具有高纵横比的片状硅酸盐薄片制造技术

本发明专利技术涉及具有高纵横比的2:1片状硅酸盐的片状硅酸盐薄片，制备这些片状硅酸盐薄片的方法和包含片状硅酸盐薄片的水分散体。本发明专利技术进一步涉及本发明专利技术片状硅酸盐薄片在生产复合材料中的用途，以及包含或者可使用片状硅酸盐薄片得到的相应复合材料，其更特别地用作扩散屏障或阻燃剂。

Flake silicate sheets with high aspect ratio

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高纵横比的片状硅酸盐薄片本专利技术涉及具有高纵横比的2:1片状硅酸盐的片状(sheet)硅酸盐薄片(silicatelamellae)，制备这些片状硅酸盐薄片的方法和包含片状硅酸盐薄片的水分散体。本专利技术进一步涉及本专利技术片状硅酸盐薄片在制备复合材料中的用途，以及包含该片状硅酸盐薄片或者可使用该片状硅酸盐薄片得到的相应复合材料，更特别是用作扩散阻隔物或阻燃剂。现有技术由现有技术已知复合材料通过将这些复合材料与片状硅酸盐混合而制备，以便改进所得复合材料的机械性能。这样还成功地实现了改进复合物体系的实际屏障性能。发现该性能的改进程度关键性地取决于所用片状硅酸盐的纵横比。纵横比的概念非常通常地指微片(platelet)的平均直径与微片高度的商。此处必须基本地区分各个薄片的纵横比与2:1片状硅酸盐的剥落或分层试样的平均纵横比。各个薄片的纵横比可使用原子力显微镜(AFM)测定。然而，由于相应测定的纵横比的值不代表整个剥落或分层的2:1片状硅酸盐试样，本专利技术使用所谓的剥落或分层的2:1片状硅酸盐的平均纵横比。剥落或分层的2:1片状硅酸盐的平均纵横比使用静态光散射(SLS)测定。基本原则是纵横比越高，例如包含片状硅酸盐的复合材料的阻隔性能越好。一般而言，片状硅酸盐包含具有几纳米至几毫米的高度的称为触液取向胶(tactoids)的硅酸盐薄片堆叠。在片状硅酸盐的情况下，取决于它们的组成和来源，微片直径为几纳米至几厘米。已知片状硅酸盐的纵横比可通过化学和/或物理处理，通过触液取向胶沿着它们的堆叠轴开裂而在一定范围内提高。该方法在文献中称为剥落。它可例如通过将可溶胀片状硅酸盐引入极性溶剂中而实现。生产具有极端纵横比的片状硅酸盐的基本要求是它们显示出微片或触液取向胶的相对大侧向伸展(lateralextent)。侧向伸展原则上随着层电荷产生。然而，由于片状硅酸盐的层电荷上升，产生当引入极性溶剂中时这些片状硅酸盐不再剥落的问题。文献中通常已知片状硅酸盐在水中仅剥落至≤0.55p.f.u.(每化学式单位)的层电荷(参见K.Jasmund，G.Lagaly，TonmineraleundTone，Struktur，Eigenschaften，AnwendungenundEinsatzinIndustrieundUmwelt，Steinkopff，Darmstadt1993)。鉴于该限制和生产具有极端纵横比的片状硅酸盐的需求，现有技术中存在尝试进行甚至具有该高层电荷的片状硅酸盐剥落或者甚至其分层，以导致开裂成各个薄片的大量方法。例如，专利说明书US4,608,303、US3,325,340以及EP0282928B描述了制备包含剥落的2:1片状硅酸盐的水分散体的方法。这些说明书中没有区分剥落和分层的概念，因此，这些术语在其中错误地同义使用了。鉴于这些说明书的公开内容，可假定那里仅进行剥落。这些说明书中所有方法的共同特征是使所用2:1片状硅酸盐经受一次或多次与具有高水合焓的阳离子的离子交换反应，因此导致阳离子层溶胀。尽管这些说明书进行相应的交换反应和溶胀步骤，材料不在水中剥落；而是总是要求外部剪切力的附加作用以产生至少部分剥落。尽管剥落可用那里描述的方法产生，但外部剪切力的强制作用对溶胀的2:1片状硅酸盐有害，因此可例如引起触液取向胶破裂。因此，这些方法不适于生产具有极端纵横比的材料。相反，WO2011/089089A1旨在描述制备具有高纵横比的片状硅酸盐微片的方法。该方法包括：A)生产具有0.8-1.0的层电荷的式[Mn/Valence]inter[MImMIIo]oct[MIII4]tetX10Y2的合成蒙脱石(syntheticsmectite)，和B)使来自步骤A)的合成蒙脱石剥落或分层以形成片状硅酸盐微片。如该说明书的第8页所述，步骤B)通过将合成蒙脱石引入极性溶剂(优选水)中而进行。引入极性溶剂中的目的是导致蒙脱石经受渗透性溶胀，所以产生剥落或分层。尽管非常高的层电荷，按说剥落不需要化学或物理处理(参见第8页，第14/15行)；因此，该专利说明书的教导与具有>0.55p.f.u.的理论计算层电荷的2:1片状硅酸盐在引入极性溶剂中时不剥落的一般已知说法背道而驰。唯一的实施例描述了用锂蒙脱石(hectorite)的方法。Breu等人在Langmuir2017(33)，第4816-4822页中的文章解决了锂蒙脱石的分层。从该出版物的图3中，显然具有0.6的拉格利层电荷的钠锂蒙脱石(sodiumhectorite)不分层。因此，认为WO2011/089089A1所述方法至少不能实现片状硅酸钠分层成薄片。因此，现有技术仅描述了可将2:1片状硅酸盐开裂成触液取向胶的方法。通过剥落，可提高这些触液取向胶的纵横比。然而，由于剥落需要外部剪切力的作用，纵横比又受触液取向胶破裂的不利影响。特别是，现有技术中未知任何具有极端纵横比和大于0.55p.f.u.的理论计算层电荷的片状硅酸盐薄片。就本专利技术而言，术语“片状硅酸盐薄片”指单独的微片，这与称为触液取向胶的两个或多个微片的堆叠形成对比区别。问题因此，相对于现有技术的背景，仍需要能够提供具有极高纵横比的片状硅酸盐薄片。这些片状硅酸盐薄片更特别地适于能够合并到复合材料中以尤其改进复合材料的阻隔性能和阻燃性能。问题的解决方案上述问题通过权利要求书中确定的主题以及下文描述中公开的该主题的优选实施方案解决。因此，本专利技术的第一主题是可通过将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在水中分层而得到的片状硅酸盐薄片，其至少包括步骤：(i)通过将2:1片状硅酸盐(A)用包含烷基铵盐的水和具有1-4个碳原子的单醇的溶剂混合物处理而制备具有有序间层化的2:1片状硅酸盐，其中2:1片状硅酸盐(A)具有0.56p.f.u.至0.90p.f.u.的拉格利层电荷(Lagalylayercharge)且间层(interlayers)至少交替地具有钠阳离子，(ii)将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐与烷基铵盐的溶剂混合物分离，(iii)通过将具有有序间层化并在(ii)下分离的2:1片状硅酸盐引入水中而将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐分层以产生包含片状硅酸盐薄片的水分散体，(iv)将片状硅酸盐薄片与(iii)下制备的分散体分离，其特征在于片状硅酸盐薄片具有至少10000的平均纵横比。本专利技术的另一主题是具有至少10000至50000的平均纵横比和0.56p.f.u.至0.90p.f.u.的拉格利层电荷的2:1片状硅酸盐的片状硅酸盐薄片。可通过将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在水中分层而得到的新片状硅酸盐薄片和具有至少10000-50000的平均纵横比和0.56p.f.u.至0.90p.f.u.的理论层电荷的2:1片状硅酸盐的片状硅酸盐薄片也称为本专利技术片状硅酸盐薄片。具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在本专利技术上下文中也称为2:1片状硅酸盐(IS)。同样，本专利技术的主题是通过将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在水中分层而制备本专利技术片状硅酸盐薄片的方法，其至少包括步骤：(i)通过将2:1片状硅酸盐(A)用包含烷基铵盐的水和具有1-4个碳原子的单醇的溶剂混合物处理而制备具有有序间层化的2:1片状硅酸盐，其中2:1片状硅酸盐(A)具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可通过将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在水中分层而得到的片状硅酸盐薄片，至少包括步骤：(i)通过将2:1片状硅酸盐(A)用包含烷基铵盐的水和具有1‑4个碳原子的单醇的溶剂混合物处理而制备具有有序间层化的2:1片状硅酸盐，其中2:1片状硅酸盐(A)具有0.56p.f.u.至0.90p.f.u.的拉格利层电荷且间层至少交替地具有钠阳离子，(ii)将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐与烷基铵盐的溶剂混合物分离，(iii)通过将具有有序间层化并在(ii)下分离的2:1片状硅酸盐引入水中而将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐分层以产生包含片状硅酸盐薄片的水分散体，(iv)将片状硅酸盐薄片与(iii)下制备的分散体分离，其特征在于片状硅酸盐薄片具有至少10 000的平均纵横比。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.01 EP 17154175.81.可通过将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐在水中分层而得到的片状硅酸盐薄片，至少包括步骤：(i)通过将2:1片状硅酸盐(A)用包含烷基铵盐的水和具有1-4个碳原子的单醇的溶剂混合物处理而制备具有有序间层化的2:1片状硅酸盐，其中2:1片状硅酸盐(A)具有0.56p.f.u.至0.90p.f.u.的拉格利层电荷且间层至少交替地具有钠阳离子，(ii)将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐与烷基铵盐的溶剂混合物分离，(iii)通过将具有有序间层化并在(ii)下分离的2:1片状硅酸盐引入水中而将具有有序间层化的2:1片状硅酸盐分层以产生包含片状硅酸盐薄片的水分散体，(iv)将片状硅酸盐薄片与(iii)下制备的分散体分离，其特征在于片状硅酸盐薄片具有至少10000的平均纵横比。2.根据权利要求1的片状硅酸盐薄片，其特征在于(i)中所用烷基铵盐的烷基链中具有2-8个碳原子。3.根据权利要求1或2的片状硅酸盐薄片，其特征在于(i)中的水和具有1-4个碳原子的单醇的溶剂混合物中烷基铵盐的浓度为0.5-100.0毫摩尔/升。4.根据权利要求1-3中任一项的片状硅酸盐薄片，其特征在于水和乙醇的溶剂混合物用于(i)中。5.根据权利要求1-4中任一项的片状硅酸盐薄片，其特征在于2:1片状硅酸盐(A)为通过熔融合成制备的2:1片状硅酸盐。6.根据权利要求1-4中任一项的片状硅酸盐薄片，其特征在于2:1片状硅酸盐(A)为天然...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·卡洛，J·布罗伊，M·斯托特尔，M·达布，
申请(专利权)人：毕克化学有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE