeführt.The solution or dispersion in step (a) of the process according to the invention is preferably carried out by mixing the starting compounds in dry form or in the form of concentrated aqueous solutions with water. Of course, the term "compounds in dry form" also includes compounds containing water of crystallization. Step (a) of the process of the invention is preferably carried out at a temperature of 5 to 50 0 C, more preferably from 15 to 35 ° C. Pressure does not play a crucial role during step (a) unless it affects the dissolution properties of water. In order to carry out the process as simply as possible, step (a) is preferably carried out at a pressure of 900 to 1100 mbar, in particular at normal pressure.
Schritt (a) kann, in Abhängigkeit von den eingesetzten Substraten, in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden. Geeignete inerte Gase sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Edelgasen wie Helium oder Argon, und Mischungen davon. Sofern die eingesetzten Ausgangsverbindungen nicht empfindlich gegenüber Luftsauerstoff bzw. -Feuchtigkeit sind, ist es vorteilhaft, Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens in Gegenwart der Umgebungsluft durchzuführen.Step (a) may be carried out in an inert atmosphere, depending on the substrates used. Suitable inert gases are preferably selected from the group consisting of nitrogen, noble gases such as helium or argon, and mixtures thereof. If the starting compounds used are not sensitive to atmospheric oxygen or moisture, it is advantageous to carry out step (a) of the process according to the invention in the presence of ambient air.
Schritt (b)Step (b)
Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Inkontaktbringen der wäss- rigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (a) mit mindestens einer sauren Substanz. Unter saurer Substanz ist eine Verbindung oder eine Substanz zu verstehen, welche in Kontakt mit Wasser dessen pH-Wert erniedrigt.Step (b) of the process according to the invention comprises contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance. By acidic substance is meant a compound or substance which, in contact with water, lowers its pH.
Vorzugsweise beträgt der pH-Wert infolge der Durchführung von Schritt (b) von 1 bis 5, besonders bevorzugt von 2 bis 3,5. Der Fachmann wählt die Menge der sauren Substanz oder der sauren Substanzen vorzugsweise so, dass die wässrige Lösung infolge des Inkontaktbringens oben angegebene bevorzugte pH-Werte aufweist. Die Wahl der Menge erfolgt in Abhängigkeit von der Anzahl der Säuregruppen der sauren Substanz sowie in Abhängigkeit von der Säurestärke.Preferably, the pH is from 1 to 5, more preferably from 2 to 3.5, as a result of performing step (b). The person skilled in the art preferably selects the amount of the acid substance (s) preferably so that the aqueous solution has the above-indicated preferred pH values due to the contacting. The choice of the amount depends on the number of acid groups of the acidic substance and on the acidity.
Ohne auf theoretische Überlegungen beschränkt zu sein besteht die Vorstellung, dass sich infolge der Gegenwart von Protonen aus der sauren Substanz elektrisch neutrale protonenhaltige Abkömmlinge der Ausgangsverbindungen bilden, d.h. die Ausgangsverbindung liegt in molekularer Form als Säure vor. Beispielsweise besteht die Vorstellung, dass sich ausgehend von Natriumsilikat als Ausgangsverbindung so genannte freie Kieselsäure entsteht, welche vereinfacht als H4SiO4 bezeichnet werden kann. Die elektrisch neutralen protonenhaltigen Abkömmlinge der Ausgangsverbindungen können auch in oligomerer Form vorliegen. Allerdings ist eine weitergehende Hydrolyse und Polykondensation zu diesem Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens unerwünscht. Die Ausgangsverbindung in molekularer Form weist eine erhöhte Löslichkeit im organischen Lösungsmittel (L) im Vergleich zur Ausgangsverbindung auf.Without being limited to theoretical considerations, there is the idea that as a result of the presence of protons from the acidic substance, electrically neutral proton-containing derivatives of the starting compounds are formed, ie the starting compound is in molecular form as the acid. For example, there is the notion that, starting from sodium silicate, the starting compound is so-called free silicic acid, which can be referred to simply as H 4 SiO 4 . The electrically neutral proton-containing derivatives of the starting compounds can also be present in oligomeric form. However, further hydrolysis and polycondensation at this time of the process according to the invention is undesirable. The starting compound in molecular form has an increased solubility in the organic solvent (L) compared to the starting compound.
Als saure Substanz kommen grundsätzlich verschiedenartige Protonenquellen in Betracht. Die saure Substanz kann im Prinzip in Form eines Feststoffes, insbesondere als Festphase, oder in Form einer Flüssigkeit mit der wässrigen Lösung in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise kann das Inkontaktbringen mit der sauren Substanz durch Zugabe einer starken Säure, insbesondere einer Mineralsäure erfolgen.As an acidic substance basically different types of proton sources come into consideration. The acidic substance can in principle be in the form of a solid, in particular as Solid phase, or be brought in contact with the aqueous solution in the form of a liquid. For example, the contacting with the acidic substance can be effected by adding a strong acid, in particular a mineral acid.
Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann insbesondere von der Herstellung von Aerogelen bekannt. Beispielsweise wird beim sogenannten Kistler-Verfahren (S.S. Kistler, J. Phys. Chem. 36, (1932), Seiten 52-64) Wasserglas als Ausgangsprodukt verwendet. Durch Ansäuern von Wasserglas mit HCl oder H2SO4 wird ein Silica-Hydrogel erzeugt, das anschließend durch Auswaschen mit Wasser von Alkalimetallionen befreit wird. Im Hydrogel enthaltenes Wasser wird danach in einem Schritt gegen 95 %igen Alkohol (Ethanol, Methanol) vollständig ausgetauscht. Anschließend erfolgt überkritische Trocknung des entstandenen SiO2-Alkogels im Autoklaven.Corresponding methods are known to the person skilled in the art, in particular, from the production of aerogels. For example, in the so-called Kistler method (S.S. Kistler, J. Phys. Chem. 36, (1932), pages 52-64), water glass is used as the starting material. By acidification of water glass with HCl or H2SO4 a silica hydrogel is produced, which is then freed by washing with water of alkali metal ions. Water contained in the hydrogel is then completely replaced in one step with 95% alcohol (ethanol, methanol). Subsequently, supercritical drying of the resulting SiO 2 -alkogel takes place in an autoclave.
Allerdings beträgt die maximale Konzentration der Ausgangsverbindung gemäß Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens ungefähr 8 Gew.-%, sofern das Inkontaktbringen mit einer sauren Substanz durch Zugabe von anorganischen Säuren erfolgt.However, the maximum concentration of the starting compound according to step (a) of the process according to the invention is about 8 wt .-%, provided that the contacting with an acidic substance is effected by addition of inorganic acids.
Es ist bevorzugt, als saure Substanz gemäß Schritt (b) einen sauren lonentauscher zu verwenden. Vorzugsweise wird der saure lonentauscher in Anschluss an Schritt (b) abgetrennt. Dies geschieht vorzugsweise durch Dekantieren oder Filtration der wässrigen Lösung oder Dispersion in Anschluss an Schritt (b). Eine Filtration führt außerdem zu einer Abtrennung von Schwebstoffen und von kleinsten Partikeln. Geeignete Filter sind beispielsweise Papierfilter, Membranfilter, metallische Netze oder keramische Filter. Die verwendeten Filter haben vorzugsweise eine Porengröße von 2 bis 5 Mikrome- tern.It is preferred to use an acidic ion exchanger as the acidic substance according to step (b). Preferably, the acidic ion exchanger is separated following step (b). This is preferably done by decanting or filtration of the aqueous solution or dispersion following step (b). Filtration also leads to the separation of suspended matter and the smallest particles. Suitable filters are, for example, paper filters, membrane filters, metallic nets or ceramic filters. The filters used preferably have a pore size of 2 to 5 micrometers.
Bevorzugte saure Ionenaustauscher sind saure lonentauscherharze wie funktionalisier- te Styrol-Divinylbenzol-Copolymere mit Sulfonsäure-Gruppen oder vergleichbaren Säuregruppen auf der Oberfläche oder Schichtsilikate (Zeolithe), insbesondere Zeolith A (Sasil) gemäß der Formel Nai2((AIO2)i2(SiO2)i2) * 27 H2O.Preferred acidic ion exchangers are acidic ion exchange resins such as functionalized styrene-divinylbenzene copolymers with sulfonic acid groups or comparable acid groups on the surface or phyllosilicates (zeolites), in particular zeolite A (Sasil) according to the formula Nai 2 ((AIO 2 ) i 2 (SiO 2 ) i2) * 27 H 2 O.
Es ist im Prinzip auch möglich, zusätzlich zu dem wenigstens einen sauren lonentauscher im Rahmen von Schritt (a) wenigstens eine weitere saure Substanz zuzusetzen. Der Aggregatzustand der zusätzlich eingesetzten sauren Substanz kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Beispiele für geeignete saure Substanzen sind mineralische Säuren, beispielsweise HCl und/oder H2SO4.It is in principle also possible, in addition to the at least one acidic ion exchanger in the context of step (a) to add at least one further acidic substance. The state of matter of the additionally used acid substance can be solid, liquid or gaseous. Examples of suitable acidic substances are mineral acids, for example HCl and / or H2SO4.
Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt werden, wobei auf die inerten Gase Bezug genommen wird, die bezüglich Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt worden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Schritt (b) jedoch nicht in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt, um das Verfahren technisch möglichst einfach zu halten. Nach und ggf. während der Zugabe der wenigstens einen sauren Substanz wird die Reaktionsmischung vorzugsweise für die Dauer des Schrittes (b) gerührt. Die Dauer des Schrittes (b) beträgt wenigstens 0,5 Stunden, besonders bevorzugt wenigstens eine Stunde, ganz besonders bevorzugt wenigstens 2 Stunden. Der Fachmann bestimmt den Zeitpunkt des Abschlusses von Schritt (b) vorzugsweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien: keine Änderung des pH-Wertes und/oder im Falle der Zugabe eine lonentauschers, woraufhin sich die Temperatur der Lösung erhöht: erneute Abkühlung auf Raumtemperatur.Step (b) of the process according to the invention can be carried out in an inert gas atmosphere, reference being made to the inert gases which have been mentioned with respect to step (a) of the process according to the invention. In a preferred embodiment, however, step (b) is not carried out in an inert gas atmosphere in order to keep the process technically as simple as possible. After and optionally during the addition of the at least one acidic substance, the reaction mixture is preferably stirred for the duration of step (b). The duration of step (b) is at least 0.5 hours, more preferably at least one hour, most preferably at least 2 hours. The person skilled in the art determines the time of completion of step (b) preferably according to one or more of the following criteria: no change in the pH and / or in the case of the addition of an ion exchanger, whereupon the temperature of the solution increases: re-cooling to room temperature.
Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei jeder Temperatur durchgeführt werden, die eine genügend hohe Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der Ausgangsverbindung oder der Ausgangsverbindungen und der wenigstens einen sauren Sub- stanz gewährleistet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Schritt (b) bei einer Temperatur von 15°C bis 400C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 15°C bis 300C durchgeführt.Step (b) of the process according to the invention can be carried out at any temperature which ensures a sufficiently high reaction rate between the starting compound or the starting compounds and the at least one acidic substance. In a preferred embodiment, step (b) is carried out at a temperature of 15 ° C to 40 0 C, more preferably at a temperature of 15 ° C to 30 0 C.
Nach Ablauf der Reaktionszeit wird, sofern die saure Substanz in fester Phase vorliegt, die wenigstens eine saure Substanz, insbesondere der lonentauscher, durch demAfter the reaction time, if the acidic substance is present in the solid phase, the at least one acidic substance, in particular the ion exchanger, through the
Fachmann bekannte Verfahren von der Mischung abgetrennt. Beispiele für geeignete Verfahren sind Filtrieren, Abdekantieren und/oder Zentrifugieren. Dem Fachmann ist bekannt, welche der genannten Methoden eingesetzt werden können, was wiederum abhängig ist von der Viskosität der Reaktionsmischung. Alternativ kann die saure Sub- stanz jedoch auch in der Mischung verbleiben und im Zuge von Schritt (c) entfernt werden. Sofern als saure Substanz eine in Wasser lösliche Säure verwendet wurde, dann unterbleibt eine Abtrennung an dieser Stelle.Technician known method separated from the mixture. Examples of suitable methods are filtration, decantation and / or centrifugation. The person skilled in the art knows which of the mentioned methods can be used, which in turn depends on the viscosity of the reaction mixture. Alternatively, however, the acidic substance may also remain in the mixture and be removed in the course of step (c). If an acid soluble in water was used as the acidic substance, then there is no separation at this point.
Schritt (c)Step (c)
Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Extrahieren der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (b) mit mindestens einem organischen Lösungsoder Dispersionsmittel (L).Step (c) of the process of the invention comprises extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent or dispersing agent (L).
Der Begriff Extrahieren umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Inkon- taktbringen einer ersten Flüssigkeit mit einer zweiten Flüssigkeit, welche anschließend abgetrennt wird und welche mindestens eine Verbindung mindestens teilweise enthält, die sich vorher vollständig in der ersten Flüssigkeit befand. Die Extraktion als solche ist dem Fachmann hinreichend bekannt.The term extraction in the context of the present invention comprises contacting a first liquid with a second liquid which is subsequently separated and which at least partially contains at least one compound which was previously completely in the first liquid. The extraction as such is well known to those skilled in the art.
Vorzugsweise sind die Menge der ersten Flüssigkeit und die Menge der zweiten Flüssigkeit in derselben Größenordnung, vorzugsweise im Wesentlichen gleich. Das organische Lösungs- oder Dispersionsmittel (L), im Folgenden Lösungsmittel (L) genannt, genügt vorzugsweise einigen Bedingungen wie nachfolgend ausgeführt. Das Lösungsmittel (L) ist bei Raumtemperatur und Normaldruck vorzugsweise flüssig.Preferably, the amount of the first liquid and the amount of the second liquid are of the same order of magnitude, preferably substantially the same. The organic solvent or dispersant (L), hereinafter referred to as solvent (L), preferably satisfies some conditions as set forth below. The solvent (L) is preferably liquid at room temperature and normal pressure.
Vorzugsweise wird das wenigstens eine organische Lösungs- oder Dispersionsmittel so ausgewählt, dass es mit Wasser entweder als solches oder nach Zugabe von mindestens einem Salz im Wesentlichen nicht mischbar ist. Es ist somit ebenfalls bevorzugt, ein zwar grundsätzlich mit Wasser mischbares Lösungsmittel (L) einzusetzen, das jedoch nach Zugabe von mindestens einem Salz im Wesentlichen nicht mit Wasser mischbar ist. Dem Fachmann ist dieses Verfahren als „Aussalzen" im Prinzip bekannt.Preferably, the at least one organic solvent or dispersant is selected so that it is substantially immiscible with water, either as such or after addition of at least one salt. It is thus likewise preferred to use a solvent (L) which is in principle miscible with water but which, after the addition of at least one salt, is substantially immiscible with water. The person skilled in this process is known as "salting out" in principle.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich zwei Eigenschaften des Lösungs- mittels (L) als insbesondere relevant herausgestellt: die Polarität und der Siedepunkt. Eine hohe Polarität des Lösungsmittels begünstigt die Extrahierbarkeit der in Schritt (b) gebildeten und zu extrahierenden Verbindungen. Allerdings weisen Lösungsmittel mit hoher Polarität oft einen hohen Siedepunkt auf. Ein sehr hoher Siedepunkt hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als ungünstig herausgestellt.In the context of the present invention, two properties of the solvent (L) have proven to be particularly relevant: the polarity and the boiling point. A high polarity of the solvent favors the extractability of the compounds formed and to be extracted in step (b). However, high polarity solvents often have a high boiling point. A very high boiling point has been found in the context of the present invention to be unfavorable.
Die Polarität des Lösungsmittels (L) kann im Prinzip in einem weiten Bereich variieren. Es ist jedoch bevorzugt, ein Lösungsmittel (L) mit mittlerer Polarität oder mit moderat hoher Polarität einzusetzen. Ein Maß für die Polarität eines Stoffes ist dessen Dipolmoment. Vorzugsweise beträgt das Dipolmoment des erfindungsgemäß einsetzbaren organischen Lösungsmittels (L) von (0,4 bis 20)- 10"30 C-m, bevorzugt von (1 bis 15)- 10" 30 C-m, besonders bevorzugt von (3 bis 10)-10"30 C-m.The polarity of the solvent (L) can in principle vary within a wide range. However, it is preferred to use a medium polarity or moderately high polarity solvent (L). A measure of the polarity of a substance is its dipole moment. The dipole moment of the organic solvent (L) which can be used according to the invention is preferably from (0.4 to 20) - 10 " 30 cm, preferably from (1 to 15) - 10" 30 cm, particularly preferably from (3 to 10) -10 " 30 cm.
Geeignete organische Lösungsmittel sind insbesondere solche mit 1 bis 6 C-Atomen und mindestens einem O-Atom. Die Viskosität der verwendeten Lösungsmittel beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform 0,2 bis 1300 mPa.s, besonders bevorzugt 0,2 bis 100 mPa.s, ganz besonders bevorzugt sind organische Lösungsmittel, die eine niedrige Viskosität von < 5 mPa.s aufweisen, wobei eine technisch sinnvolle Untergrenze ungefähr 0,2 mPa.s beträgt.Suitable organic solvents are, in particular, those having 1 to 6 C atoms and at least one O atom. The viscosity of the solvents used in a preferred embodiment is 0.2 to 1300 mPa.s, more preferably 0.2 to 100 mPa.s, very particularly preferred are organic solvents having a low viscosity of <5 mPa.s, wherein a technically reasonable lower limit is approximately 0.2 mPa.s.
Bevorzugte organische Lösungsmittel (L) weisen einen Siedepunkt von wenigstens 30 0C, insbesondere wenigstens 40 0C auf. Geeignete, in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare organische Lösungsmittel (L) weisen einen Siedepunkt von bevorzugt höchstens 300 0C, insbesondere höchstens 200 0C und besonders bevorzugt höchstens 150 0C auf. Es ist insbesondere bevorzugt, wenn das Lösungsmittel (L) ei- nen niedrigen Siedepunkt aufweist, ganz besonders bevorzugt von 300C bis 90 0C, insbesondere von 40 bis 700C. Sofern ein Lösungsmittel (L) mit einem niedrigen Dipolmoment, insbesondere höchstens 0,4-10"30 C-m, verwendet wird, dann ist es ganz besonders bevorzugt, dass das Lösungsmittel (L) einen Siedpunkt von höchstens 1500C aufweist, beispielsweise von 30 bis 1500C.Preferred organic solvents (L) have a boiling point of at least 30 0 C, in particular at least 40 0 C. Suitable, usable in the process according to the invention organic solvent (L) have a boiling point of preferably at most 300 0 C, in particular at most 200 0 C and particularly preferably at most 150 0 C. It is particularly preferred if the solvent (L) has a low boiling point, very particularly preferably from 30 ° C. to 90 ° C., especially from 40 to 70 ° C. If a solvent (L) having a low dipole moment, in particular maximum 0.4-10 " 30 cm, then it is all over particularly preferred that the solvent (L) has a boiling point of at most 150 0 C, for example from 30 to 150 0 C.
Vorzugsweise wird das wenigstens eine organische Lösungs- oder Dispersionsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethern, Ketonen und aromatischen Kohlenwasserstoffen.Preferably, the at least one organic solvent or dispersing agent is selected from the group consisting of ethers, ketones and aromatic hydrocarbons.
Bevorzugte aromatische Kohlenwasserstoffe sind solche mit einem Siedepunkt von höchstens 1500C, die ausschließlich nicht-kondensierte aromatische Ringe aufweisen, beispielsweise Benzol oder dessen Derivate wie Toluol und die XyIoIe.Preferred aromatic hydrocarbons are those having a boiling point of at most 150 0 C, which have exclusively uncondensed aromatic rings, for example benzene or its derivatives such as toluene and the xylene.
Bevorzugte Ether sind solche der Struktur R1-O-R2, wobei R1 und R2 aliphatische Gruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind und gleich oder unterschiedlich sein können und unabhängig voneinander gewählt werden. Vorzugsweise werden R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl und n-Hexyl. Bevorzugte Ether sind außerdem zyklische Ether, insbesondere THF.Preferred ethers are those of the structure R 1 -OR 2 , wherein R 1 and R 2 are aliphatic groups of 1 to 12 carbon atoms and may be the same or different and are independently selected. Preferably, R 1 and R 2 are independently selected from methyl, ethyl, n -propyl, iso -propyl, n -butyl, iso -butyl and n -hexyl. Preferred ethers are also cyclic ethers, especially THF.
Bevorzugte Ketone sind solche der allgemeinen Struktur R1-CO-R2, wobei R1 und R2 aliphatische Gruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind und gleich oder unterschiedlich sein können und unabhängig voneinander gewählt werden. Vorzugsweise werden R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt aus Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl und n-Hexyl. Besonders bevorzugte Ketone sind Dimethylketon, Me- thylethylketon und Aceton.Preferred ketones are those of the general structure R 1 -CO-R 2 , wherein R 1 and R 2 are aliphatic groups of 1 to 12 carbon atoms and may be the same or different and are independently selected. Preferably, R 1 and R 2 are independently selected from methyl, ethyl, n -propyl, iso -propyl, n -butyl, iso -butyl and n -hexyl. Particularly preferred ketones are dimethyl ketone, methyl ethyl ketone and acetone.
Tetrahydrofuran ist als organisches Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) besonders bevorzugt.Tetrahydrofuran is particularly preferred as the organic solvent or dispersant (L).
Die genannten Lösungsmittel (L) können einzeln oder als Mischung mehrerer der vor- genannten Lösungsmittel eingesetzt werden. Das Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) kann in wasserfreier Form oder in wasserhaltiger Formverwendet werden. Sofern das Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) wasserhaltig ist, beträgt die entsprechende Menge an Wasser im Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) vorzugsweise höchstens 10 Gew.- %, besonders bevorzugt höchstens 8 Gew.-%.The abovementioned solvents (L) can be used individually or as a mixture of a plurality of the abovementioned solvents. The solvent or dispersant (L) can be used in anhydrous or hydrous form. If the solvent or dispersion medium (L) contains water, the corresponding amount of water in the solvent or dispersion medium (L) is preferably at most 10% by weight, particularly preferably at most 8% by weight.
Schritt (d)Step (d)
Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf mindestens 7, bevorzugt mindestens 7,5. Vorzugsweise erfolgt in Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf einen pH-Wert von 7 bis 10, besonders bevorzugt von 7,5 bis 9.Step (d) of the process according to the invention comprises increasing the pH of the organic phase from step (c) to at least 7, preferably at least 7.5. In step (d) of the process according to the invention, the pH of the organic phase from step (c) is preferably increased to a pH of from 7 to 10, particularly preferably from 7.5 to 9.
Zur Erhöhung des pH-Wertes werden Basen eingesetzt. Als Basen kommen dabei sowohl anorganische als auch organische Basen in Betracht.Bases are used to increase the pH. Suitable bases are both inorganic and organic bases.
Geeignete anorganische Basen sind insbesondere Ammoniak oder Hydroxide von Alkalimetallen, insbesondere NaOH und/oder KOH. Die anorganischen Basen werden vorzugsweise als wässrige Lösung und/oder als alkoholische Lösung eingesetzt.Suitable inorganic bases are, in particular, ammonia or hydroxides of alkali metals, in particular NaOH and / or KOH. The inorganic bases are preferably used as aqueous solution and / or as alcoholic solution.
Anorganische Basen besitzen jedoch gegenüber den organischen Basen den Nachteil, dass lediglich Organosole mit einem Gehalt an Partikeln von höchstens 1 Gew.-% zugänglich sind, wohingegen die Verwendung von organischen Basen Organosole mit einem Partikelgehalt von bis zu 15 Gew.-% zugänglich macht. Demzufolge sind organische Basen im Rahmen von Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt.However, inorganic bases have the disadvantage over the organic bases that only organosols with a content of particles of at most 1 wt .-% are accessible, whereas the use of organic bases makes organosols with a particle content of up to 15 wt .-% accessible. Accordingly, organic bases are preferred in step (d) of the process according to the invention.
Geeignete organische Basen sind insbesondere Verbindungen, welche mindestens eine primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppe, die an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, enthalten. Die so definierten organischen Verbindungen werden im Folgenden organische Amine genannt.Suitable organic bases are, in particular, compounds containing at least one primary, secondary or tertiary amino group bonded to a carbon atom. The organic compounds thus defined are referred to below as organic amines.
Es ist bevorzugt, wenn die Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase auf min- destens 7, vorzugsweise auf einen pH-Wert von 7 bis 10, in Schritt (d) durch Zugabe mindestens eines organischen Amins erfolgt.It is preferred if the increase in the pH of the organic phase to at least 7, preferably to a pH of 7 to 10, in step (d) by adding at least one organic amine.
Als organisches Amin wird insbesondere ein primäres, sekundäres oder tertiäres aliphatisches Amin der Summenformel CnH2n+3N bevorzugt, wobei n ein ganze Zahl von 6 bis 24 ist, vorzugsweise von 8 bis 14, insbesondere n = 12. Dodecylamin ist als organisches Amin ganz besonders bevorzugt.As the organic amine, preference is given in particular to a primary, secondary or tertiary aliphatic amine of the empirical formula C n H 2n + 3N, where n is an integer from 6 to 24, preferably from 8 to 14, in particular n = 12. Dodecylamine is an organic amine particularly preferred.
Als organisches Amin kommen außerdem mehrfunktionelle aliphatische Amine in Betracht. Unter mehrfunktionellen Aminen sind dabei Amine zu verstehen, welche min- destens zwei Aminogruppen pro Molekül aufweisen.As organic amine are also polyfunctional aliphatic amines into consideration. Polyfunctional amines are amines which have at least two amino groups per molecule.
Als organisches Amin kommen insbesondere folgende mehrfunktionellen Amine in Betracht: Bis(2-aminoethyl)amin, auch Diethylentriamin genannt, Tris(2-aminoethyl)amin, Triethylentetramin sowie weitere Abkömmlinge des Ethylenimins, Tetramethylendia- min, Ethylendiamin, Diamine des Butans und des Pentans, 2-Methyl-1 ,5- diaminopentan, 1 ,6-Diaminohexan, 1 ,7-Diaminoheptan, 1 ,8- Diaminooctan, 1 ,9- Diaminononan, 1 ,10-Diaminodecan, 1 ,12-Diaminododecan, 1-Amino-3-aminomethyl- 3,5,5-trimethyl-cyclohexan, 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylamin), 4,4'-, 2,4'- und 2,2'- Diaminodicyclohexyl-1 ,2- und 1 ,3-Propandiamin, 2-Methyl-1 ,2-diaminopropan, 2,2- Dimethyl-1 ,3-diaminopropan, Bis-(4-amino-3-methylcyclohexyl)methan, 1 ,2- und/oder 1 ,4-Diaminocyclohexan, Bis(1 ,3-methylamino)cyclohexan, Bis-Hydrazide, Bis- Semicarbazide, N,N,N-tris-(2-aminoethyl)amin, Guanidin, N-(2-Aminoethyl)-1 ,3- diaminopropan und ethoxylierte und/oder propoxylierte Verbindungen mit Aminogrup- pen als Endgruppe.Suitable organic amines are in particular the following polyfunctional amines: bis (2-aminoethyl) amine, also called diethylenetriamine, tris (2-aminoethyl) amine, triethylenetetramine and other derivatives of ethyleneimine, tetramethylenediamine, ethylenediamine, diamines of butane and of pentane , 2-methyl-1,5-diaminopentane, 1,6-diaminohexane, 1,7-diaminoheptane, 1,8-diaminooctane, 1,9-diaminononane, 1,10-diaminodecane, 1,12-diaminododecane, 1-amino -3-aminomethyl 3,5,5-trimethylcyclohexane, 4,4'-methylenebis (cyclohexylamine), 4,4'-, 2,4'- and 2,2'-diaminodicyclohexyl-1, 2, and 1, 3 Propanediamine, 2-methyl-1,2-diaminopropane, 2,2-dimethyl-1,3-diaminopropane, bis (4-amino-3-methylcyclohexyl) methane, 1, 2 and / or 1, 4-diaminocyclohexane, Bis (1,3-methylamino) cyclohexane, bis-hydrazides, bis-semicarbazides, N, N, N-tris (2-aminoethyl) amine, guanidine, N- (2-aminoethyl) -1, 3-diaminopropane and ethoxylated and / or propoxylated compounds with amino groups as the end group.
Aliphatische mehrfunktionelle Amine mit mindestens zwei primären Aminogruppen sind ebenfalls geeignet, insbesondere Bis(2-aminoethyl)amin, Tris(2-aminoethyl)amin, Triethylentetramin, Ethylendiamin, Tetraethylenpentamin, Pentaethylenhexamin, Di- aminopropylenethylendiamin, Propylendiamin, Hexamethylendiamin, Diaminocyclohe- xan, Triglykoldiamin, Polymere von Alkylenoxiden wie Ethylenoxid oder Propylenoxid, in denen die Hydroxylendgruppen durch Aminogruppen ersetzt sind, 1 ,3- Diaminopropan-2-ol, ω,ω"-Diaminodi-n-hexylamin, und Dimethyl-1 ,4-diaminoadipat.Aliphatic polyfunctional amines having at least two primary amino groups are also suitable, in particular bis (2-aminoethyl) amine, tris (2-aminoethyl) amine, triethylenetetramine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, pentaethylenehexamine, diaminopropylenethylenediamine, propylenediamine, hexamethylenediamine, diaminocyclohexyl, triglycol diamine , Polymers of alkylene oxides such as ethylene oxide or propylene oxide, in which the hydroxyl end groups are replaced by amino groups, 1, 3-diaminopropan-2-ol, ω, ω "-Diaminodi-n-hexylamine, and dimethyl-1, 4-diaminoadipate.
Die vorgenannten aliphatischen Amine können einzeln oder in Mischungen eingesetzt werden.The abovementioned aliphatic amines can be used individually or in mixtures.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden als organische Amine solche mit einem - sofern uneinheitliche Amine verwendet werden - gewichtsmittleren Molekulargewicht von 100 bis 10000 g/mol und zwei bis drei Aminogruppen pro Molekül eingesetzt. Das gewichtsmittlere Molekulargewicht wird mittels Gelpermeationschroma- tographie ermittelt.In a particularly preferred embodiment, the organic amines used are those having a weight-average molecular weight of from 100 to 10,000 g / mol and two to three amino groups per molecule, if unequal amines are used. The weight-average molecular weight is determined by gel permeation chromatography.
Als organisches Amin mit einem Molekulargewicht von 100 bis 10000 g/mol und zwei oder drei Aminogruppen pro Molekül sind insbesondere Bis(2-dimethylaminoethyl)ether und Polyetheramine bevorzugt. Unter Polyetheramine sind Polyalkylenoxide, welche mit Aminogruppen funktionalisiert sind, zu verstehen, insbesondere polymere Ethylen- oxide und/oder Propylenoxide mit primären Aminoendgruppen.As the organic amine having a molecular weight of 100 to 10,000 g / mol and two or three amino groups per molecule, particularly preferred are bis (2-dimethylaminoethyl) ethers and polyetheramines. Polyetheramines are to be understood as meaning polyalkylene oxides which have been functionalized with amino groups, in particular polymeric ethylene oxides and / or propylene oxides having primary amino end groups.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird als organisches Amin ein Polyetheramin der allgemeinen Struktur R1R2N-(-CHR3-CH2-O-)n-CHR3CH2-NR1R2 verwendet, wobei R1 und R2 unabhängig voneinander H oder ein Alkylrest mit 1 , 2, 3 oder 4 Kohlenstoffatomen sind, R3 unabhängig voneinander H oder Methyl entspricht und n eine Zahl von 1 bis 40 ist. Die genannten Polyetheramine können bezüglich ihres Molekulargewichts einheitlich oder uneinheitlich sein, so dass n einem zahlengewichteten Mittelwert entspricht.In a very particularly preferred embodiment, the organic amine used is a polyetheramine of the general structure R 1 R 2 N - (- CHR 3 -CH 2 -O-) n -CHR 3 CH 2 -NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 independently of one another are H or an alkyl radical having 1, 2, 3 or 4 carbon atoms, R 3 independently of one another corresponds to H or methyl and n is a number from 1 to 40. The polyetheramines mentioned may be uniform or non-uniform in their molecular weight, so that n corresponds to a number-weighted average.
Bevorzugt sind insbesondere Polyetheramine der allgemeinen Struktur H2N-(-CH(CH3)CH2θ-)n-CH(CH3)NH2 mit einem zahlengewichteten mittleren Molekulargewicht von 150 bis 1000 g/mol, besonders bevorzugt von 150 bis 300 g/mol, und einem Amingehalt von 7 bis 10 meq/g, insbesondere 8 bis 9 meq/g.Preference is given in particular to polyetheramines of the general structure H2N - (- CH (CH3) CH2θ-) n-CH (CH 3) NH 2 with a number-average molecular weight of 150 to 1000 g / mol, particularly preferably from 150 to 300 g / mol and an amine content of 7 to 10 meq / g, especially 8 to 9 meq / g.
Ohne sich an theoretische Überlegungen binden zu wollen, besteht die Vorstellung, dass die oben genannten polymeren organischen Amine die Oberfläche der Partikel zusätzlich stabilisieren und so unter anderem zu einer erhöhten Stabilität der Sole führen.Without wishing to be bound by theoretical considerations, there is the notion that the above-mentioned polymeric organic amines additionally stabilize the surface of the particles and thus, among other things, lead to an increased stability of the sols.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in Schritt (d) eine Erhöhung des pH- Wertes der organischen Phase auf einen pH-Wert von 7 bis 10, insbesondere von 7,5 bis 9, wobei vorzugsweise die Temperatur während Schritt (d) von 0 bis 5°C beträgt. Vorzugsweise wird anschließend bei einer Temperatur von 0 bis 5°C über einen Zeitraum von wenigen Minuten bis mehrere Stunden gerührt, vorzugsweise von 1 bis 4 Stunden.In a preferred embodiment, in step (d) an increase in the pH of the organic phase to a pH of 7 to 10, in particular from 7.5 to 9, wherein preferably the temperature during step (d) from 0 to 5 ° C is. It is then preferably stirred at a temperature of 0 to 5 ° C over a period of a few minutes to several hours, preferably from 1 to 4 hours.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich an das erfindungsgemäße Verfahren umfassend die Schritte (a) bis (d) ein weiterer Schritt (e) an:In a preferred embodiment, the process according to the invention comprising the steps (a) to (d) is followed by a further step (e):
Schritt (e)Steps)
Funktionalisierung der Partikeln enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen.Functionalization of the particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals.
Diese optionale Funktionalisierung der Metall- oder Halbmetalloxid-Partikel kann gemäß dem Fachmann im Prinzip bekannten Verfahren erfolgen, insbesondere durch Zugabe mindestens eines Funktionalisierungsmittels. In einer bevorzugten Ausführungsform werden solche Funktionalisierungsmittel zugegeben, die das bereits in Schritt (a) verwendete Metall M1 enthalten und die weitere gegenüber den Oberflä- chengruppen des Oxids bzw. Oxidhydrats reaktive funktionelle Gruppen aufweisen.This optional functionalization of the metal or semimetal oxide particles can be carried out according to processes known in principle to the person skilled in the art, in particular by adding at least one functionalizing agent. In a preferred embodiment, those functionalizing agents are added which contain the metal M 1 already used in step (a) and which have further functional groups which are reactive with the surface groups of the oxide or hydrated oxide.
Bevorzugte Funktionalisierungsmittel sind Siloxane, Chlorosilane, Silazane, Titanate und Zirkonate sowie Kombinationen der vorgenannten Verbindungsklassen, wobei Siloxane, Chlorosilane und Silazane besonders bevorzugt sind. Bevorzugte Strukturen für das Funktionalisierungsmittel sind insbesondere M1(OR1)n(R2)4-n, SiCIn(R2Kn, und ((R2)m(OR1)3-mSi)2NH, wobeiPreferred functionalizing agents are siloxanes, chlorosilanes, silazanes, titanates and zirconates as well as combinations of the aforementioned classes of compounds, with siloxanes, chlorosilanes and silazanes being particularly preferred. Preferred structures for the functionalizing agent are in particular M 1 (OR 1 ) n (R 2 ) 4-n, SiCl n (R 2 Kn, and ((R 2 ) m (OR 1 ) 3 -mSi) 2 NH, where
M1 die unter Schritt (a) beschriebene Bedeutung hat und vorzugsweise dem in Schritt (a) eingesetzten Metall oder Halbmetall entspricht, m = 1 oder 2 ist, - n = 1 oder 2 oder 3 ist, undM 1 has the meaning described in step (a) and preferably corresponds to the metal or semimetal used in step (a), m = 1 or 2, - n = 1 or 2 or 3, and
R1 und R2 unabhängig voneinander lineare oder verzweigte Alkylgruppen mit von 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind, die optional noch weitere funktionelle Gruppen enthalten können, wobei Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, n-Hexyl, n-Octyl und n-Dodecyl besonders bevorzugt sind.R 1 and R 2 are independently linear or branched alkyl groups of from 1 to 12 carbon atoms optionally containing further functional groups Groups may be included, with methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, n-hexyl, n-octyl and n-dodecyl being particularly preferred.
OR1 sind dabei in Wasser hydrolysierbare funktionelle Gruppen. R2 hingegen sind in Wasser nicht hydrolysierbar und verbleiben als hydrophobe funktionelle Gruppe in den oxidischen Partikeln. Der Fachmann bezeichnet die so erhaltenen oxidischen Partikel als oberflächen-funktionalisierte oder -modifizierte Partikel.OR 1 are water-hydrolyzable functional groups. R 2, however, are not hydrolyzable in water and remain as a hydrophobic functional group in the oxidic particles. The person skilled in the art refers to the oxide particles thus obtained as surface-functionalized or -modified particles.
Als Funktionalisierungsmittel sind außerdem Aminopropyltrimethoxysilan, Aminobu- tyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Aminobutyltriethoxysilan sowie die entsprechenden Silane, die Glycidylgruppen enthalten, insbesondere 3-Glycido- propyltrimethoxysilan, sowie Phenyltriethoxysilan und Phenyltrimethoxysilan bevorzugt.Other suitable functionalizing agents are aminopropyltrimethoxysilane, aminobutyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, aminobutyltriethoxysilane and the corresponding silanes which contain glycidyl groups, in particular 3-glycidopropyltrimethoxysilane, and also phenyltriethoxysilane and phenyltrimethoxysilane.
Alkyltrimethoxysilane (R2)Si(OMe)3 sind als Funktionalisierungsmittel besonders bevor- zugt, wobei R2 die oben genannte Bedeutung hat. Isobutyltrimethoxysilan ist als Funktionalisierungsmittel ganz besonders bevorzugt.Alkyltrimethoxysilanes (R 2 ) Si (OMe) 3 are particularly preferred as functionalizing agents, where R 2 has the abovementioned meaning. Isobutyltrimethoxysilane is most preferred as a functionalizing agent.
Entsprechende Verfahren zur Durchführung der Funktionalisierung von oxidischen Partikeln, insbesondere von oxidischen Nanopartikeln, sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in „Particulate Filled Polymer Composites (Polymer Science & Technology)", Editor: R. N. Rothon, 2. Auflage, Seiten 26 ff beschrieben.Corresponding methods for carrying out the functionalization of oxidic particles, in particular of oxidic nanoparticles, are known to the person skilled in the art and are described, for example, in "Particulate Filled Polymer Composites (Polymer Science & Technology)", Editor: R.N. Rothon, 2nd edition, pages 26 et seq.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Funktionalisierung in dem optionalen Schritt (e) in dem gleichen Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) durchgeführt. Zur Ver- vollständigung der Funktionalisierungsreaktion wird die erhaltene Reaktionsmischung bei einer Temperatur von 20 bis 2000C, bevorzugt Raumtemperatur bis 1800C für eine Dauer von 2 bis 48 Stunden, bevorzugt 6 bis 18 Stunden, gerührt. Dem Fachmann ist bekannt, wie die Reaktionstemperatur in Abhängigkeit von dem eingesetzten Lösungsmittel, dem Funktionalisierungsreagenz und der gewünschten Teilchengröße gewählt werden muss.In a preferred embodiment, the functionalization in the optional step (e) is carried out in the same solvent or dispersion medium (L). To complete the functionalization reaction, the resulting reaction mixture is stirred at a temperature of from 20 to 200 ° C., preferably from room temperature to 180 ° C., for a period of from 2 to 48 hours, preferably from 6 to 18 hours. The person skilled in the art knows how to choose the reaction temperature as a function of the solvent used, the functionalization reagent and the desired particle size.
Partikelparticle
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat, wobei in Anschluss an die erfindungsgemäßen Schritte (a) bis (d) und gegebenenfalls (e) ein weiterer Schritt (f) durchgeführt wird, welcher das Abtrennen der in Schritt (d) beziehungsweise gegebenenfalls in Schritt (e) erhaltenen Partikel enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat vom Organosol umfasst.Another object of the present invention is a process for the preparation of particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide, wherein subsequent to steps (a) to (d) and optionally (e) a further step (f) is carried out, which comprises the separation of the particles obtained in step (d) or optionally in step (e) comprising at least one oxide and / or oxide hydrate from the organosol.
Geeignete Verfahren zum Abtrennen von festen Stoffen aus Lösungen oder Dispersionen sind weitläufig bekannt. Beispiele sind Abdekantieren, Abfiltrieren und/oder Zentri- fugieren. Besonders bevorzugt werden die Partikel von der Reaktionsmischung abfiltriert. Dies kann unter Verwendung eines erhöhten Druckes oder Vakuums geschehen. Geeignete Verfahren sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.Suitable methods for separating solids from solutions or dispersions are widely known. Examples are decanting, filtering and / or centrifuging. fugieren. Particularly preferably, the particles are filtered off from the reaction mixture. This can be done using an increased pressure or vacuum. Suitable methods are also known to the person skilled in the art.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Organosole zur Herstellung von Polymerzusammensetzungen, insbesondere Polymerkomposite, oder Beschichtungen.Another object of the present invention is the use of the organosols according to the invention for the preparation of polymer compositions, in particular polymer composites, or coatings.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Partikeln mit einem volumengewichteten mittleren Teilchendurchmesser im Nanometerbereich als Organo- sol. Die so erhältlichen Organosole enthalten Partikel, die durch eine Modifizierung wie oben beschrieben hinsichtlich einer guten Anbindung an ein Polymer im Organosol weiter optimiert werden können. Die Organosole können zur Herstellung von Polymerkompositen vorzugsweise unmittelbar, d. h. ohne Trocknung, mit dem Polymer in Kon- takt gebracht werden. Hierdurch kann eine irreversible Agglomeration der Partikel vermieden werden.The process according to the invention makes it possible to produce particles having a volume-weighted mean particle diameter in the nanometer range as organosol. The organosols obtainable in this way contain particles which can be further optimized by modification as described above with regard to good binding to a polymer in the organosol. The organosols may be used for the preparation of polymer composites preferably directly, d. H. without drying, be brought into contact with the polymer. As a result, an irreversible agglomeration of the particles can be avoided.
BeispieleExamples
Beispiel 1 :Example 1 :
300 g Na2Siθ3-5H2θ der Firma Alfa Aesar wurden in 1700 g demineralisiertem Wasser gelöst. Es stellte sich ein pH von 12,5 ein. Gleichzeitig wurde ein saurer lonentauscher (Amberlyst® 15 Wet der Firma Rohm & Haas) in demineralisiertem Wasser aufge- schlämmt und anschließend zu der Silikat-Lösung gegeben, wobei kräftig gerührt wurde (450 Umdrehungen pro Minute). Es wurde soviel lonentauscher zugegeben, bis die Silikatlösung einen pH von 2,6 aufwies. Anschließend wurde 1 h bei Raumtemperatur gerührt, anschließend der lonentauscherharz abdekantiert und 2100 g Tetrahydrofuran (THF) zugegeben. Anschließend wurde 20 h bei Raumtemperatur mit 200 Umdrehun- gen pro Minute gerührt. Nach Zugabe von 250 g NaCI erfolgte eine Phasentrennung der wässrigen und der organischen Phase. Die organische Phase wurde über einen Scheidetrichter von der wässrigen Phase getrennt und anschließend die organische Phase mit einem groben Weißbandfilter von Schwebestoffen befreit. Die THF-Phase wies einen pH-Wert von 2,3 auf und wurde anschließend auf 2 0C abgekühlt. Unter kräftigem Rühren bei 450 Umdrehungen pro Minute wurde so viel Dodecylamin zugegeben, bis die Lösung einen pH-Wert von 8,9 aufwies. Das System wurde noch 12 h bei Raumtemperatur nachgerührt und über einen groben Rundfilter von Schwebestoffen befreit. Anschließend wurde mittels dynamischer Lichtstreuung ein volumengewich- teter mittlerer Teilchendurchmesser der Siθ2-Partikel von 140 nm detektiert. Das Or- ganosol war über einen Zeitraum von mindestens 8 Stunden stabil. Beispiel 2:300 g Na2Siθ3-5H2θ the company Alfa Aesar were dissolved in 1700 g of demineralized water. It turned to a pH of 12.5. At the same time, an acidic ion exchanger (Amberlyst® 15 Wet from Rohm & Haas) was slurried in demineralized water and then added to the silicate solution while stirring vigorously (450 revolutions per minute). As much ion exchanger was added until the silicate solution had a pH of 2.6. The mixture was then stirred at room temperature for 1 h, then the ion exchange resin was decanted off and 2100 g of tetrahydrofuran (THF) were added. The mixture was then stirred at room temperature for 20 h at 200 revolutions per minute. After addition of 250 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase took place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then the organic phase was freed from suspended matter using a coarse white-band filter. The THF phase had a pH of 2.3 and was then cooled to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, so much dodecylamine was added until the solution had a pH of 8.9. The system was stirred for a further 12 h at room temperature and freed of suspended matter by means of a coarse round filter. Subsequently, a volume-weighted mean particle diameter of the SiO 2 particles of 140 nm was detected by means of dynamic light scattering. The organosol was stable for a period of at least 8 hours. Example 2:
300 g Na2Siθ3-5H2θ der Firma Alfa Aesarwurden in 1700 g demineralisiertem Wasser gelöst. Es stellte sich ein pH von 12,5 ein. Gleichzeitig wurde ein saurer lonentauscher (Amberlyst® 15 Wet der Firma Rohm & Haas) in demineralisiertem Wasser aufgeschlämmt und anschließend zu der Silikat-Lösung gegeben, wobei kräftig gerührt wurde (450 Umdrehungen pro Minute). Es wurde soviel lonentauscher zugegeben, bis die Silikatlösung einen pH von 2,6 aufwies. Anschließend wurde 1 h bei Raumtemperatur gerührt, anschließend der lonentauscherharz abdekantiert und 2100 g Tetrahydrofuran (THF) zugegeben. Anschließend wurde 20 h bei Raumtemperatur mit 200 Umdrehungen pro Minute gerührt. Nach Zugabe von 250 g NaCI erfolgte eine Phasentrennung der wässrigen und der organischen Phase. Die organische Phase wurde über einen Scheidetrichter von der wässrigen Phase getrennt und anschließend die organische Phase mit einem groben Weißrandfilter von Schwebestoffen befreit. Die THF-Phase wies einen pH-Wert von 2,3 auf und wurde anschließend auf 2 0C abgekühlt. Unter kräftigem Rühren bei 450 Umdrehungen pro Minute wurde so viel Dodecylamin zugegeben, bis die Lösung einen pH-Wert von 7,8 aufweist. Das System wurde noch 12 h bei Raumtemperatur nachgerührt und über einen groben Weißrandfilter von Schwebestoffen befreit. Anschließend wurden zur Modifikation der Siθ2-Oberfläche 146,2 g 3- Glycido-propyltrimethoxysilan der Firma Alfa Aesar zugegeben und 4 h bei 0 0C gerührt. Anschließend wurde das Gemisch auf Raumtemperatur aufgewärmt. Die mit Si- lan modifizierten Siθ2-Partikel wiesen einen volumengewichteten mittleren Teilchendurchmesser von 220 nm gemäß dynamischer Lichtstreuung auf. Das Organosol war über einen Zeitraum von mindestens 12 Stunden stabil.300 g Na2Siθ3-5H2θ from Alfa Aesar were dissolved in 1700 g demineralized water. It turned to a pH of 12.5. At the same time, an acidic ion exchanger (Amberlyst® 15 Wet from Rohm & Haas) was slurried in demineralised water and then added to the silicate solution while stirring vigorously (450 revolutions per minute). As much ion exchanger was added until the silicate solution had a pH of 2.6. The mixture was then stirred at room temperature for 1 h, then the ion exchange resin was decanted off and 2100 g of tetrahydrofuran (THF) were added. The mixture was then stirred at room temperature for 20 h at 200 revolutions per minute. After addition of 250 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase took place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then freed the organic phase with a coarse white-edge filter of suspended matter. The THF phase had a pH of 2.3 and was then cooled to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, so much dodecylamine was added until the solution had a pH of 7.8. The system was stirred for a further 12 h at room temperature and freed of suspended matter by means of a coarse white-edge filter. Subsequently, 146.2 g of 3-glycido-propyltrimethoxysilane Alfa Aesar were added for the modification of the SiO 2 surface and stirred at 0 0 C for 4 h. Subsequently, the mixture was warmed to room temperature. The silane-modified SiO 2 particles had a volume-weighted mean particle diameter of 220 nm according to dynamic light scattering. The organosol was stable for a period of at least 12 hours.
Beispiel 3:Example 3:
50 g Na2Siθ3-5H2θ der Firma Alfa Aesar wurden in 200 g demineralisiertem Wasser gelöst. Es stellte sich ein pH von 12,5 ein. Gleichzeitig wurde ein saurer lonentauscher (Amberlyst® 15 Wet der Firma Rohm & Haas) in demineralisiertem Wasser aufgeschlämmt und anschließend zu der Silikat-Lösung gegeben, wobei kräftig gerührt wurde (450 Umdrehungen pro Minute). Es wurde soviel lonentauscher zugegeben, bis die Silikatlösung einen pH von 2,6 aufwies. Anschließend wurde 0,5 h bei Raumtemperatur gerührt, anschließend der lonentauscherharz abdekantiert und 200 mL Tetrahydrofu- ran (THF) zugegeben. Anschließend wurde 20 h bei RT mit 200 Umdrehungen pro Minute gerührt. Nach Zugabe von 60 g NaCI erfolgt eine Phasentrennung der wässrigen und der organischen Phase. Die organische Phase wurde über einen Scheidetrichter von der wässrigen Phase abgetrennt und anschließend die organische Phase mit einem groben Weißrandfilter von Schwebestoffen befreit. Die THF-Phase wies einen pH-Wert von 2,5 auf und wurde anschließend auf 2 0C herabgekühlt. Unter kräftigem Rühren bei 450 Umdrehungen pro Minute wurden 12,0 mL 1 M NaOH zugegeben und 2 h auf 60 0C erhitzt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Dispersion über einen groben Weißrandfilter von Schwebestoffen befreit. Mittels dynamischer Lichtstreuung wurden Siθ2-Partikel mit einem volumengewichteten mittleren Teilchendurchmesser von 3 nm detektiert. Das Organosol war über einen Zeitraum von mindestens 8Stunden stabil. Der Gehalt an Siθ2-Partikeln im Organosol betrug 1 Gew.-%. Es war nicht möglich, den erhaltenen Gehalt an SiÜ2 im Organosol durch Variation der Einsatzmengen und Versuchsbedingungen über 1 Gew.-% hinaus zu erhöhen. 50 g Na2Siθ3-5H2θ Alfa Aesar were dissolved in 200 g of demineralized water. It turned to a pH of 12.5. At the same time, an acidic ion exchanger (Amberlyst® 15 Wet from Rohm & Haas) was slurried in demineralised water and then added to the silicate solution while stirring vigorously (450 revolutions per minute). As much ion exchanger was added until the silicate solution had a pH of 2.6. The mixture was then stirred at room temperature for 0.5 h, then the ion exchanger resin was decanted off and 200 ml of tetrahydrofuran (THF) were added. The mixture was then stirred at RT at 200 revolutions per minute for 20 h. After addition of 60 g of NaCl, a phase separation of the aqueous and the organic phase takes place. The organic phase was separated from the aqueous phase via a separating funnel and then freed the organic phase with a coarse white-edge filter of suspended matter. The THF phase had a pH of 2.5 and was then cooled down to 2 0 C. With vigorous stirring at 450 revolutions per minute, 12.0 ml of 1 M NaOH were added and the mixture was heated to 60 ° C. for 2 h. After cooling to room temperature, the dispersion was over a coarse white edge filter freed of suspended matter. By means of dynamic light scattering, SiO 2 particles having a volume-weighted mean particle diameter of 3 nm were detected. The organosol was stable for a period of at least 8 hours. The content of SiO 2 particles in the organosol was 1% by weight. It was not possible to increase the content of SiO 2 in the organosol obtained by varying the amounts used and the experimental conditions beyond 1% by weight.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Organosolen enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen umfassend die folgen- den Schritte:1. A process for the preparation of organosols comprising at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals comprising the following steps:
(a) Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens einer Ausgangsverbindung enthaltend mindestens ein Metall und/oder Halbmetall M1,(a) providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound containing at least one metal and / or semimetal M 1 ,
(b) Inkontaktbringen der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (a) mit mindestens einer sauren Substanz,(b) contacting the aqueous solution or dispersion from step (a) with at least one acidic substance,
(c) Extrahieren der wässrigen Lösung oder Dispersion aus Schritt (b) mit min- destens einem organischen Lösungs- oder Dispersionsmittel (L), und(c) extracting the aqueous solution or dispersion from step (b) with at least one organic solvent or dispersant (L), and
(d) Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase aus Schritt (c) auf mindestens 7.(d) raising the pH of the organic phase from step (c) to at least 7.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt (d) die Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase auf einen pH-Wert von 7 bis 10 erfolgt.2. The method of claim 1, wherein in step (d) the increase in the pH of the organic phase to a pH of 7 to 10 takes place.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Erhöhung des pH-Wertes der organischen Phase gemäß Schritt (d) durch Zugabe mindestens eines organischen Amins erfolgt.3. The method of claim 2, wherein the increase in the pH of the organic phase according to step (d) by adding at least one organic amine.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als organisches Amin ein primäres, sekundäres oder tertiäres aliphatisches Amin der Summenformel CnH2n+3N verwendet wird, wobei n eine ganze Zahl von 6 bis 24 ist.4. The method of claim 3, wherein as the organic amine, a primary, secondary or tertiary aliphatic amine of the empirical formula C n H2n + 3N is used, wherein n is an integer from 6 to 24.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als organisches Amin mindestens ein Polye- theramin der allgemeinen Struktur R1R2N-(-CHR3-CH2-O-)n-CHR3CH2-NR1R2 zugegeben wird, wobei R1 und R2 unabhängig voneinander H oder ein Alkylrest mit 1 , 2, 3 oder 4 Kohlenstoffatomen sind, R3 unabhängig voneinander H oder Me- thyl entspricht und n eine Zahl von 1 bis 40 ist.5. A process as claimed in claim 3, wherein at least one polyetheramine of the general structure R 1 R 2 N - (- CHR 3 -CH 2 -O-) n -CHR 3 CH 2 -NR 1 R 2 is added as the organic amine, where R 1 and R 2 independently of one another are H or an alkyl radical having 1, 2, 3 or 4 carbon atoms, R 3 independently of one another corresponds to H or methyl and n is a number from 1 to 40.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Temperatur während Schritt (d) von 0 bis 5°C beträgt.A process according to claims 1-5, wherein the temperature during step (d) is from 0 to 5 ° C.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei der pH-Wert infolge der Durchführung von Schritt (b) von 2 bis 3,5 beträgt. A process according to claims 1 to 6, wherein the pH is from 2 to 3.5 as a result of carrying out step (b).
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei die saure Substanz gemäß Schritt (b) ein saurer lonentauscher ist.8. The method according to claims 1 to 7, wherein the acidic substance according to step (b) is an acidic ion exchanger.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Konzentration der Ausgangs- Verbindungen in der wässrigen Lösung oder Dispersion gemäß Schritt (a) von 12 bis 20 Gew.-% beträgt.9. The method according to claims 1 to 8, wherein the concentration of the starting compounds in the aqueous solution or dispersion according to step (a) of 12 to 20 wt .-% is.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, wobei der saure lonentauscher in An- schluss an Schritt (b) abgetrennt wird.10. The method according to claims 1 to 9, wherein the acidic ion exchanger is removed following step (b).
1 1. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei die Organosole Partikel aus Oxiden und/oder Oxidhydraten von Metallen und/oder Halbmetallen der allgemeinen Formel (I) enthalten:
Figure imgf000023_0001
1. The process according to claims 1 to 10, wherein the organosols comprise particles of oxides and / or hydrated oxides of metals and / or semimetals of the general formula (I):
Figure imgf000023_0001
worin M1, a und b die folgenden Bedeutungen haben:wherein M 1 , a and b have the following meanings:
M1 Metall oder Halbmetall ausgewählt aus den Gruppen 1 bis 15 des Perio- densystems der Elemente (IUPAC) der Lanthanoide, Actinoide und Mischungen davon, a 1 bis 4 und b 1 bis 4, wobei a und b in Abhängigkeit von der Oxidationsstufe von M1 so gewählt sind, dass die Verbindung der allgemeinen Formel (I) neutral geladen ist.M 1 metal or semimetal selected from groups 1 to 15 of the Periodic Table of the Elements (IUPAC) of lanthanides, actinides and mixtures thereof, a 1 to 4 and b 1 to 4, wherein a and b, depending on the oxidation state of M 1 are chosen so that the compound of general formula (I) is neutrally charged.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 , wobei Schritt (a) ausgeführt wird durch Bereitstellen einer wässrigen Lösung oder Dispersion wenigstens einer Ausgangsverbindung der allgemeinen Formel (II)
Figure imgf000023_0002
(ll),
12. Process according to claims 1 to 11, wherein step (a) is carried out by providing an aqueous solution or dispersion of at least one starting compound of the general formula (II)
Figure imgf000023_0002
(II)
worin M1 die oben genannte Bedeutung hat und M2, x, y, z und n die folgendenwherein M 1 has the meaning given above and M 2 , x, y, z and n are the following
Bedeutungen haben:Meanings have:
M2 Alkali-, Erdalkalimetall oder Mischungen davon, x 0,5 - 6, y 0,5 - 6, z 0,5 - 4, n 0 - 12 und wobei x, y und z in Abhängigkeit von den Oxidationsstufen von M1 und M2 so gewählt sind, dass die wenigstens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) neutral geladen ist.M 2 alkali, alkaline earth metal or mixtures thereof, x 0.5 - 6, y 0.5 - 6, z 0.5 - 4, n 0 - 12 and wherein x, y and z are selected depending on the oxidation states of M 1 and M 2 so that the at least one compound of general formula (II) is neutrally charged.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, wobei die Organosole Nanopartikel mit einem volumengewichteten mittleren Teilchendurchmesser von 1 bis 500 nm enthalten.13. The method according to claims 1 to 12, wherein the organosols contain nanoparticles having a volume-weighted average particle diameter of 1 to 500 nm.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, wobei M1 ausgewählt ist aus Si und Zn.14. The method according to claims 1 to 13, wherein M 1 is selected from Si and Zn.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, wobei als Ausgangsverbindung in Schritt (a) Na2SiO3 * 5 H2O oder Na2[Zn(OH)4] eingesetzt wird.15. The method according to claims 1 to 13, wherein as the starting compound in step (a) Na 2 SiO 3 * 5 H 2 O or Na 2 [Zn (OH) 4 ] is used.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, wobei das wenigstens eine organische Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) so ausgewählt wird, dass es mit Wasser, ggf. nach Zugabe von mindestens einem Salz, im Wesentlichen nicht mischbar ist.16. The method according to claims 1 to 15, wherein the at least one organic solvent or dispersion medium (L) is selected so that it is substantially immiscible with water, optionally after the addition of at least one salt.
17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 16, wobei als organisches Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) Tetrahydrofuran verwendet wird.17. Process according to claims 1 to 16, wherein tetrahydrofuran is used as the organic solvent or dispersant (L).
18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17, wobei sich an Schritt (d) Schritt (e) anschließt:18. Process according to claims 1 to 17, wherein step (e) follows at step (d):
(e) Funktionalisierung der in Schritt (d) erhaltenen Partikel enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat von Metallen und/oder Halbmetallen.(e) functionalization of the particles obtained in step (d) comprising at least one oxide and / or hydrated oxide of metals and / or semimetals.
19. Verfahren zur Herstellung von Partikeln enthaltend mindestens ein Oxid und/oder Oxidhydrat, indem das organische Lösungs- oder Dispersionsmittel (L) der Organosole gemäß den Ansprüchen 1 bis 18 von den Partikeln abgetrennt wird.19. A process for the preparation of particles containing at least one oxide and / or hydrated oxide by the organic solvent or dispersion medium (L) of the organosols according to claims 1 to 18 is separated from the particles.
20. Verwendung der Organosole gemäß den Ansprüchen 1 bis 18 zur Herstellung von Polymerzusammensetzungen oder Beschichtungen. 20. Use of the organosols according to claims 1 to 18 for the preparation of polymer compositions or coatings.
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