PL208821B1

PL208821B1 - Sposób wytwarzania modyfikowanego kaolinu

Info

Publication number: PL208821B1
Application number: PL380473A
Authority: PL
Inventors: Tadeusz Słonka; Józef Głowiński; Adam Hałat; Teresa Baczyńska; Kazimierz Orzechowski
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2011-06-30
Also published as: PL380473A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania modyfikowanego kaolinu o zwiększonej, bardzo rozwiniętej powierzchni właściwej.

Kaolin, którego głównym składnikiem jest minerał kaolinit-glinokrzemian typu 1:1 o wzorze Al2(OH)4Si2O5 jest pożądanym surowcem w przemyśle ceramicznym, materiałów ogniotrwałych, papierniczym i gumowym. W mniejszej skali zużywany jest również w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym w produkcji katalizatorów, emalii, środków adhezyjnych i innych. W każdej konkretnej dziedzinie produkcji wymagany zespół własności kaolinu jest nieco inny. W przemyśle gumowym i kilku innych dziedzinach jak np. wytwarzaniu katalizatorów, nośników, środków adsorpcyjnych podstawowe znaczenie ma wielkość powierzchni właściwej. Znanych jest wiele sposobów modyfikowania własności kaolinów zmierzających do zwiększenie jego powierzchni właściwej. Rozwinięcie powierzchni ma znaczenie w zastosowaniu kaolinu jako napełniacza do gumy, tworzyw, nośnika herbicydów czy akarycydów, adsorbenta lub nośnika katalizatorów. W niektórych zastosowaniach ważna jest nie tylko bezwzględna wartość powierzchni właściwej, ale i jej charakter. W naturalnym stanie powierzchnia kaolinu ma własności hydrofilowe. ale przez odpowiednią modyfikację można w mniejszym lub większym stopniu przekształcić ją w hydrofobową. Powierzchnię właściwą kaolinu na ogół zwiększa się metodami fizycznymi przez odseparowanie odpowiedniej frakcji ziarnowej albo zastosowanie odpowiednich młynów, w których można w mniejszym lub większym stopniu zdelaminować kaolin.

Z literatury znane są sposoby polegające na interkalacji kaolinitu różnymi substancjami i następnie ich deinterkalacji, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia powierzchni właściwej. Z amerykańskiego patentu nr US 6022821. znany jest sposób polegający na wielokrotnym powtarzaniu procesu interkalowania i wymywania. Z literatury znany jest również proces kalcynacji produktu otrzymanego w wyniku wielokrotnej interkalacji i deinterkalacji polegający na ogrzewaniu go przez 1 godzinę w temperaturze 550°C. Sposób ten jest jednak mało efektywny ze względu na duże zużycie odczynników, zanieczyszczenie środowiska i pracochłonność.

Sposób według wynalazku polega na tym. że zawarty w kaolinie, kaolinit interkalowany substancjami, wybranymi z grupy obejmującej, silnie polarne cząsteczki związków organicznych o niewielkich rozmiarach lub sole metali alkalicznych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, poddaje się działaniu mikrofal w sposób umożliwiający jak najszybszy wzrost temperatury, korzystnie mikrofal o czę stotliwoś ci 2.45 GHz i/lub 915 MHz, przez czas od 30 sekund do 30 minut i przy mocy mikrofalowej od 300 W do 30 kW.

Zgodnie ze sposobem procesowi obróbki mikrofalowej poddaje się jednokrotnie interkalowany kaolinit w postaci wysuszonej lub wilgotnej po odwirowaniu lub w postaci zawiesiny.

Działaniu mikrofal poddaje się interkalat kaolinitu, otrzymany w bezpośredniej reakcji kaolinitu z cząsteczkami zdolnymi do wnikania do jego sieci lub interkalat wtórny, otrzymany przez wyparcie tych cząsteczek innymi substancjami.

Otrzymany zmodyfikowany kaolin charakteryzuje się rozwiniętą powierzchnią właściwą, kwalifikującą produkt do praktycznie nieograniczonych zastosowań. Sposób według wynalazku przeznaczony jest tylko do modyfikacji interkalowanego kaolinu i daje znakomity efekt nawet przy jednokrotnej interkalacji.

Interkalaty kaolinitu są kompozytami w skali cząsteczkowej złożonymi z dielektrycznych pakietów kaolinitowych i warstw polarnych cząsteczek powiązanych z pakietami wiązaniami wodorowymi. Własności dielektryczne interkalatów kaolinitu są różne w zależności od własności interkalowanej cząsteczki, ale w każdym przypadku zdolność do absorpcji mikrofal i przekształcania ich w ciepło jest dla interkalatu większa niż dla czystego kaolinu.

W tabeli 1 podano wartoś ci parametrów ε ' i ε '' dla wybranych interkalatów i czystego kaolinu, przy czym stała dielektryczna ε' jest miarą polaryzowalności elektrycznej, a dielektryczny czynnik strat ε'' reprezentuje energię oddziaływań dipoli i ładunków z polem elektromagnetycznym, która to energia jest rozpraszana w materiale w postaci ciepła.

PL 208 821 B1

T a b e l a 1.

Wartości parametrów dielektrycznych wysuszonych próbek kaolinu Maria (MO) i interkalatów z mocznikiem, N-metyloformamidem (NMF) i octanem potasu (OP) dla częstotliwości 2.45 GHz.

Materiał	ε'	ε''	ε''/ε'
kaolin MO	2,1	0,14	0,066667
MO-mocznik	2,44	0,17	0,069672
MO-NMF	3,07	0,28	0,091205
MO-OP	2,69	0,23	0,085502

Polarne cząsteczki interkalowane w kaolinicie absorbują energię mikrofal, ogrzewają się i ulegają rozkładowi w przestrzeniach międzypakietowych. Jeśli rozkład zachodzi dostatecznie szybko i objętość produktów rozkładu jest większa od objętości substratu może nastąpić rozerwanie wewnątrzpakietowych wiązań wodorowych i lokalne nieodwracalne rozerwanie pakietów. Skutkiem takiego procesu jest zwiększenie powierzchni właściwej a ponadto zmiana jej chemicznego charakteru będąca z kolei skutkiem chemicznej i fizycznej adsorpcji produktów rozkładu interkalowanych cząsteczek na powierzchni kaolinu. Suche interkalaty kaolinitu nagrzewają się szybciej w porównaniu z czystym kaolinem a wilgotne np.: po odwirowaniu z zawiesiny jeszcze szybciej. Powierzchnia właściwa produktów rozkładu różnych interkalatów kaolinitu różni się w zależności od rodzaju interkalatu i mocy mikrofalowej urządzenia i może być wielokrotnie większa od powierzchni właściwej próbki kaolinu wyjściowego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania i na wykresach ilustrujących widma rentgenowskie użytych interkalatów.

P r z y k ł a d 1

Interkalat MO-NMF w ilości 5 gramów odwirowuje się z zawiesiny kaolinu interkalowanego jedną ze znanych metod i umieszcza się w tyglu kwarcowym, a tygiel w falowodzie pieca mikrofalowego RM 800 pc, gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45 GHz, przez czas 5 minut, przy mocy mikrofalowej 500 W. Stopień interkalacji kaolinitu potwierdza się rentgenograficznie i w tym przypadku wynosił on około 100%, co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 1. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Oznaczona wartość powierzchni właściwej wynosi 31 m²/g.

P r z y k ł a d 2

Interkalat MO-NMF w ilości 5 gramów odwirowuje się z zawiesiny kaolinu interkalowanego jedną ze znanych metod i umieszcza się w tyglu kwarcowym a tygiel w falowodzie pieca mikrofalowego RM 800 pc, gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45 GHz, przez czas 5 minut, przy mocy mikrofalowej 800 W. Stopień interkalacji kaolinitu potwierdza się rentgenograficznie i w tym przypadku wynosił on 100%, co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 1. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Ozna₂ czona wartość wielkości powierzchni wyniosła 30,5 m²/g

P r z y k ł a d 3

Interkalat MO-octan potasu w ilości 5 gramów odwirowuje się z zawiesiny kaolinu interkalowanego jedną ze znanych metod i umieszcza się w tyglu kwarcowym, a tygiel w falowodzie pieca mikrofalowego RM 800 pc, gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45 GHz, przez czas 5 minut, przy mocy mikrofalowej 500 W. Stopień interkalacji kaolinitu potwierdza się rentgenograficznie i w tym przypadku wynosił on około 90%, co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 2. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Oznaczona p wartość wielkości powierzchni wynosi 42 m²/g.

P r z y k ł a d 4

Interkalat MO-octan potasu w ilości 5 gramów odwirowuje się z zawiesiny kaolinu interkalowanego jedną ze znanych metod i umieszcza się w tyglu kwarcowym a tygiel w falowodzie pieca mikrofalowego RM 800 pc, gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45 GHz, przez czas

PL 208 821 B1 minut, przy mocy mikrofalowej 800 W. Stopień interkalacji kaolinitu potwierdza się rentgenograficznie i w tym przypadku wynosił on około 90%, co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 2. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Oznaczona wartość powierzchni właściwej wynosi 44 m²/g.

P r z y k ł a d 5

Interkalat wtórny MO-dwumetyloacetamid w ilości 10 gramów otrzymany przez wyparcie dwumetyloacetamidem cząsteczek N-metyloformamidu z sieci kaolinitu, odwirowuje się z zawiesiny i umieszcza w tyglu kwarcowym a tygiel w falowodzie pieca mikrofalowego RM 800 pc, gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45GHz, przez czas 5 minut, przy mocy mikrofalowej 800 W. Stopień interkalacji kaolinitu potwierdza się rentgenograficznie i w tym przypadku wynosił on około 80%, co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 3. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Oznaczona wartość powierzchni właściwej wynosi 35 m²/g.

P r z y k ł a d 6

Interkalat wtórny MO-glikol etylenowy w ilości 10 gramów otrzymany przez wyparcie glikolem etylenowym cząsteczek octanu potasu z sieci kaolinitu. odwirowuje się z zawiesiny i umieszcza w tyglu kwarcowym, a tygiel w zwykłej jednomodowej kuchni mikrofalowej o mocy mikrofalowej 1000 W, w miejscu uprzednio zidentyfikowanym jako obszar o zwię kszonej gę stoś ci mocy gdzie poddaje się go działaniu mikrofal o częstotliwości 2.45 GHz, przez czas 4 minuty. Stopień interkalacji kaolinitu glikolem etylenowym określony rentgenograficznie wynosi około 90% co widać na widmie rentgenowskim przedstawionym na fig. 4. Po ostudzeniu próbki oznacza się jej powierzchnię właściwą metodą adsorpcji błękitu metylenowego. Oznaczona wartość powierzchni właściwej wynosi 47 m²/g.

Claims

1. Sposób wytwarzania modyfikowanego kaolinu, znamienny tym, że zawarty w kaolinie, kaolinit interkalowany substancjami, wybranymi z grupy obejmującej, silnie polarne cząsteczki związków organicznych o niewielkich rozmiarach lub sole metali alkalicznych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, poddaje się działaniu mikrofal w sposób umożliwiający jak najszybszy wzrost temperatury, korzystnie o częstotliwości 2.45 GHz i/lub 915 MHz, przez czas od 30 sekund do 30 minut i przy mocy mikrofalowej od 300 W do 30 kW.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że procesowi obróbki mikrofalowej poddaje się jednokrotnie interkalowany kaolinit w postaci wysuszonej lub wilgotnej po odwirowaniu lub w postaci zawiesiny.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że działaniu mikrofal poddaje się interkalat kaolinitu. otrzymany w bezpośredniej reakcji kaolinitu z cząsteczkami zdolnymi do wnikania do jego sieci.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że działaniu mikrofal poddaje się wtórny interkalat kaolinitu otrzymany przez wyparcie cząsteczek zdolnych do wnikania do jego sieci innymi substancjami.