Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов

Авторы патента:


Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов
Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов
Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов
Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов
Способ получения коллоидных частиц оксидов металлов

 

C01G1/02 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2557238:

У.Р. ГРЕЙС ЭНД КО.-КОНН. (US)

Настоящее изобретение относится к способам получения коллоидных частиц оксида металла (варианты), в частности диоксида кремния, а также к самим коллоидным частицам. Способ включает добавление химически активного оксида металла в реакционную емкость при оптимальной массовой скорости добавления оксида металла, которая основывается на математической модели, которая учитывает (i) скорость нуклеации частиц, (ii) скорость осаждения оксида металла на существующие частицы оксида металла и (iii) рост частиц оксида металла в реакционной емкости. Массовая скорость добавления оксида металла увеличивается как функция времени реакции. Введение затравочных частиц оксида металла в реакционную емкость осуществляют перед стадией добавления химически активного оксида металла. Оптимальная массовая скорость добавления оксида металла, q, представлена формулой: q = ( 3 m o G r / D p o 3 ) ( D p o + G r t ) 2 , где: mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости в граммах; Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц, в нанометрах в час; Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла в нанометрах; t представляет собой время в часах. Gr находится в пределах от примерно 10 до примерно 50 нм/час и q находится в пределах от примерно 10,6 до примерно 52,8 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции. Способы по изобретению являются более эффективными благодаря уменьшению периодов реакции, необходимых для получения коллоидных частиц оксида металла 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение направлено на способы получения коллоидных частиц оксида металла.

Уровень техники

В данной области продолжаются попытки получения коллоидных частиц оксида металла энергетически эффективным способом.

В данной области имеется необходимость в усовершенствованных способах получения коллоидных частиц оксидов металлов энергетически эффективным способом, оптимизируя при этом использование устройства.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает новые способы получения коллоидных частиц оксида металла. Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла делают возможным получение коллоидных частиц оксида металла при почти оптимальных условиях способа с тем, чтобы получать коллоидные частицы оксида металла очень эффективным способом. Кроме того, описываемые способы получения коллоидных частиц оксида металла делают возможным оптимальное использование реакционных емкостей благодаря уменьшению периодов реакции, необходимых для получения коллоидных частиц оксида металла.

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла включают стадию добавления одного или нескольких реагентов в реакционную емкость, где стадия добавления одного или нескольких реагентов учитывает различные условия реакции in situ, включая, но не ограничиваясь этим, по меньшей мере, один параметр из (i) скорости нуклеации частиц в реакционной емкости, (ii) скорости осаждения оксида металла на существующие частицы оксида металла (например, затравочные частицы оксида металла и/или нуклеированные частицы оксида металла) в реакционной емкости и/или (iii) роста частиц оксида металла (например, затравочных частиц оксида металла и/или нуклеированных частиц оксида металла) в реакционной емкости.

В одном из иллюстративных вариантов осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при массовой скорости добавления оксида металла, которая основывается на математической модели, которая учитывает, по меньшей мере, один параметр из (i) скорости нуклеации частиц, (ii) скорости осаждения оксида металла на существующие частицы оксида металла и/или (iii) роста частиц оксида металла в реакционной емкости, где массовая скорость добавления оксида металла увеличивается как функция времени реакции. В дополнительном варианте осуществления скорость добавления превышает 10,0 граммов химически активного оксида металла на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частиц в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции. Кроме того, еще в одном иллюстративном варианте осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла в соответствии с настоящим изобретением включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при массовой скорости добавления оксида металла в соответствии с математической моделью, которая дает оптимальную массовую скорость добавления оксида металла, q, как представлено формулой = (3moGr/Dpo3)(Dpo+Grt)2, где:

(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);

(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);

(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и

(d) t представляет собой время в часах (час).

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла могут включать стадию формирования нуклеированных частиц оксида металла и/или стадию роста затравочных частиц оксида металла. В одном из иллюстративных вариантов осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления одного или нескольких реагентов в реакционную емкость, (i) содержащую воду и (ii) по существу не содержащую никаких затравочных частиц оксида металла, где один или несколько реагентов способны образовывать нуклеированные частицы оксида металла; формирования нуклеированных частиц оксида металла в реакционной емкости и роста нуклеированных частиц оксида металла в реакционной емкости с получением коллоидных частиц оксида металла, где стадия роста включает увеличение скорости введения одного или нескольких реагентов в течение периода реакции.

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла делают возможным получение коллоидных частиц оксида металла энергетически эффективным способом с периодом реакции, значительно меньшим, чем обычные периоды реакции для получения коллоидных частиц оксида металла. В одном из иллюстративных вариантов осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при такой массовой скорости добавления оксида металла в течение периода реакции, чтобы получить коллоидные частицы оксида металла, имеющие средний конечный диаметр частиц, находящийся в пределах от примерно 10 нм до примерно 200 нм, где период реакции, самое большее, на 50% короче, чем сходный период реакции, использующей обычные технологии (например, постоянную скорость введения химически активного оксида металла). Например, используя настоящий способ, коллоидные частицы оксида металла, имеющие средний диаметр частиц в пределах от 20 до 30 нм, могут быть получены в течение периода реакции примерно от 21 до 28 минут, в то время как обычные способы получения коллоидных частиц оксида металла сходных размеров требуют периодов реакции, по меньшей мере, 30 минут, как правило, примерно от 31 до 40 минут.

В другом иллюстративном варианте осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при такой массовой скорости добавления оксида металла в течение периода реакции, чтобы получить коллоидные частицы оксида металла, имеющие диапазон средних конечных диаметров частиц в пределах от примерно 20 нм до примерно 200 нм, массовая скорость добавления оксида металла увеличивается, по меньшей мере, один раз в течение периода реакции. Увеличение массовой скорости добавления оксида металла может, например, представлять собой одностадийное увеличение или многостадийное увеличение.

Кроме того, настоящее изобретение направлено на способы использования коллоидных частиц оксида металла. В одном из иллюстративных способов использования коллоидных частиц оксида металла способ включает нанесение композиции коллоидных частиц оксида металла на подложку и сушку композиции коллоидных частиц оксида металла с формированием покрытия на подложке.

Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны после ознакомления со следующим далее подробным объяснением описываемых вариантов осуществления и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание фигур

Фиг.1 графически изображает (i) скорость нуклеации химически активного оксида металла и (ii) скорость осаждения химически активного оксида металла на существующие частицы при изменении концентрации химически активного оксида металла;

Фиг.2 графически изображает условия, которые благоприятно влияют на (i) скорость осаждения химически активного оксида металла на существующие частицы, (ii) нуклеацию новых коллоидных частиц оксида металла, и (iii) как на (i), так и на (ii) при изменении концентрации химически активного оксида металла;

Фиг.3 графически изображает уменьшение времени реакции, необходимого для получения коллоидных частиц оксида металла, имеющих средний диаметр частицы 22 нм с использованием (i) оптимизированной скорости введения химически активного оксида металла по настоящему изобретению и (ii) постоянной скорости введения химически активного оксида металла, используемой в обычных способах;

Фиг.4 графически изображает ступенчатое добавление химически активного оксида металла с использованием оптимизированных способов по настоящему изобретению с тем, чтобы точно следовать оптимальной скорости введения; и

Фиг.5 графически изображает размер частиц и площадь поверхности коллоидных частиц диоксида кремния, получаемых с помощью оптимизированных способов по настоящему изобретению, по сравнению с коллоидными частицами оксида кремния, получаемыми с помощью обычных способов (то есть при постоянной скорости введения химически активного оксида кремния).

Подробное описание изобретения

С целью облегчения понимания настоящего изобретения далее следуют описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что частные варианты воплощения изобретения не ограничивают изобретение, а носят чисто иллюстративный характер. Изменения, дополнительные модификации, и такие другие применения принципов настоящего изобретения, которые обсуждаются, рассматриваются как обычно встречающиеся специалистам в той области, к которой относится настоящее изобретение, могут иметь место.

Необходимо отметить, что, как используется в настоящем документе и в прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если только контекст не диктует четко иного. Таким образом, например, ссылка на "оксид" включает множество таких оксидов и ссылка на "оксид" включает ссылку на один или несколько оксидов и эквивалентов, известных специалисту в данной области, и так далее.

"Примерно", модифицирующий, например, количество ингредиентов в композиции, концентрации, объемы, температуры способа, времена способа, степени извлечения или выходы, скорости потоков и сходные значения, и их диапазоны, используемые при описании вариантов осуществления настоящего описания, относится к разбросу численной величины, который может происходить, например, во время типичных процедур измерения и манипулирования; из-за неизбежной ошибки при этих процедурах; из-за различий в ингредиентах, используемых для осуществления способов; и тому подобных примерных соображений. Термин "примерно" также охватывает количества, которые различаются из-за старения препарата или смеси с конкретной начальной концентрацией, и количества, которые различаются из-за смешивания или обработки препарата или смеси с конкретной начальной концентрацией. Модифицируются ли они с помощью термина "примерно" или нет, пункты прилагаемой формулы изобретения включают эквиваленты этих величин.

Как используется в настоящем документе, "оксиды металла" определяются как бинарные соединения кислорода, где металл является катионом, а оксид является анионом. Металлы могут также содержать металлоиды. Металлы включают те элементы, которые расположены слева от диагональной линии, проведенной от бора до полония в Периодической таблице. Металлоиды или полуметаллы включают те элементы, которые находятся на этой линии. Примеры оксида металла включают оксид кремния, оксид алюминия, оксид титана, циркония и тому подобное, и их смеси.

Настоящее изобретение направлено на способы получения коллоидных частиц оксида металла. Кроме того, настоящее изобретение направлено на коллоидные частицы оксида металла, на композиции, содержащие коллоидные частицы оксида металла, а также на способы использования коллоидных частиц оксида металла. Описание иллюстративных коллоидных частиц оксида металла, способов получения коллоидных частиц оксида металла и способов использования коллоидных частиц оксида металла приводятся ниже.

I. Способы получения коллоидных частиц оксида металла

Настоящее изобретение направлено на способы получения коллоидных частиц оксида металла. Исходные материалы, используемые для получения коллоидных частиц оксида металла по настоящему изобретению, а также стадии способа получения коллоидных частиц оксида металла по настоящему изобретению обсуждаются ниже.

A. Исходные материалы

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла могут использовать один или несколько исходных материалов для получения коллоидных частиц оксида кремния, но альтернативные исходные материалы могут использоваться для получения других типов коллоидных материалов на основе оксида металла, таких как коллоидные частицы оксида алюминия, коллоидные частицы оксида титана, коллоидные частицы циркония и тому подобное, и их сочетаний.

1. Силикаты

Способы получения коллоидных частиц оксида кремния могут использовать один или несколько исходных материалов, содержащих кремний. Пригодные для использования исходные материалы, содержащие кремний, включают, но не ограничиваются этим, силикаты, такие как силикаты щелочных металлов. Желательно, чтобы один или несколько силикатов щелочных металлов использовались для получения коллоидных частиц диоксида кремния. Пригодные для использования силикаты щелочных металлов включают, но не ограничиваются этим, силикат натрия, силикат калия, силикат кальция, силикат лития, силикат магния и их сочетания.

Пригодные для использования коммерчески доступные силикаты включают, но не ограничиваясь этим, силикаты натрия и калия, коммерчески доступные из ряда источников, включая PQ Corporation (Valley Forge, PA) и Zaclon, Inc. (Cleveland, OH).

2. Ионообменные смолы

Любой отдельный силикат или сочетание силикатов может взаимодействовать с одной или несколькими катионообменными смолами с получением коллоидных частиц диоксида кремния в описанных способах. Пригодные для использования катионообменные смолы по настоящему изобретению включают, но не ограничиваются этим, сильнокислотные катионные смолы (SAC), слабокислотные катионные смолы (WAC) и их сочетания.

Пригодные для использования коммерчески доступные катинообменные смолы включают, но не ограничиваются этим, катионообменные смолы, коммерчески доступные из ряда источников, включая Purolite Corporation (Bala Cynwyd, PA), такие как те, которые продаются под торговым обозначением PUROLITE®, и Dow Chemical (Midland, Ml), такие как те, которые продаются под торговым обозначением DOWEX®.

Как правило, одну или несколько катионообменных смол добавляют в реакционную емкость при такой скорости добавления смолы, чтобы поддерживать pH реакционной емкости примерно между 8,0 и примерно 10,0, желательно примерно между 9,2 и примерно 9,6.

3. Затравочные частицы оксида металла

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения затравочные частицы оксида металла используют в качестве начального исходного материала. В этих вариантах осуществления могут использоваться затравочные коллоидные частицы оксида металла от ряда поставщиков. Пригодные для использования затравочные коллоидные частицы оксида металла для использования в настоящем изобретении включают, но не ограничиваются этим, затравочные коллоидные частицы оксида металла, такие как коллоидные частицы оксида кремния, коммерчески доступные от Nissan Chemical America Corporation (Houston, TX) и Eka Chemicals, Inc. (Marietta, GA).

B. Стадии способа

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла включают ряд стадий, как обсуждается ниже.

1. Подготовка реакционной емкости

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла делают возможным получение коллоидных частиц оксида металла энергетически эффективным способом с периодом реакции, значительно меньшим чем обычные периоды реакции для получения коллоидных частиц оксида металла. В одном из иллюстративных вариантов осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления одного или нескольких реагентов в реакционную емкость, (i) содержащую воду и (ii) по существу не содержащую никаких затравочных частиц оксида металла, где один или несколько реагентов способны образовывать нуклеированные частицы оксида металла. В этом варианте осуществления стадия подготовки реакционной емкости просто включает добавление желаемого количества деионизованной (DI) воды в реакционную емкость.

В других вариантах осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления одного или нескольких реагентов в реакционную емкость, содержащую (i) деионизованную (DI) воду и (ii) затравочные частицы оксида металла, где один или несколько реагентов способны образовывать нуклеированные частицы оксида металла и/или вызывать рост затравочных частиц оксида металла. В этом варианте осуществления стадия подготовки реакционной емкости включает добавление (i) желаемого количества деионизованной (DI) воды и (ii) желаемого количества затравочных частиц оксида металла в реакционную емкость. Когда они используются, затравочные частицы оксида металла, как правило, имеют начальный средний размер частиц (то есть самый большой размер), находящийся в пределах от примерно 5 нм до примерно 15 нм.

2. Добавление химически активного оксида металла

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла включают стадию добавления одного или нескольких из описанных выше реагентов в реакционную емкость, где стадия добавления одного или нескольких реагентов учитывает различные условия реакции in situ, включая, но не ограничиваясь этим, по меньшей мере, один параметр из (i) скорости нуклеации частиц в реакционной емкости, (ii) скорости осаждения оксида металла на существующих частицах оксида металла (например, на затравочных частицах оксида металла и/или нуклеированных частицах оксида металла) в реакционной емкости и/или (iii) роста частиц оксида металла (например, затравочных частиц оксида металла и/или нуклеированных частиц оксида металла) в реакционной емкости. Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла балансируют скорость введения реагентов со скоростью осаждения химически активного оксида металла на существующие частицы оксида металла, с тем чтобы контролировать степень пересыщения химически активного оксида металла в фазе раствора.

В одном из иллюстративных вариантов осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при массовой скорости добавления оксида металла, которая основывается на математической модели, которая учитывает, по меньшей мере, один параметр из (i) скорости нуклеации частиц, (ii) скорости осаждения оксида металла на существующие частицы оксида металла и/или (iii) роста частиц оксида металла в реакционной емкости, где массовая скорость добавления оксида металла увеличивается как функция времени реакции. В дополнительном варианте осуществления скорость добавления больше чем 10,0 грамм химически активного оксида металла на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частиц в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции. Еще в одном дополнительном иллюстративном варианте осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла в соответствии с настоящим изобретением включает стадию добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость при массовой скорости добавления оксида металла, находящейся в соответствии с математической моделью, которая дает оптимальную массовую скорость добавления оксида металла, q, как представлено формулой = (3moGr/Dpo3)(Dpo+Grt)2, где:

(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);

(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);

(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и

(d) t представляет собой время в час (час).

В некоторых вариантах осуществления Gr находится в пределах от примерно 10 до примерно 50 нм/час, и q находится в пределах от примерно 10,6 до примерно 52,8 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции. В других вариантах осуществления Gr находится в пределах от примерно 20 до примерно 40 нм/час, и q находится в пределах от примерно 21,1 до примерно 42,3 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

Фиг.1 графически изображает график (i) скорости нуклеации, RN, химически активного оксида металла и (ii) скорости осаждения, Dr, химически активного оксида металла на существующие частицы, при изменении концентрации химически активного оксида металла. Как показано на фиг.1, нуклеация не имеет места до тех пор, пока (i) концентрация химически активного оксида металла не превысит концентрацию насыщения, Cs, и (ii) не достигнет критического уровня перенасыщения, определяемого как Cc. В этот момент нуклеация происходит при экспоненциальной скорости, в то время как скорость осаждения продолжает оставаться в линейной зависимости при увеличении концентрации химически активного оксида металла.

Фиг.2 графически изображает условия способа, которые благоприятно влияют на (i) скорость осаждения химически активного оксида металла на существующие частицы (то есть при концентрациях химически активного оксида металла, меньших чем Cc), (ii) на нуклеацию новых коллоидных частиц оксида металла (то есть при концентрациях химически активного оксида металла выше Cc), и (iii) как на (i), так и на (ii) (то есть при концентрациях химически активного оксида металла выше Cc и ниже концентрации CN, показанных на фиг.2) при увеличении концентрации химически активного оксида металла. Когда концентрация химически активного оксида металла повышается выше CN, показанной на фиг.2, условия способа значительно более благоприятно влияют на нуклеацию новых частиц оксида металла, чем на осаждение оксида металла на существующие частицы.

3. Завершение стадии образования частиц

После достижения желаемого размера частиц оксида металла добавление реагентов в реакционную емкость прекращают, и некоторое количество деионизованной воды добавляют в реакционную емкость для гашения реакции.

4. Стадия фильтрования

После стадии гашения может использоваться стадия фильтрования (например, стадия ультрафильтрования) для удаления нежелательных солей, возникающих в результате реакции одной или нескольких катионообменных смол с одним или несколькими исходными материалами оксидов металлов.

C. Преимущества способа

Описанные способы получения коллоидных частиц оксида металла делают возможным получение коллоидных частиц оксида металла, в то же время оптимизируя использование времени реактора и энергии. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления способ получения коллоидных частиц оксида металла делает возможным получение коллоидных частиц оксида металла, имеющих средний конечный диаметр частицы, находящийся в пределах от примерно 30 нм до примерно 200 нм, в течение периода реакции, который представляет собой 50% уменьшение периода реакции, необходимого для получения таких же коллоидных частиц оксида металла с использованием обычных способов.

Фиг.3 графически изображает уменьшение времени реакции, необходимого для получения коллоидных частиц диоксида кремния, имеющих средний диаметр частицы 22 нм, с использованием (i) оптимизированной скорости введения химически активного оксида кремния по настоящему изобретению и (ii) постоянной скорости введения химически активного оксида кремния, используемой в обычных способах.

Фиг.4 графически изображает ступенчатое добавление химически активного оксида кремния с использованием оптимизированных способов по настоящему изобретению, с тем чтобы точно следовать оптимальной скорости введения. Как показано на фиг.4, описанные способы получения коллоидных частиц оксида кремния могут включать одно или несколько ступенчатых увеличений скорости введения химически активного оксида кремния в течение заданного периода реакции. Хотя на фиг.4 показаны только двухступенчатый или трехступенчатый способ, в настоящем изобретении может использоваться любое количество ступенчатых увеличений скорости введения химически активного оксида кремния, для точного следования оптимальной скорости введения, обозначенной с помощью "оптимальной" линии, показанной на фиг.4.

II. Полученные коллоидные частицы оксида металла

Коллоидные частицы оксида металла, полученные в описанных выше способах по настоящему изобретению, имеют физическую структуру и свойства, сходные с коллоидными частицами оксида металла, полученными в обычных способах получения коллоидных частиц оксида металла, как описано ниже.

A. Размеры частиц оксида металла

Коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению имеют сферическую форму частицы со средним самым большим размером частиц (то есть с диаметром, соответствующим самому большому размеру). Как правило, коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению имеют средний наибольший размер частиц, меньший примерно чем 700 мкм, чаще меньший примерно чем 100 мкм. В одном из желательных вариантов осуществления настоящего изобретения коллоидные частицы оксида металла имеют средний наибольший размер частиц от примерно 10,0 до примерно 100 мкм, более желательно от примерно 10,0 до примерно 30 мкм.

Коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению, как правило, имеют аспектное отношение меньше примерно чем 1,4, как измерено, например, с использованием методик трансмиссионной электронной микроскопии (TEM). Как используется в настоящем документе, термин "аспектное отношение" используют для описания отношения между (i) средним наибольшим размером частиц коллоидных частиц оксида металла и (ii) средним наибольшим размером частиц в поперечном сечении для коллоидных частиц оксида металла, где направление поперечного сечения частицы по существу перпендикулярно направлению самого большого размера частицы для коллоидной частицы оксида металла. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения коллоидные частицы оксида металла имеют аспектное отношение меньше примерно чем 1,3 (или меньше примерно чем 1,2, или меньше примерно чем 1,1, или меньше примерно чем 1,05). Как правило, коллоидные частицы оксида металла имеют аспектное отношение от примерно 1,0 до примерно 1,2.

B. Площадь поверхности частиц оксида металла

Коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению имеют среднюю площадь поверхности, сходную с коллоидными частицами оксида металла, полученными с помощью обычных способов. Как правило, коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению имеют среднюю площадь поверхности в пределах от примерно 90 м2/г до примерно 180 м2/г. Желательно, чтобы коллоидные частицы оксида металла по настоящему изобретению имели среднюю площадь поверхности в пределах от примерно 100 м2/г до примерно 160 м2/г, более желательно от примерно 110 м2/г до примерно 150 м2/г.

Фиг.5 графически сравнивает коллоидные частицы оксида металла, в этом случае коллоидные частицы оксида кремния, получаемые с помощью оптимизированного способа по настоящему изобретению, с коллоидными частицами оксида кремния, получаемыми обычными способами (то есть неоптимизированного способа, а именно при постоянной скорости введения исходных материалов оксида металла). Как показано на фиг.5, коллоидные частицы оксида кремния, получаемые с помощью обычных способов, имеют средний размер частиц примерно 27,6 нм и среднюю площадь поверхности частиц примерно 136 м2/г, в то время как коллоидные частицы оксида кремния, полученные с помощью оптимизированного способа по настоящему изобретению, имеют средний размер частиц примерно 28,7 нм и среднюю площадь поверхности частицы примерно 142 м2/г.

Как показано на фиг.5, коллоидные частицы оксида металла (например, оксида кремния), полученные с помощью оптимизированного способа по настоящему изобретению, могут давать коллоидные частицы оксида металла, по существу сходные с теми, которые получают с помощью обычных способов. Однако, как обсуждается выше, коллоидные частицы оксида металла, полученные с помощью оптимизированного способа по настоящему изобретению, могут получаться гораздо более эффективным способом, с использованием времени реактора и энергии для способа, меньших даже чем 50% от известных из литературы значений.

III. Способы использования частиц оксида металла

Настоящее изобретение, кроме того, направлено на способы использования коллоидных частиц оксида металла, полученных в описанных выше способах. В одном из иллюстративных способов использования коллоидных частиц оксида металла способ включает нанесение композиции коллоидных частиц оксида металла на подложку и сушку композиции коллоидных частиц оксида металла, с тем чтобы получить покрытие на подложке. Соответствующие подложки включают, но не ограничиваются этим, бумагу, полимерную пленку, полимерную пену, стекло, металл, керамику и ткани.

В других иллюстративных вариантах осуществления способ использования коллоидных частиц оксида металла включает использование коллоидных частиц оксида металла в качестве абразивной/полирующей композиции для микроэлектроники или других изделий. В других иллюстративных вариантах осуществления способ использования коллоидных частиц оксида металла включает использование коллоидных частиц оксида металла в качестве добавки в красках для улучшения механических свойств высушенной пленки краски.

Примеры

Настоящее изобретение дополнительно иллюстрируется с помощью следующих далее примеров, которые не должны рассматриваться как накладывающие каким-либо образом ограничения на его рамки. Наоборот, необходимо ясно понять, что можно считать, что различные другие его варианты осуществления, модификации и эквиваленты, которые после прочтения описания в настоящем документе могут сами подсказать что-то специалисту в данной области без отклонения от духа настоящего изобретения и/или рамок прилагаемой формулы изобретения.

Пример 1

Получение коллоидных частиц оксида кремния с использованием затравочных частиц оксида кремния и оптимизированной скорости добавления силиката

28,4 килограммов (кг) (62,6 фунта (фунт)) деионизованной (DI) воды добавляют к 113,5-литровую (л) (30-галлонную (галлон)) нагреваемую, перемешиваемую емкость, в которую добавляют 4,9 кг (10,9 фунт) суспензии с 40% масс. твердых продуктов материала 12-нм коллоидного оксида кремния в качестве затравочного материала. Во время перемешивания смесь нагревают и поддерживают при температуре в пределах 90-96°C. Затем в емкость одновременно добавляют силикат натрия (29% масс. SiO2, 9% масс. Na2O) и сильнокислотную ионообменную смолу при начальной скорости добавления силиката, эквивалентной 167,8 граммов (г) SiO2/мин (0,37 фунт SiO2/мин). Через 10 минут скорость добавления силиката увеличивают до 317,5 г SiO2/мин (0,70 фунт SiO2/мин) и поддерживают при этой более высокой скорости в течение дополнительных 11 минут.

В течение способа скорость добавления смолы контролируют для поддержания pH емкости в пределах между 9,2 и 9,6. Через 21 минуту добавления силиката добавление обоих материалов прекращают и реакцию гасят посредством добавления DI воды.

Полученный продукт, как определено, имеет размер частиц 22+2 нм с минимальным показателем дополнительной нуклеации мелких частиц.

Сравнительный пример 1

Получение коллоидных частиц диоксида кремния с использованием затравочных частиц оксида кремния и постоянной скорости введения силиката

Процедуру примера 1 повторяют, за исключением того, что в течение способа поддерживают скорость добавления силиката, равную 167,8 граммов (г) SiO2/мин (0,37 фунт SiO2/мин). Скорость добавления смолы контролируют для поддержания pH емкости в пределах между 9,2 и 9,6. Этот способ продолжают осуществлять в течение 31 минуты, после чего добавление силиката и ионообменной смолы прекращают и реакцию роста гасят посредством добавления DI воды.

Полученный продукт, как определено, имеет размер частиц 22+2 нм.

Хотя настоящее изобретение описывается с помощью ограниченного количества вариантов осуществления, эти конкретные варианты осуществления не предназначены для ограничения рамок настоящего изобретения, как они иным образом описываются и заявляются в настоящем документе. Специалистам в данной области при ознакомлении с иллюстративными вариантами осуществления в настоящем документе может быть ясно, что возможны дополнительные модификации, эквиваленты и изменения. Все доли и проценты в примерах, так же как и в остальном описании, представляют собой массовые проценты, если не указано иного. Кроме того, любой диапазон чисел, упоминаемых в описании или формуле изобретения, такие как те, которые представляют конкретное множество свойств, единиц измерений, условий, физических состояний или процентов, предназначен для буквального включения в явном виде в настоящий документ, в качестве ссылки или иным образом, любого числа, попадающего в такой диапазон, включая любое подмножество чисел в любом диапазоне, упоминаемом таким образом. Например, когда описывается численный диапазон с нижним пределом RL и верхним пределом RU, любое число R, попадающее в этот диапазон, описывается конкретно. В частности, следующие числа R в этом диапазоне описываются конкретно: R=RL+k(RU-RL), где k представляет собой переменную, изменяющуюся в пределах от 1% до 100% с шагом 1%, например k представляет собой 1%, 2%, 3%, 4%, 5%,... 50%, 51%, 52%, … 95%, 96%, 97%, 98%, 99% или 100%. Кроме того, любой численный диапазон, представленный с помощью любых двух значений R, как вычислено выше, также описывается конкретно. Любые модификации настоящего изобретения в дополнение к тем, которые показаны и описаны в настоящем документе, станут понятны специалистам в данной области из приведенного выше описания и прилагаемых чертежей. Такие модификации, как предполагается, попадают в рамки прилагаемой формулы изобретения. Все публикации, цитируемые в настоящем документе, включаются в качестве ссылок во всей их полноте.

1. Способ получения коллоидных частиц оксида металла, включающий:
(a) добавление химически активного оксида металла в реакционную емкость при оптимальной массовой скорости добавления оксида металла, которая основывается на математической модели, которая учитывает (i) скорость нуклеации частиц, (ii) скорость осаждения оксида металла на существующие частицы оксида металла и (iii) рост частиц оксида металла в реакционной емкости, массовая скорость добавления оксида металла увеличивается как функция времени реакции, где
оптимальная массовая скорость добавления оксида металла, q, представлена формулой:
q = ( 3 m o G r / D p o 3 ) ( D p o + G r t ) 2 ,
где:
(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);
(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);
(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и
(d) t представляет собой время в часах (час), причем
Gr находится в пределах от примерно 10 до примерно 50 нм/час и q находится в пределах от примерно 10,6 до примерно 52,8 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции, где способ включает введение затравочных частиц оксида металла в реакционную емкость перед стадией добавления химически активного оксида металла.

2. Способ по п. 1, в котором Gr находится в пределах от примерно 20 до примерно 40 нм/час и q находится в пределах от примерно 21,1 до примерно 42,3 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

3. Способ по п. 1, в котором массовая скорость добавления оксида металла больше чем 10,0 граммов химически активного оксида металла на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частицы в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

4. Способ по п. 1, в котором стадия добавления химически активного оксида металла включает одно или несколько ступенчатых увеличений массовой скорости добавления оксида металла в течение периода реакции.

5. Способ по п. 1, в котором затравочные частицы оксида металла имеют начальный средний размер частиц в пределах от примерно 5 нм до примерно 15 нм.

6. Способ по п. 1, дополнительно включающий стадию:
(a) получения нуклеированных частиц оксида металла в реакционной емкости в результате стадии добавления химически активного оксида металла в реакционную емкость.

7. Способ по п. 6, дополнительно включающий стадию:
(a) начального добавления водного раствора в реакционную емкость перед стадией добавления химически активного оксида металла, водный раствор по существу не содержит оксида металла.

8. Способ по п. 1, в котором оксид металла содержит оксид кремния и химически активный оксид металла содержит продукт реакции катионной ионообменной смолы и силиката щелочного металла.

9. Способ по п. 8, дополнительно включающий одну или несколько из следующих стадий:
(a) гашение реакции между одним или несколькими силикатами и одной или несколькими ионообменными смолами с помощью достаточного количества воды.

10. Способ по п. 1, в котором период реакции представляет собой, по меньшей мере, 50% уменьшение времени реакции по сравнению со способом получения частиц оксида металла, в котором массовая скорость добавления оксида металла является постоянной, и она ниже, чем 10,0 г/1000 м2-час.

11. Способ получения коллоидных частиц оксида металла, включающий:
(a) добавление химически активного оксида металла в реакционную емкость при такой массовой скорости добавления оксида металла в течение периода реакции, чтобы получить коллоидные частицы оксида металла, имеющее пределы среднего конечного диаметра частиц от примерно 20 нм до примерно 200 нм, массовая скорость добавления оксида металла увеличивается, по меньшей мере, один раз в течение периода реакции, причем массовая скорость добавления оксида металла основывается на математической модели, которая учитывает (i) скорость нуклеации частиц, (ii) скорость осаждения оксида металла на существующих частицах оксида металла и (iii) рост частиц оксида металла в реакционной емкости, где оптимальная массовая скорость добавления оксида металла, q, представлена формулой:
q = ( 3 m o G r / D p o 3 ) ( D p o + G r t ) 2 ,
где:
(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);
(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);
(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и
(d) t представляет собой время в часах (час), причем
массовая скорость добавления оксида металла больше чем 10,0 граммов химически активного оксида металла на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частицы в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

12. Способ по п. 11, в котором коллоидные частицы оксида металла имеют средний конечный диаметр частицы от примерно 20 до примерно 100 нм.

13. Коллоидные частицы оксида металла, полученные способом по п. 1.

14. Способ получения коллоидных частиц диоксида кремния, включающий:
(a) добавление химически активного оксида кремния в реакционную емкость при оптимальной массовой скорости добавления оксида кремния, которая основывается на математической модели, которая учитывает (i) скорость нуклеации частиц, (ii) скорость осаждения оксида кремния на существующих частицах оксида кремния и (iii) рост частиц оксида кремния в реакционной емкости, массовая скорость добавления оксида кремния увеличивается как функция времени реакции, и она больше чем 10,0 граммов химически активного оксида кремния на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частиц в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции, где математическая модель оптимальной массовой скорости добавления оксида кремния, q, представлена формулой:
q = ( 3 m o G r / D p o 3 ) ( D p o + G r t ) 2 ,
где:
(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);
(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);
(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и
(d) t представляет собой время в часах (час),
где способ включает введение затравочных частиц оксида кремния в реакционную емкость перед стадией добавления химически активного оксида кремния.

15. Способ по п. 14, в котором Gr находится в пределах от примерно 10 до примерно 50 нм/час и q находится в пределах от примерно 10,6 до примерно 52,8 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

16. Способ по п. 14, в котором Gr находится в пределах от примерно 20 до примерно 40 нм/час и q находится в пределах от примерно 21,1 до примерно 42,3 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

17. Способ по п. 14, в котором стадия добавления химически активного оксида кремния включает одно или несколько ступенчатых увеличений массовой скорости добавления оксида кремния в течение периода реакции.

18. Способ по п. 14, в котором затравочные частицы оксида кремния имеют начальный средний размер частиц в пределах до примерно 5 нм до примерно 15 нм.

19. Способ по п. 14, дополнительно включающий стадию:
(a) получения нуклеированных частиц диоксида кремния в реакционной емкости в результате стадии добавления химически активного оксида кремния в реакционную емкость.

20. Способ по п. 14, дополнительно включающий стадию:
(a) начального добавления водного раствора в реакционную емкость перед стадией добавления химически активного оксида кремния, водный раствор по существу не содержит оксида кремния.

21. Способ по п. 14, в котором химически активный оксид кремния содержит продукт реакции катионной ионообменной смолы и силиката щелочного металла.

22. Способ по п. 14, дополнительно включающий одну или несколько из следующих стадий:
(a) гашение реакции между одним или несколькими силикатами и одной или несколькими ионообменными смолами с помощью достаточного количества воды.

23. Способ по п. 14, в котором период реакции представляет собой, по меньшей мере, 50% уменьшение времени реакции по сравнению со способом получения частиц оксида кремния, в котором массовая скорость добавления оксида кремния является постоянной, и она ниже, чем 10,0 г/1000 м2-час.

24. Способ получения коллоидных частиц оксида кремния, включающий:
(a) добавление химически активного оксида кремния в реакционную емкость при такой массовой скорости добавления оксида кремния в течение периода реакции, чтобы получить коллоидные частицы диоксида кремния, имеющие средний конечный диаметр частиц в пределах от примерно 20 нм до примерно 200 нм, массовая скорость добавления оксида кремния увеличивается, по меньшей мере, один раз в течение периода реакции, причем массовая скорость добавления оксида кремния основывается на математической модели, которая учитывает (i) скорость нуклеации частиц, (ii) скорость осаждения оксида кремния на существующих частицах оксида кремния и (iii) рост частиц оксида кремния в реакционной емкости, массовая скорость добавления оксида кремния больше чем 10,0 граммов химически активного оксида кремния на 1000 квадратных метров (м2) общей площади поверхности частицы в час (г/1000 м2-час) в течение, по меньшей мере, части периода реакции,
где оптимальная массовая скорость добавления оксида металла, q, представлена формулой:
q = ( 3 m o G r / D p o 3 ) ( D p o + G r t ) 2 ,
где:
(a) mo представляет собой массу частиц оксида металла в реакционной емкости, как измерено в граммах (г);
(b) Gr представляет собой скорость роста частиц оксида металла для частиц оксида металла в реакционной емкости, как определяется по увеличению диаметра частиц и как измерено в нанометрах в час (нм/час);
(c) Dpo представляет собой средний диаметр частиц оксида металла, как измерено в нанометрах (нм); и
(d) t представляет собой время в часах (час), причем
Gr находится в пределах от примерно 10 до примерно 50 нм/час и q находится в пределах от примерно 10,6 до примерно 52,8 г/1000 м2-час в течение, по меньшей мере, части периода реакции.

25. Способ по п. 24, в котором коллоидные частицы оксида кремния имеют средний конечный диаметр частиц от примерно 20 до примерно 100 нм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Никель-хромовую тиошпинель получают СВС из смеси порошкообразного сульфида никеля NiS с добавлением порошка хрома и кристаллической серы, взятых до стехиометрического состава NiCr2S4 с 5%-ным избытком серы, в атмосфере воздуха.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии при получении высших сульфидов титана Ti3S4, TiS2 и TiS3. Синтез высших сульфидов титана проводят в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в вакууме 10-3 атм.

Изобретение может быть использовано в химической технологии. Для получения наноразмерных и наноструктурированных материалов на основе слоистых трихалькогенидов переходных металлов общей формулы MQ3, где M=Ti, Zr, Hf, Nb, Та; Q=S, Se, Те, в качестве исходного материала используют порошкообразные трихалькогениды, которые диспергируют в наноразмерные частицы посредством ультразвуковой обработки в органическом растворителе.
Изобретение относится к области металлургии редких металлов, а именно к способам хлорирования редкометалльного сырья, и может быть использовано для производства хлоридов циркония и гафния для нужд атомной энергетики.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения сульфидов титана включает взаимодействие титана с серой.

Изобретение относится к способу получения оксидных расплавов, обладающих способностью к формированию квантовых водоворотов. Способ заключается в резком охлаждении расплава от температуры 900-1000°С до комнатной температуры.

Изобретение относится к технологии получения изделий оптоэлектроники и солнечной энергетики, а именно к раствору для гидрохимического осаждения полупроводниковых пленок сульфида индия(III).

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Наноразмерные оксиды металлов получают химической реакцией окисления металлоорганического соединения при инициировании процессов энергетическим воздействием, в качестве которого используют импульсный электронный пучок энергией электронов 100÷500 кэВ, длительностью 10÷100 нс и с полным током пучка 1-10 кА.

Изобретение может быть использовано в области неорганической химии. Способ получения сульфида металла включает растирание, прессование исходных веществ, воспламенение, сжигание и синтез сульфидов в режиме горения в атмосфере воздуха.

Изобретение может быть использовано в фундаментальных исследованиях и при разделении обычных и сверхтекучих жидкостей. Способ получения оксидных расплавов, обладающих квантовыми свойствами и сверхтекучестью при температурах 850-1050 °С, включает сплавление борного ангидрида с углекислыми солями калия или цезия в следующих соотношениях в расчете на оксиды: B2О3 - 99,0% мол., K2О - 1,0% мол.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ комплексной переработки природных рассолов хлоридного кальциево-магниевого типа включает получение кристаллогидрата хлорида кальция с примесью хлорида магния и обогащение рассола по литию с дальнейшей переработкой литиевого концентрата на соединения лития.

Группа изобретений относится к слоистому двойному гидроксиду со структурой гидроталькита и способу его получения. Слоистый двойной гидрокисд описывается общей формулой Mg(1-x)Al3+ (x-y)Ni3+ y(OH)2(Ann-)x/n·mH2O, где в качестве трехзарядных катионов металла выступают одновременно катионы алюминия и никеля, y принимает значения от 0,0025 до 0,0625, x=0,25.

Настоящее изобретение относится к способам комплексной переработки отработанных катализаторов. Заявлен способ, в котором извлечение молибдена и церия проводят в две стадии, на первой стадии проводят извлечение соединения молибдена, после чего проводят стадию извлечения соединения церия.

Изобретение относится к технологии получения технологических солевых растворов горнорудного производства, в частности к повышению стабильности этих растворов. .

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению сложных оксидных соединений редкоземельных металлов (РЗМ), и может быть использовано при производстве высокотемпературных электропроводящих керамических изделий (например, электродов и других частей электропроводящих устройств, работающих в высокотемпературных и/или окислительных средах), элементов тонкой технологической керамики, катализаторов для различных применений и др.

Изобретение относится к области химической и гидрометаллургической технологии и может быть использовано для разложения силикатных руд и утилизации шлаков металлургической и угольной промышленности.

Изобретение относится к фильтру со смесительным устройством, у которого доля смешивания при изменении всего объемного потока остается в значительной степени постоянной.
Изобретение относится к металлургии бериллия, в частности к переработке берилловых концентратов с получением раствора сульфата бериллия. .
Гибридный золь, содержащий нано- и микрочастицы, получают смешением силиказоля, содержащего нано- и микрочастицы и золя оксида тугоплавкого металла, содержащего микрочастицы, в соотношении, при котором оксид тугоплавкого металла в гибридном золе составляет от 0,1 до 20 масс.
Наверх