WO2011042132A1 - Aluminium-haltige wasserglaslösungen - Google Patents

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WO2011042132A1
WO2011042132A1 PCT/EP2010/005961 EP2010005961W WO2011042132A1 WO 2011042132 A1 WO2011042132 A1 WO 2011042132A1 EP 2010005961 W EP2010005961 W EP 2010005961W WO 2011042132 A1 WO2011042132 A1 WO 2011042132A1
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clear
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water
cation
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PCT/EP2010/005961
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Ralf Bohlander
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Cognis Ip Management Gmbh
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/20—Silicates
    • C01B33/26—Aluminium-containing silicates, i.e. silico-aluminates
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/20—Silicates
    • C01B33/32—Alkali metal silicates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B12/00—Cements not provided for in groups C04B7/00 - C04B11/00
    • C04B12/04—Alkali metal or ammonium silicate cements ; Alkyl silicate cements; Silica sol cements; Soluble silicate cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00215—Mortar or concrete mixtures defined by their oxide composition

Definitions

  • the invention relates to clear long-term storage-stable solutions of alkali silicates (water glasses) with an aluminum content of at least 0.5% and to a process for preparing these solutions.
  • Glasses are colorless glasses when pure, which form colloidal clear, alkaline solutions with water at elevated temperature and pressure.
  • Waterglass is usually made by fusing quartz sand with soda or potash at 1400 to 1500 ° C with the silica expelling the CO2.
  • the solidified melt is either marketed in the ground state or converted into an aqueous solution of desired concentration.
  • Aqueous solutions have the advantage of better applicability in a number of different application fields.
  • Liquid water glass solutions, ie aqueous solutions of alkali metal silicates are industrially made of solid alkali silicate glass pieces by their pressure release in Autoclave made in water.
  • sand can also be directly hydrothermally dissolved in concentrated caustic, but only solutions with lower MV can be obtained.
  • the object of the present invention was to provide clear aqueous solutions of silicates (water glasses) with an aluminum content of at least 0.5% by weight (wt .-% Al 2 O 3 based on the total aqueous solution of silicate).
  • the solutions should be stable in storage for a period of at least 6 months at 20 ° C, ie remain clear during this period and do not gel or lead to precipitation.
  • the Applicant has now succeeded in solving the above problem, although the prior art suggests this to be extremely difficult if not practically impossible.
  • the invention is first a process for producing clear, at 20 ° C for at least 6 months storage-stable, aqueous solutions of silicates (water glasses) containing
  • M 2 O 10 to 20% by weight of M 2 O, where M is a cation from the group Li + , Na + , K + , NY 4 + and Y is an alkyl or alkenyl radical having 1 to 6 C atoms,
  • An aluminum compound is metered in such that the viscosity of the reaction mixture remains below 10,000 mPas and the reaction is carried out in a temperature range from 20 to 140 ° C.
  • reaction mixture is cooled to room temperature after addition of the total amount of the aluminum compound as soon as the
  • the viscosity is measured under reaction conditions and reaction temperature according to ISO 12058-1.
  • the reaction is carried out with stirring.
  • the Al-containing silicate solutions obtainable by the process according to the invention are preferably adjusted to a viscosity of at least 100 mPas and in particular a viscosity in the range from 100 to 1000 mPas (in this specification, the viscosity of the silicate solutions is in each case meant at 20 ° C.) according to the method according to ISO 12058-1).
  • the adjustment of the viscosity is done essentially by the choice of the concentrations of the reactants.
  • the process according to the invention guarantees that the resulting aqueous aluminum-containing silicate solutions, despite their high aluminum content, are one-component and clear, do not gel and remain clear and do not form sediment over a period of at least 6 months at 20.degree excellent storage stability means. This is to be regarded as extremely surprising given the described prior art.
  • the method according to the invention provides as a critical step, a aqueous solution of a silicate as defined above (water glass) and to meter an aluminum compound such that the viscosity of the reaction mixture remains below 10,000 mPas.
  • a aqueous solution of a silicate as defined above water glass
  • an aluminum compound such that the viscosity of the reaction mixture remains below 10,000 mPas.
  • silicates water glasses
  • alkali metal silicates ie those compounds M 2 O x nSiO 2 in which M is a cation from the group Li + , Na + or K + and where n is a number in the range from 1 to 5.
  • n is a number in the range from 1 to 5.
  • alkali silicates which is an n in the range of 1 to 3 and in particular from 1.6 to 2.8. It is very particularly preferred to use sodium silicate.
  • the aluminum source is not critical per se. It is preferable to use ionic aluminum compounds, and particularly inorganic aluminum salts, as an aluminum source (referred to as "aluminum compounds" above), for example, aluminum hydroxide, alumina, sodium alumina or alum.
  • Aluminum hydroxide is most preferred as the source of aluminum in the present invention. It can be used on the one hand in solid form, in which case it has to be present in finely divided form and that with a particle size below 1 ⁇ .
  • aluminate Solution aluminate Solution
  • aluminate solutions with an aluminum content in the range of 10 to 22% are used (% specification means% by weight of Al 2 O 3 based on the entirety of the aqueous aluminate solution).
  • the reaction mixture is cooled after addition of the total amount of aluminum compound to room temperature (which is understood here as a temperature range of 5 to 30 ° C and especially 20 to 25 ° C), as soon as the reaction mixture is clear.
  • room temperature which is understood here as a temperature range of 5 to 30 ° C and especially 20 to 25 ° C
  • turbidity of the reaction mixture generally occurs.
  • the time when the reaction mixture becomes clear may depend on the rate of addition of the aluminum source and the reaction temperature. Should it not be at the end of the addition of the aluminum source or shortly thereafter, the reaction mixture is simply further stirred at the previous reaction temperature until it becomes clear, then cooled.
  • the aqueous solutions of silicates contain
  • Alk is lithium, sodium or potassium
  • the aqueous solutions of silicates (water glasses) contain 25 to 35% by weight of SiO 2 ,
  • Alk is lithium, sodium or potassium
  • the solids content of the novel Al-containing aqueous solutions of silicates is preferably 25-50 wt .-% and in particular 35- 45 wt .-%.
  • Another object of the invention are first clear, at 20 ° C for at least 6 months storage-stable, aqueous solutions of silicates (water glasses) containing
  • M 2 O 10 to 20% by weight of M 2 O, where M is a cation from the group Li + , Na + , K + , NY 4 + and Y is an alkyl or alkenyl radical having 1 to 6 C atoms,
  • An aluminum compound is metered in such that the viscosity of the reaction mixture remains below 10,000 mPas and the reaction is carried out in a temperature range from 20 to 140 ° C.
  • reaction mixture is cooled to room temperature after addition of the total amount of aluminum compound
  • novel Al-containing silicate solutions can be used in a variety of applications. Examples of these are: fire protection coating, agglomeration aid, Coating agent for pigments, inorganic adhesives.
  • Demineralised water demineralized water
  • GV weight ratio SiO 2 / alkali oxide in alkali water glasses
  • Anajytik 31% SiO 2 15.5% Na 2 O 1% A1 2 0 3

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung klarer, bei 20°C mindestens 6 Monate lagerstabiler, wässriger Lösungen von Silikaten enthaltend 20 bis 40 Gew.-% SiO2, 10 bis 20 Gew.-% M2O, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4+ ist und Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet, 0,5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und 100 Gew.-% Wasser, wobei man eine wässrige Lösung eines Silikates der allgemeinen Formel M2O x nSiO2, worin M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4+ ist und wobei Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C- Atomen und n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 bedeutet, vorlegt und eine Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt und wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 20 bis 140 °C durchführt, mit der Maßgabe, dass man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur abkühlt, sobald die Reaktionsmischung klar ist.

Description

„Aluminium-haltige Wasserglaslösungen"
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft klare langfristig lagerstabile Lösungen von Alkalisilikaten (Wassergläsern) mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 0,5% sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Lösungen.
Stand der Technik
Unter Wasserglas versteht der Fachmann bekanntlich aus dem Schmelzfluß erstarrte, glasige, wasserlösliche Alkalisilikate (also Alkalisalze von Kieselsäuren) oder deren viskose wässrige Lösungen. Beim Wasserglas kommen typischerweise 1 bis 5 mol SiO2 auf 1 mol Alkalioxid (Alk2O - wobei Alk die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium bedeutet), weshalb die Natron- und Kaliwassergläser üblicherweise auch durch den Quotienten %SiO2 zu %Alkalioxid charakterisiert werden. Wassergläser sind mithin chemisch Alkalisilikate mit einem Molverhältnis (MV) SiO2 zu Alk2O im Bereich von 1 bis 5, wobei unter diesem Molverhältnis das Molverhältnis der das Alkalisilikat konstituierenden Bausteine SiO2 und Alk2O zu verstehen ist. Sie enthalten oligomere Silikatanionen mit Alkalimetallkationen als Gegenionen.
Wassergläser sind in reinem Zustand farblose Gläser, die mit Wasser bei erhöhter Temperatur und Druck kolloidale klare, alkalisch reagierende Lösungen bilden. Wasserglas wird üblicherweise durch Zusammenschmelzen von Quarzsand mit Soda oder Pottasche bei 1400 bis 1500 °C hergestellt, wobei die Kieselsäure das CO2 austreibt. Die erstarrte Schmelze wird entweder in gemahlenem Zustand in den Handel gebracht oder in eine wässrige Lösung gewünschter Konzentration überführt. Wässrige Lösungen haben den Vorteil besserer Applizierbarkeit in einer Reihe unterschiedlicher anwendungstechnischer Felder. Flüssige Wasserglaslösungen, d.h. wässrige Lösungen von Alkalisilikaten, werden großtechnisch aus festem Alkalisilikat-Stückenglas durch deren Druckverlösung in Autoklaven in Wasser hergestellt. Alternativ kann Sand auch direkt hydrothermal in konzentrierter Alkalilauge gelöst werden, wobei jedoch nur Lösungen mit geringerem MV erhalten werden können. Wie dem Fachmann bekannt, entsteht bei der Herstellung von Wasserglas im Schmelzofen zunächst eine Schmelze aus Alkalisilikat, welche beim Abkühlen auf Raumtemperatur zu Glasstücken (sogenanntes Stückenglas) erstarrt. Diese Glasstücke werden technisch in Druckautoklaven in Wasser gelöst, üblicherweise bei erhöhter Temperatur, etwa bei ca. 120°C (sogenannter Löseprozess). Technische Wasserglaslösungen enthalten üblicherweise einen Feststoffanteil von ca. 30 bis 50% Gew.-%.
Zur Herstellung technischer Wassergläser wird mangels mengenmäßiger Verfügbarkeit in der Regel kein Reinstquartz als SiO2-Rohstoffquelle eingesetzt, sondern Sand, daher enthalten Wasserglaslösungen technischer Qualität üblicherweise bestimmte Metalle im Spurenbereich. Marktgängige Wasserglaslösungen enthalten daher unabhängig vom Herstellweg Rohstoff-bedingt metallische Verunreinigungen, wobei diese bei klaren, lagerstabilen wässrigen Lösungen in Summe unterhalb von 0,3% und beim Aluminium unterhalb von 0,2% - meist deutlich darunter - liegen; wie üblich sind diese %-Angaben als Gew.-% des entsprechenden Metalloxides bezogen auf die gesamte wässrige Lösung des Alkalisilikates zu verstehen. Der Grund, warum der Gehalt an„metallischen Verunreinigungen" in Wassergläsern nur derart gering ist, ist darin zu sehen, dass nur„reine" Alkalisilikate wasserlöslich sind, jedoch bereits sehr geringe Anteile 2- oder 3-wertiger Metallkationen wasserunlösliche Verbindungen bilden. Da unlösliche Anteile wegen deren Separationsneigung bei fast allen Anwendungen stören, werden sie in der Technik durch Sedimentation, Zentrifugation oder Filtration absepariert, um klar durchsichtige lagerstabile Wasserglaslösungen zu erhalten. Es ist ferner allgemein bekannt, dass Wasserglaslösungen sehr empfindlich schon auf Zugabe geringer Mengen von Aluminium-haltigen Lösungen reagieren, zumeist durch sofortige Vergelung und zeitverzögerte Ausfällung von Feststoffen. Somit besteht eine prinzipielle Schwierigkeit, wenn man den Gehalt von Wasserglaslösungen an Aluminium auf einen Wert oberhalb von etwa 0,2-0,3% (Gew.-% Al2O3 bezogen auf die gesamte wässrige Lösung des Alkalisilikates) einstellen möchte. Dies wurde in eigenen Untersuchungen der Anmelderin bestätigt. Dabei hat die Anmelderin festgestellt, dass auch der Versuch einer Direktsynthese von klaren wässrigen Alkalisilikatlösungen mit höherem Aluminiumgehalt aus den kostengünstigen Rohstoffen Sand, NaOH und einer Aluminiumquelle über den hydrothermalen Herstellweg scheitert.
Mischungen von Wasserglaslösungen mit Aluminatlösungen werden großtechnisch eingesetzt, um Aluminosilikate als amorphe Molekularsiebe oder kristalliner Zeolite herzustellen. Dies beleuchtet aus anderer Perspektive die genannte Schwierigkeit, klare Wasserglaslösungen mit erhöhtem Aluminiumgehalt herzustellen. Denn wie Untersuchungen der Anmelderin bestätigt haben führt das Zusammengeben von Wasserglaslösungen mit Aluminatlösungen zu Ausfällung bzw. Kristallisation, wobei die Flüssigphase an Aluminium abgereichert wird, so dass nach beendeter Ausfällung eine Alkalisilikatlösung fast ohne Al-gehalt als Mutterlauge überbleibt. Mitra, Transaction Ind.Ceram.Soc, Vol XXXI 1972, S.31ff beschreibt Alk/Si/Al- Variationen in weiten Bereichen, Verdünnungen und Temperaturen im Bereich von 0- 95°C, jedoch mit dem Ergebnis, dass alle Mischungen vergelen oder nach spätestens 24 Stunden trübe werden. Ueda indiziert in American Mineralogist, V64, 1979, S172ff, dass es auch klare Lösungen von Aluminaten in Wasserglaslösungen geben kann, allerdings mit der Einschränkung, dass dies nur bei Al2O3/SiO2- Verhältnissen im Bereich von 1 :70 bis 1 :320 möglich ist, was für eine gängige Wasserglaslösung mit einem Alkalisilikat- Feststoffgehalt von 40 Gew.-% rechnerisch bedeutet, dass Al2O3 nur maximal mit 0,4 Gew.-% enthalten sein kann. Dieser Stand der Technik bestätigt also den Fachmann in der ihn bekannten Tatsache, dass es extrem schwierig ist, klare langfristig lagerstabile und nicht vergelende wässrige Lösungen von Alkalisilikaten (Wassergläsern) mit einem merklichen Aluminiumgehalt herzustellen und deutet allenfalls an, dass es möglich sein könnte, solche Lösungen mit einem maximalen Aluminiumgehalt von 0,4 Gew.-% herzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, klare wässrige Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 0,5 Gew.-% (Gew.-% Al2O3 bezogen auf die gesamte wässrige Lösung des Silikates) bereitzustellen. Die Lösungen sollten lagerstabil über einen Zeitraum von mindestens 6 Monaten bei 20 °C sein, d.h. innerhalb dieses Zeitraumes klar bleiben und nicht vergelen bzw. zu Ausfällungen führen. Der Anmelderin ist es nun gelungen, die genannte Aufgabenstellung zu lösen, obwohl der Stand der Technik dies als außerordentlich schwierig, wenn nicht praktisch unmöglich nahe legt.
Gegenstand der Erfindung ist zunächst ein Verfahren zur Herstellung klarer, bei 20 °C mindestens 6 Monate lagerstabiler, wässriger Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) enthaltend
• 20 bis 40 Gew.-% SiO2,
• 10 bis 20 Gew.-% M2O, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet,
· 0,5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und
• Wasser,
wobei man
• eine wässrige Lösung eines Silikates (Wasserglas) der allgemeinen Formel M2O x nSiO2, worin M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und wobei Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 bedeutet, vorlegt und • eine Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt und wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 20 bis 140 °C durchführt,
• mit der Maßgabe, dass man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur abkühlt, sobald die
Reaktionsmischung klar ist.
Die Viskositätsangabe wird dabei unter Reaktionsbedingungen und Reaktionstemperatur nach ISO 12058-1 gemessen.
Vorzugsweise wird die Reaktion unter Rühren durchgeführt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Al-haltigen Silikatlösungen werden vorzugsweise auf eine Viskosität von mindestens 100 mPas und insbesondere eine Viskosität im Bereich von 100 bis 1.000 mPas eingestellt (bei diesen Angaben ist jeweils die Viskosität der Silikatlösungen als solche bei 20 °C gemeint, gemessen nach der Methode gemäß ISO 12058-1). Die Einstellung der Viskosität geschieht dabei im Wesentlichen durch die Wahl der Konzentrationen der Reaktanden. Das erfindungsgemäße Verfahren garantiert, dass die erhaltenen wässrigen Aluminium-haltigen Silikatlösungen trotz ihres hohen Aluminiumgehaltes ein- komponentig und klar sind, nicht vergelen und klar bleiben und keinen Bodensatz bilden und dies über einen Zeitraum von mindestens 6 Monaten bei 20 °C, was eine ganz ausgezeichnete Lagerstabilität bedeutet. Dies ist angesichts des geschilderten Standes der Technik als außerordentlich überraschend anzusehen.
Besonders bevorzugt ist es, die Reaktion in einem Temperaturbereich von 50 bis 1 10°C und insbesondere von 60 bis 80°C durchzuführen. Gerade der Temperaturbereich von 60 bis 80°C garantiert besonders langfristig lagerstabile Silikatlösungen.
Wie ausgeführt sieht das erfindungsgemäße Verfahren als kritischen Schritt vor, eine wässrige Lösung eines wie oben definierten Silikates (Wasserglas) vorzulegen und eine Aluminiumverbindung derart zuzudosieren, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt. Hierdurch wird ausgedrückt, dass die Geschwindigkeit der Zugabe der Aluminiumquelle ein sehr wichtiger Parameter ist. Gibt man nämlich die Aluminiumquelle zu schnell zu mit der Folge, dass die Viskosität der Reaktionsmischung den angegebenen Wert übersteigt, so erhält man keine klaren und langfristig lagerstabilen Lösungen. Die Aluminiumquelle darf also gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nur so schnell zudosiert werden, dass die Viskosität der Reaktionsmischung ständig unterhalb von 10.000 mPas bleibt. Vorzugsweise dosiert man die Aluminiumquelle mit einer solchen Geschwindigkeit zu, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 1.000 mPas bleibt.
Die Natur der einzusetzenden Silikate (Wassergläser) ist an sich nicht kritisch. Vorzugsweise setzt man Alkalisilikate ein, also solche Verbindungen M2O x nSiO2, bei denen M für ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+ oder K+ steht und wobei n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 ist. Vorzugsweise setzt man dabei solche Alkalisilikate ein, die ein n im Bereich von 1 bis 3 und insbesondere von 1,6 bis 2,8 liegt. Ganz besonders bevorzugt ist es, Natriumsilikat einzusetzen.
Die Aluminiumquelle ist an sich nicht kritisch. Vorzugsweise setzt man ionische Aluminiumverbindungen und insbesondere anorganische Aluminiumsalze als Aluminiumquelle (oben als „Aluminiumverbindungen" bezeichnet) ein. Beispiel hierfür sind Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Natriumaluminiumdioxid oder Alaune.
Aluminiumhydroxid ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ganz besonders als Aluminiumquelle bevorzugt. Es kann einerseits in fester Form eingesetzt werden, wobei dann gilt, dass es in feinverteilter Form vorliegen muss und zwar mit einer Korngrösse unterhalb von 1 μηι.
Vorzugsweise wird es jedoch in Form einer wässrigen Lösung eingesetzt (Aluminat- Lösung). Dabei setzt man insbesondere Aluminatlösungen mit einem Aluminiumgehalt im Bereich von 10 bis 22 % ein (%- Angabe bedeutet Gew.-% Al2O3 bezogen auf die Gesamtheit der wässrigen Aluminatlösung).
Wie oben ausgeführt kühlt man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur (worunter hier ein Temperaturbereich von 5 bis 30 °C und insbesondere 20 bis 25 °C verstanden wird) ab, sobald sie Reaktionsmischung klar ist. Dies ist ein wichtiges Merkmal für den Erfolg des Verfahrens. In der Praxis bedeutet dies, dass während der Zugabe der Aluminiumquelle zur vorgelegten Wasserglaslösung in aller Regel eine Trübung der Reaktionsmischung auftritt. Sobald die gesamte Menge der Aluminiumverbindung zudosiert ist, ist es wichtig, die Reaktionsmischung optisch daraufhin zu prüfen (Sichtkontrolle), wann sie klar wird. Sobald sie klar wird, leitet man die Abkühlung ein. Der Zeitpunkt, wann die Reaktionsmischung klar wird kann von der Geschwindigkeit der Zudosierung der Aluminiumquelle und der Reaktionstemperatur abhängen. Sollte er nicht mit dem Ende der Zugabe der Aluminiumquelle oder kurz darauf erfolgen, so wird die Reaktionsmischung einfach bei der bisherigen Reaktionstemperatur weiter gerührt, bis sie klar wird, danach wird abgekühlt.
Vorzugsweise erfolgt die Abkühlung der Reaktionsmischung - wie angegeben nach vollständiger Zugabe der Aluminiumquelle - unmittelbar nachdem sie klar geworden ist.
In einer Ausführungsform enthalten die wässrigen Lösungen von Silikaten (Wassergläsern)
• 25 bis 35 Gew.-% SiO2,
• 12 bis 16 Gew.-% Alk2O, wobei Alk Lithium, Natrium oder Kalium bedeutet, und
• 0,5 bis 3 Gew.-% Al2O3.
In einer weiteren Ausführungsform enthalten die wässrigen Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) • 25 bis 35 Gew.-% SiO2,
• 12 bis 16 Gew.-% Alk2O, wobei Alk Lithium, Natrium oder Kalium bedeutet, und
• 1 ,0 bis 2,5 Gew.-% Al2O3. Der Feststoffgehalt der erfindungsgemäßen Al-haltigen wässrigen Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) beträgt vorzugsweise 25-50 Gew.-% und insbesondere 35- 45 Gew.-%.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind zunächst klare, bei 20 °C mindestens 6 Monate lagerstabile, wässrige Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) enthaltend
• 20 bis 40 Gew.-% SiO2,
• 10 bis 20 Gew.-% M2O, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet,
• 0,5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und
· Wasser,
wobei diese Lösungen erhältlich sind, indem man
• eine wässrige Lösung eines Silikates (Wasserglas) der allgemeinen Formel M2O x nSiO2, worin M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und wobei Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 bedeutet, vorlegt und
• eine Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt und wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 20 bis 140 °C durchführt,
• mit der Maßgabe, dass man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur abkühlt, sobald sie
Reaktionsmischung klar ist.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen Al-haltigen Silikatlösungen können in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern verwendet werden. Beispiele hierfür sind: Brandschutzbeschichtungsmittel, Hilfsmittel zur Agglomeration, Umhüllungsmittel für Pigmente, anorganische Kleber.
Beispiele
Abkürzungen:
VE- Wasser = vollentsalztes Wasser
FS = Feststoffgehalt
GV = Gewichtsverhältnis SiO2 / Alkalioxid bei Alkaliwassergläsern
Erfindungsgemäße Beispiele
Beispiel 1:
In eine 500ml Edelstahl Druckbombe wurden 400g Natronwasserglas 60 (46% FS, GV=2) (Fa Cognis) vorgelegt, mit einem Magnetfischrührer gerührt, und in die Rührthrombe 10g Aluminiumhydroxid KB30 (Fa Alcoa) eingestreut. Druckdicht verschlossen wurde auf einer Heizplatte auf 120°C erhitzt. Nach Erreichen von 120°C wurde sofort wieder auf Raumtemperatur abgekühlt und die leicht opaque Lösung über ein 50μ Sieb zu einer klar transparenten Lösung abfiltriert.
Analytik: 30% SiO2 14,5% Na2O 1,3% Al2O3
Beispiel 2:
In einen Erlenmeyerkolben wurden 200g Natronwasserglas 48/50 (45% FS, GV=2,7) (Fa Cognis) mit 30g Natronlauge 50% (Fluka) mit einem Magnetfischrührer zu einer klaren schlierenfreien Lösung vermischt. In die Rührthrombe wurden 7g feinteiliges Aluminiumhydroxid (Apyral 200SM, Fa Nabaltec) eingestreut. Mit einer Heizplatte wurde die weiß trübe Mischung auf 100°C/Rückfluß erhitzt. Innerhalb einer halben Stunde entstand eine fast transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert.
Analytik: 28% SiO2 15% Na2O 1 ,8% Al2O3 Beispiel 3:
In einen Erlenmeyerkolben wurden 135g Portil A (Natronwasserglaspulver 80% FS, GV=2) (Fa. Cognis) und 100 ml VE- Wasser mit einem Magnetfischrührer zu einer Suspension vermischt. In die Rührthrombe wurden 4g feinteiliges Aluminiumhydroxid (Apyral 200SM, Fa Nabaltec) eingestreut. Mit einer Heizplatte wurde die weiß trübe Mischung auf 100°C/Rückfluß erhitzt. Innerhalb einer halben Stunde entstand eine fast transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert.
Anajytik:31% SiO2 15,5% Na2O 1% A1203
Beispiel 4:
In einen Erlenmeyerkolben wurden 200g Natronwasserglas 48/50 (45% FS, GV=2,7) (Fa Cognis) mit 30g Natronlauge 50% (Fluka) mit einem Magnetfischrührer zu einer klaren schlierenfreien Lösung vermischt und auf 40°C erwärmt. In die Rührthrombe wurden 50g Natriumaluminatlösung (Gecedral, Fa Giulini) innerhalb einer Stunde eingetropft. Die wegen Gelpartikeln trübe Mischung wurde auf 80°C erhitzt. Innerhalb einer Stunde entstand eine transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert.
Analytik: 28% SiO2 15,5% Na2O 4% Al2O3
Beispiel 5:
In einen Erlenmeyerkolben wurden 200g Natronwasserglas 50/52 (48%) FS, GV=2,4) (Fa Cognis) vorgelegt und eine 40g Soda- Wasser-Mischung (50%FS, Fa. Solvay) zugetropft und mit einem Magnetfischrührer vermischt und auf 50°C erwärmt. In die Rührthrombe wurden 26g Natriumaluminatlösung (38%, Fa Nordisk) innerhalb einer Stunde eingetropft. Dann wurde auf 80°C erhitzt. Innerhalb von 15 Minuten entstand eine transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert.
Analytik: 28% SiO2 12,5% Na2O 2% Al2O3 Beispiel 6:
In einen Erlenmeyerkolben wurden 170g Natronwasserglas 50/52 (48% FS, GV=2,4) (Fa Cognis) mit 30g Kaliwasserglas 54 (52% FS, GV 1,42) mit einem Magnetfischrührer zu einer klaren schlierenfreien Lösung vermischt und auf 40°C erwärmt. In die Rührthrombe wurden 22g Natriumaluminatlösung (Gecedral , Fa Giulini) innerhalb einer Stunde eingetropft. Die wegen Gelpartikeln trübe Mischung wurde auf 80°C erhitzt. Innerhalb einer halben Stunde entstand eine transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert. Analytik: 30% SiO2 10,5% Na2O 3% K2O 1,9% A1203
Beispiel 7:
In einem Becherglas wurden 30g Natriumaluminatlösung (aluminlO; Fa. Remondis) und 20g Wasser vorgelegt mit einem Metallblattrührer gerührt auf 40°C erhitzt. Innerhalb 30 Minuten wurden 200g Natronwasserglas 54/56 (55% FS, GV 2,05) eingetropft. Die Mischung wurde auf 80°C erhitzt. Innerhalb einer Stunde entstand eine transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 10μ Filter abfiltriert.
Analytik: 30.5% SiO, 16% Na2O 2,6% Al2O3
Beispiel 8:
In einen Erlenmeyerkolben wurden in 75g VE- Wasser, 90g Natronlauge 50% (Fluka), 5,5g Lithiumhydroxid-hydrat (Fa. FMC) und 80g Köstrosolid 0403 (gefällte Kieselsäure, Fa Köstritz) mit einem Magnetfischrührer zu einer Suspension vermischt. In die Rührthrombe wurden 8g feinteiliges Aluminiumhydroxid (Apyral 200SM, Fa Nabaltec) eingestreut. Mit einer Heizplatte wurde die weiß trübe Mischung auf 100°C unter Rückfluß erhitzt. Innerhalb einer halben Stunde entstand eine fast transparente Mischung. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde über ein 50μ Sieb abfiltriert. Analytik: 30% SiO2 14% Na2O l,5% Li2O 2,6% Al2O3 Alle hergestellten Lösungen der Fallbeispiele bleiben bei Raumtemperaturlagerung stabil, ohne Separation oder Kristallisation.
Vergleichsbeispiele
Die beiden nachfolgenden Vergleichsbeispiele V4-1 und V4-2 dienen dem Vergleich zum obigen erfindungsgemäßen Beispiel 4:
Vergleichsbeispiel V4-1
In einen Erlenmeyerkolben wurden 200g Natronwasserglas 48/50 (45% FS, GV= 2,7) (Fa. Cognis) mit 30g Natronlauge 50% (Fluka) mit einem Magnetfischrührer zu einer klaren schlierenfreien Lösung vermischt und auf 90°C erwärmt. In die Rührthrombe wurden 50g Natriumaluminatlösung (Gecedral , Fa Giulini) innerhalb einer Stunde eingetropft. Die trübe Mischung wurde für 2 Stunden auf 100°C erhitzt. Die Trübung der Mischung wandelte sich nicht in Richtung klar, Weiteres Nachrühren führte zu noch mehr Eintrübung. Die so erhaltene Mischung konnte wegen Filterverblockung selbst über ein 200μ Sieb nicht filtriert werden. Die auf Raumtemperatur abgekühlte Lösung wurde beim stehen lassen weißlich trübe, nach ca. 3 Wochen begann sich ein weißer Bodensatz abzutrennen.
Vergleichsbeispiel V4-2
In einen Erlenmeyerkolben wurden 200g Natronwasserglas 48/50 (45% FS, GV=2,7) (Fa. Cognis) mit 30g Natronlauge 50% (Fluka) mit einem Magnetfischrührer zu einer klaren schlierenfreien Lösung vermischt. Zur Viskositätsabsenkung wurden 40g Wasser zugegeben. In die Rührthrombe wurden 60g Natriumaluminatlösung (Gecedral , Fa Giulini) innerhalb einer Stunde eingetropft. Die Trübung der Mischung wandelte sich nicht in Richtung klar, weder durch weiteres Nachrühren, durch Filtration oder Erwärmen. Die weißlich trübe Dispersion neigte schon nach Tagen zur Auftrennung.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung klarer, bei 20 °C mindestens 6 Monate lagerstabiler, wässriger Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) enthaltend
• 20 bis 40 Gew.-% SiO2,
• 10 bis 20 Gew.-% M2O, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet,
• 0,
5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und
• Wasser,
wobei man
• eine wässrige Lösung eines Silikates (Wasserglas) der allgemeinen Formel M2O x nSiO2, worin M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und wobei Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 bedeutet, vorlegt und
• eine Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt und wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 20 bis 140 °C durchführt,
• mit der Maßgabe, dass man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur abkühlt, sobald die Reaktionsmischung klar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+ bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei M das Kation Na+ bedeutet und das in der Reaktion eingesetzte Natriumsilikat die Formel Na2O x nSiO2 hat, wobei n eine Zahl im Bereich 1,
6 bis 2,8 bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei man als Aluminiumverbindung Aluminiumhydroxid einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei man Aluminiumhydroxid in Pulverform einsetzt, wobei dessen Korngröße unterhalb von 1 μπι liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei man Aluminiumhydroxid in Form einer wässrigen Lösung (Aluminatlösung) einsetzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 60 bis 80 °C durchfuhrt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man die Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 1.000 mPas bleibt.
9. Klare, bei 20°C mindestens 6 Monate lagerstabile, wässrige Lösungen von Silikaten (Wassergläsern) enthaltend
• 20 bis 40 Gew.-% SiO2,
• 10 bis 20 Gew.-% M2O, wobei M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY4 + ist und Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet,
• 0,5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und
• Wasser,
wobei diese Lösungen erhältlich sind, indem man
• eine wässrige Lösung eines Silikates (Wasserglas) der allgemeinen Formel M2O x nSiO2, worin M ein Kation aus der Gruppe Li+, Na+, K+, NY + ist und wobei Y einen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und n eine Zahl im Bereich von 1 bis 5 bedeutet, vorlegt und
• eine Aluminiumverbindung derart zudosiert, dass die Viskosität der Reaktionsmischung unterhalb von 10.000 mPas bleibt und wobei man die Reaktion in einem Temperaturbereich von 20 bis 140 °C durchführt,
• mit der Maßgabe, dass man die Reaktionsmischung nach Zudosierung der Gesamtmenge der Aluminiumverbindung auf Raumtemperatur abkühlt, sobald sie Reaktionsmischung klar ist.
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