DE102010011935A1 - Preparing inorganic-oxide particles, useful e.g. as a filler, comprises partially functionalizing particles on its surface with chlorine, converting the chloro-functionalized particles into gas phase and pyrolyzing the reaction product - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung anorganisch-oxidischer Partikel, die wenigstens teilweise mit Kohlenstoff belegt, d. h. „carbonisiert” sind, die so erhaltenen carbonisierten Partikel, deren Verwendung als Füllstoffe und Produkte mit diesen Füllstoffen.The invention relates to a process for the preparation of inorganic-oxide particles which at least partially occupied by carbon, d. H. "Carbonized", the carbonized particles thus obtained, their use as fillers and products with these fillers.
Füllstoffe werden in verschiedenen Materialien und Verbundmaterialien, auch Komposite genannt, zur Modifikation der Eigenschaften und Erhöhung der mechanischen Festigkeit verwendet. Unter anderem werden Füllstoffe in technischen Elastomeren und Gummiartikeln eingesetzt. Man versucht heute, die Füllstoffe für den Produktzweck Maß zu schneidern. Neben der Auswahl des Grundfüllstoffs kommt für die Veränderung der Füllstoffcharakteristiken eine Funktionalisierung der Füllstoffe in Betracht. Die als Partikel vorliegenden Füllstoffe werden beispielsweise an ihrer Oberfläche durch Physisorption, Chemisorption oder chemische Umsetzung gezielt verändert. Durch chemische Reaktionen an der Oberfläche können kovalente Bindungen zwischen Füllstoffpartikel und Reagens hergestellt werden; die Füllstoffpartikel werden auf diese Weise an ihrer Oberfläche mit funktionellen Gruppen versehen, d. h. „funktionalisiert”. Die funktionellen Gruppen sind dann in der Lage, mit der zu verstärkenden Matrix, mit Verstärkungselementen z. B. aus Metall oder mit anderen Füllstoffen zu reagieren oder zu assoziieren. Die Verbundmaterialien bekommen so andere, neue Eigenschaften.Fillers are used in various materials and composites, also called composites, to modify properties and increase mechanical strength. Among other things, fillers are used in technical elastomers and rubber articles. Today one tries to tailor the fillers for the product purpose of measure. In addition to the selection of the base filler, a functionalization of the fillers is considered for the change of the filler characteristics. The fillers present as particles are selectively changed, for example, on their surface by physisorption, chemisorption or chemical reaction. Covalent bonds between filler particle and reagent can be produced by chemical reactions on the surface; the filler particles are thus provided with functional groups on their surface, i. H. "Functionalized". The functional groups are then able, with the matrix to be reinforced, with reinforcing elements z. B. metal or react with other fillers or associate. The composite materials get so different, new properties.
Eine wesentliche Füllstoffklasse umfasst verschiedenste Oxide und Hydroxide sowie Säuren und Säureanhydride von Metallen und Nichtmetallen. Es gibt amorphe und kristalline Vertreter dieser anorganisch-oxidischen Füllstoffgruppe. Besondere Bedeutung besitzen innerhalb dieser Gruppe die Kieselsäure-Abkömmlinge. Hierzu gehören in erster Linie (Ortho-)Kieselsäure, Kieselsäuregel und Silicagel, Silica, Kieselerde und Kieselgur sowie verschiedene Formen von Wasserglas. Allgemein fallen unter diese Gruppe alle Varianten, Abkömmlinge und Produkte von und mit Siliziumdioxid (SiO2).An essential class of fillers includes a wide variety of oxides and hydroxides as well as acids and acid anhydrides of metals and non-metals. There are amorphous and crystalline representatives of this inorganic-oxide filler group. Of particular importance within this group are the silicic acid derivatives. These include (ortho) silicic acid, silica gel and silica gel, silica, silica and diatomaceous earth, as well as various forms of water glass. In general, this group includes all variants, derivatives and products of and with silicon dioxide (SiO 2 ).
Auch technischer Ruß ist ein attraktiver Füllstoff. Ruß besteht aus kleinsten, oft kugelförmigen Partikeln, die agglomeriert sein können. Teilchengröße und Oberflächenstruktur variieren je nach Herstellung stark. In der Regel besteht Ruß zu wenigstens 90 Gew.-% aus Kohlenstoff, daneben sind Pyrolyseprodukte der Ausgangsstoffe vorhanden. Ruß tritt bei Verbrennungsvorgängen als unerwünschtes Produkt auf, wird aber als Füllstoff in Form von gut definiertem Industrieruß eingesetzt. In großem Maße wird Ruß neben Silica bzw. Kieselsäureprodukten als Füllstoff in der Gummiindustrie für Reifen und andere technische Gummiprodukte verwendet. Er besitzt auch Bedeutung als leicht-leitender Füllstoff zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung in Kompositen. Die Klassifizierung von Standardrußen erfolgt in der Regel nach der amerikanischen ASTM-Norm. Die spezifische Oberfläche von Rußpartikeln kann zwischen 10 und über 1000 m2/g liegen.Even technical carbon black is an attractive filler. Soot consists of the smallest, often spherical, particles that may be agglomerated. Particle size and surface structure vary greatly depending on the preparation. As a rule, carbon black consists of at least 90% by weight of carbon, besides there are pyrolysis products of the starting materials. Carbon black appears as an undesirable product in combustion processes, but is used as a filler in the form of well-defined carbon black. To a great extent, in addition to silica or silica products, carbon black is used as a filler in the rubber industry for tires and other engineering rubber products. It also has significance as a lightweight conductive filler for protection against electrostatic charge in composites. The classification of standard carbon blacks is usually based on the American ASTM standard. The specific surface area of soot particles may be between 10 and more than 1000 m 2 / g.
Gerade in Elastomerprodukten und besonders in technischen Gummierzeugnissen wie Fahrzeugreifen, Dichtungen, Schläuchen und dergleichen werden anorganisch-oxidische Füllstoffe (weiße Füllstoffe, Silica) und Ruß (schwarzer Füllstoff, black carbon) gemeinsam eingesetzt. Es liegt daher nahe, dass versucht werden könnte, die Eigenschaften beider Füllstoffe zu verbinden und diese Füllstoffe aneinander zu koppeln.Especially in elastomer products and especially in technical rubber products such as vehicle tires, gaskets, hoses and the like, inorganic-oxide fillers (white fillers, silica) and carbon black (black filler, black carbon) are used together. It is therefore natural to try to combine the properties of both fillers and couple these fillers together.
Es ist bereits bekannt, Kohlenstoff mit Hilfe von Gasabscheidungsverfahren (PVD- und CVD-Verfahren) auf Kieselsäuren und Silica-basierten Füllstoffen niederzuschlagen. Beispielsweise ist es aus der
Es besteht daher weiterhin das Bedürfnis nach einem Hybrid-Füllstoff aus einem weißen Füllstoff, insbesondere einem Metall- oder Halbmetalloxidfüllstoff einerseits und einem ruß- oder graphitförmigen Kohlenstoff andererseits. Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Füllstoff dieses Typs für verschiedene Anwendungszwecke zu entwickeln.There is therefore still a need for a hybrid filler of a white filler, in particular a metal or Halbmetalloxidfüllstoff on the one hand and a carbon black or graphite carbon on the other. The object of the invention is to develop a novel filler of this type for various applications.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung anorganisch-oxidischer Partikel, die wenigstens teilweise mit Kohlenstoff belegt sind, bei welchem
- – als Ausgangsstoff Partikel aus der Gruppe der Metall- oder Halbmetalloxide, der Metall- oder Halbmetallhydroxide oder der Säuren eines Metalls- oder Halbmetalls einschließlich von Gemischen und polymeren Gemischen der Stoffe dieser Gruppe ausgewählt werden, wobei die Partikel wenigstens an ihrer Oberfläche und dort wenigstens teilweise mit Chlor funktionalisiert sind,
- – die chlorfunktionalisierten Partikel der zuvor genannten Gruppe in der Gasphase oder in Lösung mit einem organisch-chemischen Nucleophil mit wenigstens 3 Kohlenstoffatomen je Molekül umgesetzt werden
- – und das Umsetzungsprodukt in nicht-oxidierender Atmosphäre pyrolysiert wird.
- - As starting material particles are selected from the group of metal or semimetal oxides, the metal or semimetal or the acids of a metal or semimetal including mixtures and polymeric mixtures of the substances of this group, wherein the particles at least on their surface and there at least partially are functionalized with chlorine,
- - The chlorofunctionalized particles of the aforementioned group are reacted in the gas phase or in solution with an organic-chemical nucleophile having at least 3 carbon atoms per molecule
- - And the reaction product is pyrolyzed in a non-oxidizing atmosphere.
Vorzugsweise wird die Pyrolyse bei einer Temperatur von wenigstens 600°C, weiter vorzugsweise wenigstens 750°C durchgeführt. Allgemein sind Pyrolysetemperaturen zwischen ca. 400 und 1400°C möglich. Niedrige Pyrolysetemperaturen begünstigen jedoch Reaktionen, die die Bindung des Nucleophils auf den Ausgangspartikeln aufbrechen und dadurch den Kohlenstoff-Belegungsgrad im Endprodukt verringern. Eine Pyrolysetemperatur von wenigstens 600°C ist daher zu empfehlen. Gute Ergebnisse werden im Allgemeinen bei Temperaturen zwischen 650°C und 1000°C oder 900°C oder bevorzugt zwischen 750°C und 1000°C, weiter bevorzugt zwischen 750 und 900°C erhalten.Preferably, the pyrolysis is carried out at a temperature of at least 600 ° C, more preferably at least 750 ° C. In general, pyrolysis temperatures between about 400 and 1400 ° C are possible. However, low pyrolysis temperatures favor reactions that disrupt the binding of the nucleophile to the starting particles and thereby reduce the carbon occupancy level in the final product. A pyrolysis temperature of at least 600 ° C is therefore recommended. Good results are generally obtained at temperatures between 650 ° C and 1000 ° C or 900 ° C or preferably between 750 ° C and 1000 ° C, more preferably between 750 and 900 ° C.
Um Nebenreaktionen zu vermeiden, sollte die Pyrolysetemperatur schnell erreicht werden. Aufheizgeschwindigkeiten zwischen 100 und 1200°C/h werden derzeit als geeignet angesehen. Es ist besonders bevorzugt, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Aufheizgeschwindigkeiten von wenigstens 5°C/min aufgeheizt wird.To avoid side reactions, the pyrolysis temperature should be reached quickly. Heating rates between 100 and 1200 ° C / h are currently considered suitable. It is particularly preferred when heating in the process according to the invention with heating rates of at least 5 ° C / min.
Gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn die Pyrolyse über wenigstens 8 Stunden durchgeführt wird. Sehr gute Carbonisierungen wurden bei Pyrolysedauern zwischen 12 und 48 Stunden erhalten. Die erforderliche Pyrolysedauer ist jedoch auch von der maximalen Pyrolysetemperatur abhängig, bei sehr hohen Pyrolysetemperaturen ab 800°C können Pyrolysedauern von ca. ab 4 Stunden ausreichend sein.Good results can be achieved if the pyrolysis is carried out for at least 8 hours. Very good carbonizations were obtained at pyrolysis times of between 12 and 48 hours. However, the required pyrolysis is also dependent on the maximum pyrolysis, at very high pyrolysis temperatures from 800 ° C pyrolysis of about 4 hours may be sufficient.
Das Pyrolyseprodukt kann weiterhin thermisch nachbehandelt – getempert – werden. Eine solche thermische Nachbehandlung wird bei Temperaturen von ebenfalls wenigstens 400°C durchgeführt.The pyrolysis product can be further thermally treated - annealed - be. Such a thermal aftertreatment is also carried out at temperatures of at least 400.degree.
Den Ausgangsstoff für das Verfahren bilden Partikel aus der Gruppe der Metall- oder Halbmetalloxide, der Metall- oder Halbmetallhydroxide oder der Säuren des Metalls- oder Halbmetalls einschließlich von Gemischen und polymeren Gemischen der Stoffe dieser Gruppe. Die Oxide umfassen dabei die Säureanhydride. Als Ausgangspartikel sind demnach alle Füllstoffe des Silica-Typs, einschließlich pyrogener oder gefällter Kieselsäure, Silikagel und weitere Siliziumdioxid-Formen, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid und andere dem Fachmann bekannte oxidische Materialien geeignet.The starting material for the process form particles from the group of metal or semimetal oxides, metal or semimetal hydroxides or acids of the metal or semimetal including mixtures and polymeric mixtures of the substances of this group. The oxides include the acid anhydrides. Accordingly, all silica type fillers including fumed or precipitated silica, silica gel and other silica forms, titania, zirconia, zinc oxide, alumina, and other oxidic materials known to those skilled in the art are suitable as starting particles.
Bevor sie für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden können, müssen die Partikel an ihrer Oberfläche wenigstens teilweise mit Chlor funktionalisiert werden. Hierfür sind beispielsweise die Verfahren geeignet, wie sie in der
Die Partikel können alternativ auch als chlorfunktionalisierte Partikel direkt hergestellt werden, wie in der
Die Offenbarungsgehalte der
Die de novo Synthese von Chlorsiloxan-Partikeln (im Folgenden auch CSN-Partikel genannt) nach der
Alternativ können die chlorfunktionalisierten Partikel mit den Methoden der
Vorzugsweise werden die Ausgangspartikel für das erfindungsgemäße Verfahren so ausgewählt, dass sie mehr als 3 Chloratome pro nm2, weiter vorzugsweise mehr als 6,5 Chloratome pro nm2 aufweisen. Dies schafft die besten Voraussetzungen dafür, dass eine hohe Belegungsdichte mit dem Nucleophil erreicht werden kann, das durch Substitution der Chloratome kovalent an die Partikel gebunden wird und aus dem durch Pyrolyse der Kohlenstoffbelag gebildet wird.Preferably, the starting particles for the process according to the invention are selected such that they have more than 3 chlorine atoms per nm 2 , more preferably more than 6.5 chlorine atoms per nm 2 . This creates the best prerequisites for achieving a high occupation density with the nucleophile, which is covalently bound to the particles by substitution of the chlorine atoms and from which the carbon coating is formed by pyrolysis.
Die chlorfunktionalisierten Ausgangspartikel bieten eine besonders geeignete Grundlage für die Anbindung kohlenstoffreicher Pyrolysevorläufer mittels nucleophiler Substitution, denn die Silizium-Chlor-Bindungen auf der Partikeloberfläche zeigen eine hohe Reaktivität gegenüber Nucleophilen aller Art.The chlorine-functionalized starting particles provide a particularly suitable basis for the connection of carbon-rich pyrolysis precursors by means of nucleophilic substitution, because the silicon-chlorine bonds on the particle surface show a high reactivity towards nucleophiles of all kinds.
Wie im Rahmen der Erfindung gefunden wurde, können durch eine nucleophile Substitution der Chloratome an der Partikeloberfläche die Pyrolysevorläufer gezielt kovalent so angebunden werden, dass der Belegungsgrad bei der nachfolgenden Handhabung der Partikel erhalten bleibt. Der Abrieb, den diese Partikel beim Vermischen mit einem sie umhüllenden Matrixwerkstoff erleiden, ist besonders gering. Aufgrund dessen bleiben auch innerhalb von Elastomeren, d. h. bei relativ hoher innerer Reibung, die Leitfähigkeitswerte über die Gebrauchsdauer stabil. Weiterhin ist es möglich, eine relativ zum Ausgangsmaterial große bzw. wenig verkleinerte spezifische Oberfläche zu erzielen.As has been found in the context of the invention, the pyrolysis precursors can be specifically covalently bound by nucleophilic substitution of the chlorine atoms on the particle surface in such a way that the degree of coverage is maintained during the subsequent handling of the particles. The abrasion that these particles suffer when mixed with a surrounding matrix material, is particularly low. Due to this, even within elastomers, i. H. with relatively high internal friction, the conductivity values stable over the service life. Furthermore, it is possible to achieve a relative to the starting material large or little reduced specific surface area.
Die Umsetzung der chlorfunktionalisierten Partikel mit dem Nucleophil, das den pyrolysevorläufer bildet, d. h. durch Pyrolyse zu einer kohlenstoffreichen Beschichtung umgesetzt wird, kann ebenfalls nach den Vorschriften aus
Weiterhin hat sich gezeigt, dass unter Pyrolysebedingungen kovalent angebundenes Material zu deutlich größeren Anteilen auf der Oberfläche verbleibt, während physisorbiertes Reagenz zunächst in die Gasphase übergeht und von hier aus nur in geringeren Mengen auf der Oberfläche abgeschieden wird. Dementsprechend ist es vorteilhaft eine möglichst große Menge Nucleophil auf der Oberfläche anzubinden.Furthermore, it has been found that covalently bound material remains under pyrolysis conditions to significantly larger proportions on the surface, while physisorbed reagent first passes into the gas phase and is deposited from here only in smaller quantities on the surface. Accordingly, it is advantageous to attach the largest possible amount of nucleophile on the surface.
Das kovalent gebundene Nucleophil bildet die spätere Bindungsstelle zwischen Kieselsäure und Ruß. Neben dem kovalent gebundenen Nucleophil kann zusätzliches, nicht kovalent gebundenes, organisches Material verwendet werden, um die Bildung der Russschicht zu unterstützen. Das gebundene Nucleophil sollte sich größtenteils in radialer Richtung der Partikel ausdehnen und der sterische Anspruch des Nucleophils sollte entlang der Partikeloberfläche nicht zu groß sein.The covalently bound nucleophile forms the later binding site between silica and carbon black. In addition to the covalently bonded nucleophile, additional non-covalently bound organic material may be used to assist in the formation of the soot layer. The bound nucleophile should expand for the most part in the radial direction of the particles, and the steric bulk of the nucleophile should not be too large along the particle surface.
Vorzugsweise wird daher als organisches Nucleophil ein solches mit primärem aliphatischem Rest ausgewählt, der vorzugsweise 3 bis 30 Kohlenstoffatome besitzt.Preferably, therefore, the organic nucleophile selected is one having a primary aliphatic radical, preferably having from 3 to 30 carbon atoms.
Auch sekundäre aliphatische Reste, araliphatische oder aromatische Reste kommen in Betracht, sofern sie den sterischen Anforderungen genügen können.Secondary aliphatic radicals, araliphatic or aromatic radicals are also possible, provided that they can satisfy the steric requirements.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn das organisch-chemische Nucleophil ein Alkohol, ein Thiol, ein Amin, ein Alkaliorganyl, weiter vorzugsweise ein Lithiumorganyl, oder eine Grignard-Verbindung ist. Dabei wird es, wie oben ausgeführt, derzeit als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die genannten Nucleophile primäre oder sekundäre aliphatische oder araliphatische Reste besitzen. Auch cycloaliphatische und aromatische Reste sind jedoch nicht ausgeschlossen, da sie auf der Oberfläche geschichtete Strukturen bilden können.It is furthermore preferred if the organochemical nucleophile is an alcohol, a thiol, an amine, an alkali metal organyl, more preferably a lithium organyl, or a Grignard compound. It is, as stated above, currently considered to be particularly advantageous if said nucleophiles have primary or secondary aliphatic or araliphatic radicals. However, cycloaliphatic and aromatic radicals are not excluded since they can form layered structures on the surface.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist das organisch-chemische Nucleophil ein Alkohol mit wenigstens 6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise ein primärer Alkohol mit wenigstens 6 Kohlenstoffatomen, weiter bevorzugt wenigstens 12 oder wenigstens 16 Kohlenstoffatomen.In a particularly preferred embodiment of the invention, the organochemical nucleophile is an alcohol having at least 6 carbon atoms, preferably a primary alcohol having at least 6 carbon atoms, more preferably at least 12 or at least 16 carbon atoms.
Durch die Erfindung werden erstmals anorganisch-oxidische Partikel bereitgestellt, die an ihrer Oberfläche wenigstens teilweise mit Kohlenstoff belegt sind und dabei eine – wie durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen gezeigt werden konnte – voluminöse, spezifische Oberfläche aufweisen, die für die Verankerung der Partikel in einem Matrixmaterial gut geeignet ist. Im Gegensatz zu den durch Physisorption auf der Oberfläche erhaltenen Teilchen ist die Carbonisierung mechanisch sehr stabil. Diese neuen Partikel sind durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den dieses Verfahren kennzeichnenden Merkmalen erhältlich.For the first time, the invention provides inorganic-oxide particles which are at least partially coated with carbon on their surface and, as shown by scanning electron micrographs, have a voluminous, specific surface which is well suited for anchoring the particles in a matrix material is. In contrast to the particles obtained by physisorption on the surface, the carbonization is mechanically very stable. These new particles are obtainable by the method according to the invention with the features characterizing this method.
Die mit dem Verfahren erhaltenen Partikel zeichnen sich durch eine Partikelgröße zwischen ca. 10 nm und 20 μm, eine geringe, jedoch vorhandene Leitfähigkeit und eine bereichsweise graphitähnliche Oberflächenstruktur aus. Die Leitfähigkeit bleibt bei Einarbeitung in ein Matrixmaterial durch Mischen unabhängig von der Mischdauer weitgehend konstant, was nach derzeitiger Erkenntnis auf die stabile, kovalente Anbindung des Kohlenstoffs auf der Partikeloberfläche zurückzuführen ist. The particles obtained by the method are characterized by a particle size between about 10 nm and 20 microns, a low, but present conductivity and a partially graphite-like surface structure. When incorporated into a matrix material, the conductivity remains largely constant due to mixing irrespective of the mixing time, which, according to current knowledge, is due to the stable, covalent attachment of the carbon to the particle surface.
Das Kohlenstoff:Metall- oder Kohlenstoff:Halbmetall-Verhältnis kann vorzugsweise auf Werte größer 2 at% eingestellt werden. Anzustreben ist außerdem eine gegenüber den Ausgangsteilchen um im Allgemeinen nicht mehr als 20% verringerte BET-Oberfläche. letzteres kann der Fachmann durch Verfahrensoptimierung im Bereich der Aufarbeitung (Trocknen, Waschen, Tempern, usw.) oder der Pyrolysebedingungen (Temperatur, Zeit, Aufheizrate) erreichen, was im Rahmen seines fachmännischen Könnens liegt.The carbon: metal or carbon: metal ratio can preferably be set to values greater than 2 at%. It is also desirable to have a BET surface area generally not more than 20% less than the starting particles. The latter can reach the skilled person by process optimization in the field of work-up (drying, washing, tempering, etc.) or pyrolysis (temperature, time, heating rate), which is within the skill of the art.
Die neuartigen Partikel können allgemein in an sich üblicher Weise als Füllstoffe verwendet werden. Besonders geeignet scheinen sie als Füllstoffe in anorganisch/organischen Verbundmaterialien, insbesondere als elektrisch leitende Verstärkerfüllstoffe in anorganisch/organischen Kompositmaterialien. Durch ihre geringe Leitfähigkeit bieten sie in diesen Materialien Schutz vor elektrostatischer Aufladung, was für viele Anwendungszwecke gewünscht ist. Ferner sind sie besonders geeignet als Füllstoffe in Elastomeren, insbesondere in Kautschukmischungen und vulkanisierten Kautschuken oder Gummis. Sie bieten dort einen Hochleistungsfüllstoff, der die Eigenschaften konventioneller Füllstoffe aus Ruß und Kieselsäure verbindet. Schließlich sind sie ebenfalls geeignet für die Verwendung als Toner, als Elektrodenmaterial, als Katalysatormaterial oder als chromatographisches Säulenmaterial.The novel particles can generally be used in a conventional manner as fillers. They are particularly suitable as fillers in inorganic / organic composite materials, in particular as electrically conductive reinforcing fillers in inorganic / organic composite materials. Their low conductivity provides protection against electrostatic charge in these materials, which is desirable for many applications. Furthermore, they are particularly suitable as fillers in elastomers, in particular in rubber mixtures and vulcanized rubbers or rubbers. They offer a high-performance filler that combines the properties of conventional fillers made of soot and silica. Finally, they are also suitable for use as a toner, as an electrode material, as a catalyst material or as a chromatographic column material.
Die Erfindung umfasst außerdem Kautschukmischungen und Gummiprodukte, die die erfindungsgemäßen carbonisierten Partikel als Füllstoff enthalten.The invention also includes rubber blends and rubber products containing the carbonated particles of the present invention as a filler.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäße Partikel, die aus CSN-Teilchen (Chlorsiloxan-Partikeln) hergestellt wurden, bestehen aus einem Kern von amorphem Siliciumdioxid, der fest umschlossen ist von einer Hülle aus graphitischem Kohlenstoff. Die Hülle muss dabei nicht vollständig ausgebildet sein. Ein relativ geringer Kohlenstoff-Belegungsgrad kann durch die bessere Exposition des weißen Füllstoffs besondere Vorteile mit sich bringen.Particulate particles made from CSN particles (chlorosiloxane particles) consist of a core of amorphous silica firmly enclosed by a shell of graphitic carbon. The shell does not have to be completely formed. A relatively low carbon occupancy rate can bring particular benefits through better exposure of the white filler.
Die Partikelgröße ist beliebig und kann mindestens im Bereich von ca. 10 nm bis 20 μm variiert werden. Der Kohlenstoffgehalt und die damit verbundene Schichtdicke kann nach Bedarf mit Hilfe der Kettenlänge des Nucleophils als auch über die Pyrolysebedingungen eingestellt werden und liegt im Prozentbereich bezogen auf das Gesamtgewicht der Partikel. Die Partikel weisen eine geringe, jedoch stets vorhandene, elektrische Leitfähigkeit auf. Komposite, die die erfindungsgemäßen Partikel enthalten, werden durch die Teilchen vor elektrostatischen Aufladungen geschützt. Der Kern der Partikel ist im Falle von Siliciumdioxid und Kieselsäure in der Regel ungeordnet und röntgenamorph, während der Ordnungsgrad der Kohlenstoffhülle durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden kann. Auch kristalline oxidische Partikel sind als Ausgangspartikel geeignet. Sofern bereits bestehende Partikel mit Chlor funktionalisiert werden – wie in den zitierten Patentschriften beschrieben durch Umsetzung mit Siliziumtetrachlorid – kann es vorteilhaft sein, die Hydroxylgruppenzahl bzw. Sauerstoffdichte an der Oberfläche der Teilchen vor der Chlorfunktionalisierung durch eine Säurebehandlung, eine Basenbehandlung oder eine Oxidation zu erhöhen.The particle size is arbitrary and can be varied at least in the range of about 10 nm to 20 microns. The carbon content and the associated layer thickness can be adjusted as needed using the nucleophile chain length as well as the pyrolysis conditions and is in the percentage range based on the total weight of the particles. The particles have a low, but always present, electrical conductivity. Composites containing the particles of the invention are protected by the particles from electrostatic charges. The core of the particles in the case of silica and silica is usually disordered and X-ray amorphous, while the degree of order of the carbon shell can be influenced by the manufacturing process. Crystalline oxide particles are also suitable as starting particles. If already existing particles are functionalized with chlorine-as described in the cited patents by reaction with silicon tetrachloride-it may be advantageous to increase the hydroxyl group number or oxygen density at the surface of the particles prior to chlorine functionalization by acid treatment, base treatment or oxidation.
Entsprechendes gilt für Teilchen aus Kieselsäure, die zunächst mit Siliziumtetrachlorid und danach mit dem Verfahren nach der Erfindung behandelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt weiterhin das Design besonderer Füllstoffe auf Basis weiterer anorganisch-oxidischer Füllstoffe zu, deren Eigenschaftsprofil im oben genannten Sinne verändert werden kann. Als Ausgangspartikel sind unter anderem Titanoxide, Zirkonoxide, Zinkoxid oder Aluminiumoxide geeignet, die zunächst mit Chlor funktionalisiert und dann in erfindungsgemäßer Weise carbonisiert werden.The same applies to particles of silica, which are treated first with silicon tetrachloride and then with the method according to the invention. The process according to the invention furthermore permits the design of special fillers based on further inorganic-oxide fillers whose profile of properties can be changed in the abovementioned sense. Suitable starting particles include titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxide or aluminum oxides, which are first functionalized with chlorine and then carbonized in accordance with the invention.
Darstellungsverfahren allgemeinPresentation method in general
Zur Herstellung der Partikel werden zunächst so genannte CSN-Partikel nach den Vorschriften der europäischen Patentanmeldung
Im Folgenden wird die Erfindung mittels konkreter Beispiele und anhand von Untersuchungsergebnissen zu bestimmten Parametern und Eigenschaften näher beschrieben. Dies soll die Erfindung illustrieren, ohne sie zu beschränken. Der Fachmann kann die Erkenntnisse des experimentellen Teils ohne Weiteres auf andere Alkohole und Nucleophile übertragen.In the following, the invention will be described in more detail by means of concrete examples and with the aid of test results for specific parameters and properties. This is to illustrate the invention without limiting it. The person skilled in the art can easily transfer the findings of the experimental part to other alcohols and nucleophiles.
BEISPIELEEXAMPLES
Aufgrund der stark ausgepräten Hydrolyseempfindlichkeit einiger Reaktanden, Intermediate und Produkte werden sämtliche Arbeiten unter möglichst wasserfreien Bedingungen durchgeführt. Apparaturen werden ggf. evakuiert und ausgeheizt. Als Inertgas wird Argon verwendet. Sämtliche Arbeiten werden unter Inertgasatmosphäre durchgeführt, das Gas dient auch zum Belüften und Spülen.Due to the pronounced sensitivity to hydrolysis of some reactants, intermediates and products, all work is carried out under anhydrous conditions as far as possible. Equipment may be evacuated and baked out. The inert gas used is argon. All work is carried out under inert gas atmosphere, the gas is also used for aeration and rinsing.
Kieselsäurebeispielsilica example
Für die nachfolgend beschriebenen Oberflächenfunktionalisierungen mit Chlor wurden die gefällten Kieselsäuren Ultrasil® VN3 und Ultrasil® 360 (Degussa, Deutschland) eingesetzt, die sich in erster Linie in ihrer mittleren Teilchengröße unterscheiden.For the surface modifications described below with chlorine, the precipitated silica Ultrasil ® VN3 and Ultrasil ® 360 (Degussa, Germany) were used, which differ primarily in their average particle size.
Die zu funktionalisierende Kieselsäure wird zunächst für 11 h bei einem Unterdruck von 10–2 mbar und Raumtemperatur getrocknet. Anschließend werden 10 g der getrockneten Kieselsäure vorgelegt und im Argongegenstrom mit 80 mL Siliciumtetrachlorid versetzt. Die Suspension wird für 18 h unter starkem Rühren bei einer Temperatur von 80°C am Rückfluss erhitzt. Zur Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre wird während der Reaktion permanent ein schwacher Argonstrom durch die Apparatur geleitet. Nach beendeter Reaktion wird das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt und das überschüssige Siliciumtetrachlorid wird durch Auskondensieren entfernt. Um restliches Siliciumtetrachlorid zu entfernen, wird für eine Stunde bei einem Unterdruck von 10–2 mbar getrocknet. Der Chloranteil auf der umgesetzten Kieselsäure wird mittels Titration des bei der Hydrolyse freigesetzten Chlorwasserstoffs mit NaOH ermittelt. Er liegt bei diesen gefällten Kieselsäuren bis ca. maximal w(Cl) = 10%.The silicic acid to be functionalized is first dried for 11 h at a reduced pressure of 10 -2 mbar and room temperature. Subsequently, 10 g of the dried silica are introduced and mixed in an argon countercurrent with 80 ml of silicon tetrachloride. The suspension is refluxed for 18 h with vigorous stirring at a temperature of 80 ° C. To maintain the protective gas atmosphere, a weak stream of argon is constantly passed through the apparatus during the reaction. After completion of the reaction, the reaction mixture is cooled to room temperature and the excess silicon tetrachloride is removed by condensation. To remove residual silicon tetrachloride is dried for one hour at a reduced pressure of 10 -2 mbar. The chlorine content on the reacted silica is determined by means of titration of the hydrogen chloride liberated during the hydrolysis with NaOH. It lies with these precipitated silicas up to a maximum of w (Cl) = 10%.
Die chlorfunktionalisierte Kieselsäure wird in 80 mL wasserfreiem Tetrahydrofuran suspendiert. Hierzu werden im Argongegenstrom zuerst 9 eq Triethylamin und anschließend 3 eq Alkohol (zum Beispiel 1-Octanol, 1-Hexadecanol oder Benzylalkohol) bezogen auf den bestimmten Chloranteil zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird für 16 h unter starkem Rühren bei 80°C am Rückfluss erhitzt. Nach Abkühlen der Suspension wird diese unter Argonatmosphäre abfiltriert, der Filterkuchen mehrfach in wasserfreiem Dichlormethan und wasserfreiem Tetrahydrofuran gewaschen und bei Unterdruck getrocknet.The chlorofunctionalized silica is suspended in 80 mL of anhydrous tetrahydrofuran. For this purpose, 9 eq of triethylamine and then 3 eq of alcohol (for example 1-octanol, 1-hexadecanol or benzyl alcohol) are added in the argon countercurrent, based on the determined chlorine content. The reaction mixture is heated at 80 ° C for 16 h with vigorous stirring at reflux. After cooling, the suspension is filtered off under an argon atmosphere, the filter cake washed several times in anhydrous dichloromethane and anhydrous tetrahydrofuran and dried under reduced pressure.
Die anschließende Pyrolyse der mit Alkohol als Nucleophil belegten Partikel wurde unter weitgehend wasser- und sauerstofffreien Reaktionsbedingungen in einer Argonschutzgasatmosphäre durchgeführt. Das Edukt wird auf einem Porzellan Verbrennungsschiffchen eingewogen und dann im Argongegenstrom in der Mittel eines Quarzglasrohres platziert. Der Rohrreaktor war zunächst ausgeheizt und dann mit Argon gespült worden. Das Quarzrohr wird in einen Röhrenofen eingebracht. Die Pyrolysen wurden in einem Temperaturbereich von 450°C bis 950°C und für eine Dauer von 24 h, 36 h und 48 h, gerechnet ab erreichen der gewählten Pyrolysetemperatur, durchgeführt. Die Aufheizrate betrug 250°C/h. Nach beendeter Pyrolyse wird auf Raumtemperatur abgekühlt und das erhaltene Produkt wird im Argongegenstrom entnommenThe subsequent pyrolysis of the particles coated with alcohol as a nucleophile was carried out under substantially water- and oxygen-free reaction conditions in an argon protective gas atmosphere. The educt is weighed on a porcelain combustion boat and then placed in the argon countercurrent in the middle of a quartz glass tube. The tube reactor was initially baked and then purged with argon. The quartz tube is placed in a tube furnace. The pyrolyses were carried out in a temperature range from 450 ° C to 950 ° C and for a duration of 24 h, 36 h and 48 h, calculated from reaching the selected pyrolysis temperature. The heating rate was 250 ° C / h. After completion of the pyrolysis is cooled to room temperature and the product obtained is removed in the argon countercurrent
Chlorsiloxan(CSN)-BeispielChlorosiloxane (CSN) Example
Die Herstellung der CSN-Partikel erfolgt gemäß der Arbeitsvorschriften aus der
Die wesentlichen Unterschiede zwischen CSN-Teilchen und chlorfunktionalisierten Kieselsäuren bestehen in einer anderen Morphologie und dem wesentlich höheren Chloranteil der CSN-Partikel Der Chlorgehalt w(Cl) beträgt bei den CSN-Partikeln bis etwa 30%, bei den funktionalisierten Kieselsäuren bis etwa 10%.The main differences between CSN particles and chlorofunctionalized silicas are their different morphology and the significantly higher chlorine content of the CSN particles. The chlorine content w (Cl) is up to about 30% for the CSN particles and about 10% for the functionalized silicas.
Testergebnissetest results
Es wird auf folgende Abbildungen Bezug genommen:Reference is made to the following figures:
Es wurde die Abhängigkeit des Kohlenstoffanteils auf mit 1-Hexadecanol belegten CSN-Partikeln von der Pyrolysetemperatur und -dauer bestimmt. Die Ergebnisse sind in
Die Absolutwerte w(C) lassen nicht unbedingt auf die Eigenschaften der Partikel schließen und sind daher für sich genommen kein Qualitätsmaßstab. Da eine vollständige Maskierung der Ausgangsteilchen nicht gewünscht ist, kann eine zu dicke oder vollständige Kohlenstoffbeschichtung auch nachteilig sein. Die w(C)-Werte werden daher nach dem geplanten Anwendungszweck ausgerichtet und gezielt eingestellt. Außer den Absolutwerten für den Kohlenstoffanteil w(C) ist jedoch auch die Morphologie der Produktteilchen und der Erhalt einer großen spezifischen Oberfläche (gemessen als BET-Werte), vor allem aber auch einer gleichmäßig fein strukturierten, porenreichen und morphologisch den Ausgangspartikeln ähnlichen Oberfläche von erheblicher Bedeutung. Die neuen, über die chlorfunktionalisierte Zwischenstufe erhaltenen Teilchen lassen vermuten, dass sie sich für eine Vielzahl von Zwecken erfolgreich einsetzen lassen.The absolute values w (C) do not necessarily indicate the properties of the particles and are therefore not a quality standard per se. Since complete masking of the starting particles is not desired, too thick or complete carbon coating may also be detrimental. The w (C) values are therefore aligned and targeted according to the intended purpose. In addition to the absolute values for the carbon content w (C), however, the morphology of the product particles and the obtaining of a large specific surface area (measured as BET values), but above all a uniformly finely structured, pore-rich and morphologically similar surface to the starting particles, are considerable Importance. The new particles obtained via the chloro-functionalized intermediate suggest that they can be successfully used for a variety of purposes.
Es wurden rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen einer Probe mit auf chlorfunktionalisierter Kieselsäure chemisch gebundenem 1-Hexadecanol einerseits (
Beide Proben wurden anschließend bei 900°C unter gleichen Bedingungen pyrolysiert. Die Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der pyrolysierten Probe mit zuvor chemisch gebundenem Alkohol ist in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2005/061631 [0037] WO 2005/061631 [0037]
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