close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12117

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 01B 33/00
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
(21) Номер заявки: a 20060132
(22) 2006.02.16
(43) 2007.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Злотников Игорь Иванович
(BY); Злотников Александр Игоревич (BY); Мельников Игорь Георгиевич (RU); Чен Марианна Игоревна
(RU)
BY 12117 C1 2009.08.30
BY (11) 12117
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(56) SU 345763, 1978.
SU 670536, 1979.
Наполнители для полимерных композиционных материалов. - Москва: Химия, 1981. - С. 180-181.
US 6071487 A, 2000.
EP 0578553 B1, 1997.
JP 10-59783 A, 1998.
JP 9-86918 A, 1997.
UA 55457 C2, 2003.
RU 2191159 C1, 2002.
JP 2-102113 U, 1990.
WO 01/47808 A1.
(57)
Способ получения диоксида кремния, включающий обработку водного раствора силиката натрия неорганическим реагентом, отделение осадка, промывку его водой, сушку и
прокаливание, отличающийся тем, что в качестве неорганического реагента используют
минеральную кислоту, промытый осадок замораживают путем охлаждения до температуры от - 5°C до - 10°С, затем осуществляют размораживание и сушку осадка путем нагрева
токами сверхвысокой частоты.
Изобретение относится к производству высокодисперсного осажденного диоксида
кремния, применимого в качестве наполнителей для полимеров, резинотехнических изделий, лакокрасочных материалов, загустителей для масел, а также носителей катализаторов.
Наиболее распространенным способом получения аморфного диоксида кремния является его осаждение из водных растворов силиката натрия при реакции с минеральной, например серной кислотой [1]. Образующийся гидрогель промывают водой для удаления
растворимых солей, образовавшихся при химической реакции, сушат и измельчают. Недостатком получаемого диоксида кремния является склонность его частиц к агрегатированию в процессе сушки. В результате после измельчения ксерогеля получают продукт со
сравнительно крупными размерами частиц (в среднем 20-25 мкм). Кроме того, способ
BY 12117 C1 2009.08.30
предполагает длительную промывку водой, так как натриевые соли, образующиеся при
осаждении, плохо вымываются из силикагеля.
Известен способ получения мелкодисперсного высокопористого диоксида кремния
[2], включающий добавление растворов силикатов натрия или калия с концентрацией 3-35
мас. % SiO2 к растворам аммонийных солей (NH4)2SO4, (NH4)2CO3, NH4HCO3, NH4Cl,
NH4NO3, NH4HCO2, NН4СН3СO2 с концентрацией от 5 до 40 мас. % при отношении SiO2 к
количеству аммонийной соли не более 2 с осаждением суспензии при температуре 3595 °С и скорости осаждения выше 300 г SiO2 на 1 л суспензии в 1 ч, по окончании осаждения полученный гидрогель подвергают дополнительной обработке растворами аммонийных солей с концентрацией 5-15 мас. %. Полученный по данному способу диоксид
кремния обладает высокой дисперсностью, пористостью, влаго- и маслоемкостью. Недостатком способа является его сложность (силикат натрия не вливается в раствор соли, а
распыляется с помощью форсунок), длительность (фактически используется двойная обработка силиката натрия аммонийными солями) и высокая энергоемкость (осаждение и
обработка проводится при повышенной температуре).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения диоксида кремния (белой сажи), включающий обработку водного раствора
силиката натрия плотностью 1,04-1,08 г/см3 неорганическим реагентом - солью аммония,
например азотнокислой с концентрацией 35-50 мас. % при температуре 5-15 °С, отделение
осадка, промывку осадка водой, сушку и прокаливание [3]. Получаемый продукт характеризуется высокой пористостью и удельной поверхностью. К недостаткам способа следует
отнести следующее. При осаждении диоксида кремния солями аммония происходит непрерывное выделение больших количеств аммиака, который частично улетучивается, что
создает его повышенную концентрацию в атмосфере рабочей зоны производственного
помещения и требует принятия защитных мер, а остальной растворяется в воде, которой
промывают осадок, что создает дополнительные неудобства с ее утилизацией. К недостаткам способа можно отнести необходимость проведения осаждения при низких температурах (5-15 °С) и использование раствора силиката натрия только плотностью 1,04-1,08
г/см3. Кроме того, получаемый по известному способу диоксид кремния не всегда характеризуется высокой дисперсностью и удельной поверхностью, хотя в некоторых случаях
она и доходит до 200 м2/г. При использовании полученного диоксида кремния в качестве
наполнителя для полимеров или загустителя для смазок полученные материалы характеризуются невысокими физико-механическими показателями.
Задачей изобретения является расширение возможностей применения способа, его упрощение и улучшение качества получаемого диоксида кремния.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения диоксида кремния, включающем обработку водного раствора силиката натрия неорганическим реагентом, отделение осадка, промывку его водой, сушку и прокаливание, согласно изобретению, в качестве неорганического реагента используют минеральную кислоту, промытый
осадок замораживают путем охлаждения до температуры от - 5 °С до - 10 °С, затем осуществляют размораживание и сушку осадка путем нагрева токами сверхвысокой частоты.
Сущность изобретения заключается в следующем. Использование для обработки водного раствора силиката натрия минеральной кислоты вместо солей аммония более удобно
технологически, так как не сопровождается выделением аммиака и может осуществляться
в более широком диапазоне концентраций и температур, чем по известному способу.
В отличие от обычного нагрева, при нагреве токами сверхвысокой частоты (СВЧ)
электромагнитная энергия поглощается компонентами материала по разному, в зависимости от диэлектрических свойств каждой составляющей, и в материале создается высокий
градиент температур. Высокий градиент температур приводит к образованию в частицах
высыхающего кремнегеля участков с большими термомеханическими напряжениями и их
растрескиванию, что повышает дисперсность готового продукта. Сильное поглощение
2
BY 12117 C1 2009.08.30
электромагнитной энергии водой, находящейся в микропорах гидрогеля, приводит к ее
закипанию еще задолго до того, как температура материала достигнет 100 °С, что приводит к вспучиванию и разрыхлению частиц кремнезема. Сушку проводят до содержания
влаги в полученном кремнеземе около 1 мас. %. Если диоксид кремния используется непосредственно после приготовления, то проводят его прокаливание при температуре 600700 °С, если предполагается хранение, то прокаливание целесообразно проводить непосредственно перед использованием.
Дополнительное увеличение качества получаемого кремнезема можно получить, если
перед сушкой влажный осадок заморозить путем охлаждения до температуры - 5 ÷ - 10 °С
и размораживание осуществить путем нагрева токами СВЧ. Замораживание влажного
гидрогеля приводит к переходу всей свободной воды в лед, что вызывает увеличение объема, занимаемого водой, в микропорах примерно на 9 % за счет уменьшения плотности
льда по сравнению с водой. Это дополнительно разрушает частицы кремнезема и препятствует их структурированию. При размораживании из-за рекристаллизации кристаллы
льда изменяют свою форму и также разрушают частицы диоксида кремния и их агломераты. При этом если при обычной тепловой обработке температурное поле движется от
внешних краев материала к центру, то при микроволновом нагреве распределение тепловой энергии в материале оказывается противоположным - максимум температуры находится в середине тела. Это способствует разрыхлению диоксида кремния, уменьшению
размера его частиц и увеличению удельной поверхности.
Замораживать путем охлаждения влажного продукта до температур более высоких, чем
5 °С, нецелесообразно, так как в этом случае в продукте возможно наличие микрообластей с
незамерзшей водой, а замораживание при температурах ниже - 10 °С не приводит к дополнительному положительному эффекту, но требует дополнительного времени и затрат энергии.
Предлагаемый способ прост в осуществлении, экологически чист, не требует сложного и специального оборудования и может быть осуществлен как в условиях экспериментальной лаборатории, так и в условиях крупнотоннажного промышленного производства,
что расширяет возможности его применения. Предлагаемый способ получения диоксида
кремния реализован следующим образом.
Пример 1
В раствор силиката натрия (жидкого стекла) плотностью 1,10 г/см3 вводили 15 % раствор серной кислоты в количестве, обеспечивающем водородный показатель получаемой
суспензии pH = 7-8. Осадок отфильтровывали, промывали, раскладывали на поддоны из
фторопласта, помещали в морозильную камеру с температурой - 10 °С и выдерживали до
выравнивания температур. Замороженный продукт извлекали из морозильной камеры и
помещали в микроволновую печь типа MSD-2000 (производитель СЕМ Corp., США) с рабочей частотой 2450 МГц, где происходили размораживание и последующая сушка диоксида кремния до содержания влаги около 1 %. Сухой диоксид кремния прокаливали в
печи при температуре 650 °С в течение 1 часа.
Пример 2
В раствор силиката натрия плотностью 1,05 г/см3 вводили 20 % раствор азотной кислоты в количестве, обеспечивающем водородный показатель получаемой суспензии
pH = 7-8. Суспензию отфильтровывали, промывали проточной водой, раскладывали на
поддоны и помещали в морозильную камеру с температурой t = - 5 °С, где выдерживали
до охлаждения - 5 °С. Замороженный продукт извлекали из морозильной камеры и помещали в микроволновую печь. Сушку проводили до содержания влаги около 1 %. Высушенный диоксид кремния прокаливали в печи при температуре 700 °С в течение 1 часа.
Пример 3
В раствор силиката натрия плотностью 1,10 г/см3 вводили 15 % раствор азотной кислоты в количестве, обеспечивающем водородный показатель получаемой суспензии
pH = 7-8. Суспензию отфильтровывали, промывали, раскладывали на поддоны, помещали
3
BY 12117 C1 2009.08.30
в морозильную камеру с температурой t = - 10 °С и выдерживали до выравнивания температур. Замороженный продукт извлекали из морозильной камеры и помещали в микроволновую печь, где происходили размораживание и последующая сушка диоксида
кремния до содержания влаги около 1 %. Высушенный диоксид кремния прокаливали в
печи при температуре 650 °С в течение 1 часа.
Пример 4 (контрольный)
В раствор силиката натрия плотностью 1,05 г/см3 при интенсивном перемешивании
вводили 20 % раствор азотной кислоты в количестве, обеспечивающем водородный показатель получаемой суспензии pH = 7-8. Суспензию отфильтровывали, промывали проточной водой, раскладывали на поддоны из фторопласта и сушили в микроволновой печи до
содержания влаги около 1 %. Высушенный диоксид кремния прокаливали в печи при температуре 700 °С в течение 1 часа.
Пример 5 (по прототипу)
Из раствора силиката натрия плотностью 1,05 г/см3 осаждали кремнегель путем введения
40 % раствора азотнокислого аммония при температуре 10 °С. Полученную суспензию отфильтровывали, промывали проточной водой, сушили и прокаливали при температуре 650700 °С. Сравнительные свойства получаемого диоксида кремния приведены в табл. 1.
Как следует из приведенных в табл. 1 данных, диоксид кремния, полученный по предлагаемому способу, обладает более высокими показателями, чем полученный по прототипу. Контрольный пример 4 показывает, что проведение сушки гидрогеля путем
микроволнового нагрева без предварительного замораживания приводит к снижению показателей получаемого продукта. Таким образом, только полное сочетание отличительных
признаков приводит к достижению положительного результата.
Таблица 1
Свойства диоксида кремния
Диоксид кремния по примерам
Показатель
1
2
3
4 контрольн.
5 прототип
3
Плотность, кг/м
2160
2150
2150
2160
2160
3
Насыпная плотность, кг/м
138
120
125
160
195
Маслоемкость, г/100 г
165
185
172
150
105
pH водной вытяжки
7-8
7-8
7-8
7-8
7-8,5
Маслоемкость (маслопоглощение) диоксида кремния определяли по ГОСТ 21119.8-75.
При определении плотности измеряли массу диоксида кремния и его истинный объем по
объему воды, вытесненной порошком диоксида кремния. При определении насыпной
плотности измеряли объем, занимаемый навеской диоксида кремния при свободной засыпке через воронку в мерный цилиндр.
Для изучения возможности и эффективности использования диоксида кремния в качестве загустителя при получении силикагелевых смазок его добавляли в нефтяное масло
марка И-40А в количестве 8 мас. %. Сначала диоксид кремния растирали в фарфоровой
ступке с частью масла до получения однородной пластичной массы, а затем полученную
массу вводили в разогретое до температуры 70-80 °С масло и перемешивали с помощью
лопастной мешалки. После остывания смазки проводили ее испытания. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Свойства смазок, загущенных диоксидом кремния
Диоксид кремния по примерам
Показатель
1
2
3
4 прототип
Температура каплепадения, °С
135
150
150
125
Предел прочности при 20 °С, Па
315
345
350
220
Критическая нагрузка заедания, Н
620
690
680
500
4
BY 12117 C1 2009.08.30
Как следует из данных табл. 2, использование диоксида кремния, изготовленного по
предлагаемому способу, позволяет получать силикагелевые смазки с более высокими показателями, чем при использовании диоксида кремния, изготовленного по способупрототипу.
Предел прочности смазки определяли на приборе К-2 по ГОСТ 7143-73. Температуру
каплепадения определяли по ГОСТ 6793-74 при помощи термометра типа ТН-4. Критическая нагрузка заедания была установлена путем испытания смазки на четырехшариковой
машине трения по ГОСТ 9490-75.
Для изучения эффективности использования диоксида кремния в качестве наполнителя полимеров его вводили в количестве 15 мас. % в фенолоформальдегидную смолу марки
СФЖ-3027Б. После высушивания из полученного материала изготавливали образцы методом горячего прессования при температуре 160 ± 10 °С и давлении 60 ± 5 МПа. Свойства полученных композиционных материалов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Свойства фенолоформальдегидной смолы, наполненной диоксидом кремния
Диоксид кремния по примеБез наполрам
Показатель
нения
4 прото1
2
3
тип
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа
680
820 890 910
750
Термостойкость, °С
310
350 360 360
330
Как следует из приведенных данных, диоксид кремния, полученный по предлагаемому способу, позволяет значительно повышать механическую прочность и термостойкость
полимеров по сравнению с диоксидом кремния, полученным по прототипу.
Разрушающее напряжение при сжатии определяли по ГОСТ 4651-82. Термостойкость
определяли по данным термогравиметрии на дериватографе Q-1500D. За количественную
характеристику термостойкости принимали температуру, при которой начиналась интенсивная потеря массы образца.
Источники информации:
1. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Под ред. Г.С. Каца,
Д.В. Милевски.- М.: Химия, 1981.- С. 179-181.
2. Патент РФ № 2235684, МПК С 01В 33/18, 2004.
3. А.с. СССР № 345763, МПК С 01В 33/12, С 09С 1/30, 1978 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
99 Кб
Теги
by12117, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа