DE3804088A1 - Baumaterial auf der basis eines wasserbestaendigen silikats und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Baumaterial auf der basis eines wasserbestaendigen silikats und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Baumaterial auf der Basis eines
wasserbeständigen Silikats und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bekannt ist, daß Nichtasbestpapiere und/oder -bahnen aus in
Wasser quellbaren anorganischen Stoffen, insbesondere gequollenen
Silikatgelen hergestellt werden können. So z. B.
wird in der US-PS 42 39 519 die Herstellung synthetischer
anorganischer, Kristalle enthaltender, gelierbarer, in Wasser
quellender Blattsilikate und bestimmter daraus hergestellter
Produkte, wie Papiere, Fasern, Filme, Platten und
Schichtkörper beschrieben. Diese Nichtasbestpapiere und/
oder -bahnen zeigen eine gute Hochtemperaturbeständigkeit
und eine hohe chemische Beständigkeit. Da zur Herstellung
dieser Produkte außerdem keine Asbestfasern verwendet werden,
sind sie auch frei von dem mit asbesthaltigen Produkten
verbundenen Gesundheitsrisiko.
Die US-PS 42 39 519 beschreibt ein dreistufiges Verfahren
zur Herstellung von für die Produktion der angeführten Papiere
und Bahnen verwendbaren gelierbaren Silikaten, das
darin besteht, daß man
- (a) einen vollständig oder vorwiegend kristallinen Körper formt, der Kristalle enthält, die im wesentlichen aus in Wasser quellendem Lithium- und/oder Natrium-Glimmer bestehen, ausgewählt aus der Gruppe Fluorhectorit, Hydroxylhectorit, Borfluorphlogopit, Hydroxylborphlogopit und festen Lösungen derselben in einander und mit anderen strukturell verträglichen Mineralen, ausgewählt aus der Gruppe Talk, Fluortalk, Polylithionit, Fluorpolylithionit, Phlogopit und Fluorphlogopit,
- (b) den Körper mit einer polaren Flüssigkeit, gewöhnlich Wasser, zur Quellung und zum Zerfall des Körpers unter Bildung eines Gels kontaktiert und
- (c) das Verhältnis von Feststoff zu Flüssigkeit des Gels je nach dem Verwendungszweck auf einen gewünschten Wert einstellt.
Die bevorzugten kristallinen Ausgangsprodukte sind glaskeramische
Stoffe. Diese werden mit Stoffen mit großen Kationen,
d. h. mit einem Ionenradius über dem von Lithium, in
Kontakt gebracht, wodurch es zu einer Makroausflockung des
Gels und zu einer Ionenaustauschreaktion zwischen den großen
Kationen und den Li⁺- und/oder Na⁺-Ionen der Kristallzwischenschicht
kommt.
Die US-PS 33 25 340 und 34 54 917 beschreiben die Herstellung
wäßriger Dispersionen von Vermiculit-Kristallflocken,
die durch die Zufuhr von Zwischengitterionen, und
zwar von (1) Alkylammoniumkationen mit 3 bis 6 C-Atomen in
jeder Kohlenstoffgruppe wie Methylbutylammonium, n-Butylammonium,
Propylammonium und iso-Amylammonium und (2) der
kationischen Form von Aminosäuren wie Lysin und Ornithin
und/oder (3) Lithium gequollen sind.
Obwohl die nach den bekannten Verfahren hergestellten Produkte,
wie Papiere, Bahnen und Filme, ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
zeigen und für eine Vielzahl von Verwendungszwecken
überaus nützlich sind, wurde gefunden, daß diese
Artikel im allgemeinen keine guten Abdichteigenschaften
zeigen, was ihre Verwendung als Dichtungswerkstoffe beeinträchtigt.
Diese Produkte zeigen außerdem eine gewisse Wasserempfindlichkeit,
die in einem beträchtlichen Festigkeitsverlust
und in einer allgemeinen Verschlechterung der
mechanischen und elektrischen Eigenschaften zum Ausdruck
kommt, wenn die Produkte hoher Feuchtigkeit ausgesetzt oder
in Wasser oder andere polare Flüssigkeiten getaucht werden.
Durch diese Wasserempfindlichkeit wird die Verwendbarkeit
der Produkte für bestimmte Zwecke, wie z. B. als Kopf- bzw.
Druckdichtungen, elektrische Isolatoren, Schutzbeschichtungen
und als abwaschbare und gegenüber Umwelteinflüssen
beständige Baustoffe eingeschränkt.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren,
wonach eine wäßrige Dispersion eines 2 : 1-geschichteten
Silikatminerals unter Verwendung bestimmter Kationen ausgeflockt
wird. Überraschenderweise wird das 2 : 1-geschichtete
Silikat von bestimmten, von Diaminen, Triaminen und Tetraaminen
abgeleiteten Kationen ausgeflockt, anstatt daß das
Silikat im dispergierten Zustand gehalten, in diesem belassen
oder in diesen versetzt wird. Vorteilhafterweise können
beim erfindungsgemäßen Verfahren von Diaminen, Triaminen und
Tetraaminen abgeleitete Kationen zur Durchführung einer
Ionenaustauschreaktion mit einer wäßrigen Dispersion eines
2 : 1-geschichteten Silikats mit einer durchschnittlichen
Ladungsdichte von ca. -0,4 bis ca. -1,0 verwendet werden.
Durch diese Ionenaustauschreaktion wird ein ausgeflocktes
Silikat erzeugt. Das ausgeflockte 2 : 1-geschichtete Silikat
hat selbst in großen Wassermengen eine halbfeste, weiche
Konsistenz. Es muß hervorgehoben werden, daß es die Aminfunktionalität
ist, welche die Fähigkeit besitzt, diese
Silikate auszuflocken. Die Aufnahme anderer Gruppen, die
sauer sind, wie Lysin und Ornithin, stören die Ausflockung
und sind daher zu vermeiden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines geflockten mineralischen
Stoffes, der zur Bildung eines hochtemperatur- und wasserbeständigen
Nichtasbesterzeugnisses verwendet werden kann, umfaßt
(1) die Kontaktierung eines gequollenen 2 : 1-geschichteten
Silikats mit einer durchschnittlichen Ladung pro
Struktureinheit von ca. -0,4 bis ca. -1, das austauschbare
Zwischengitterionen enthält, mit wenigstens einer Art eines
austauschbaren Kations, das von Verbindungen abgeleitet ist,
die im wesentlichen aus Diammoniumverbindungen bestehen und
damit (2) die Durchführung einer Ionenaustauschreaktion
wenigstens zwischen einem Teil der austauschbaren Zwischengitterionen
und wenigstens einem Teil der Austauschkationen,
wobei ferner jedoch das 2 : 1-geschichtete Silikat durch Kontaktierung
mit einer polaren Flüssigkeit während eines Zeitraums
gequollen wurde, der ausreicht, um die Quellung der
Schichten und die Gelbildung zu bewirken.
Es ist wichtig, sich vor Augen zu halten, daß sich das geflockte
Silikatprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens von
der Silikatdispersion, selbst wenn man es mit den Dispersionen
mit hohem Feststoffgehalt, die halbfeste Gele darstellen,
vergleicht, stark unterscheidet. Das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte geflockte Schichtsilikat
wird in Wasser nicht so schnell redispergiert, wie
dies bei Schichtsilikatgelen der Fall ist, die andere Zwischengitterkationen
aufweisen, wie Ornithin oder n-Butylammonium,
n-Propylammonium und Lithium.
Da das erfindungsgemäße Silikatflockulat im zusammengeballten
Zustand verbleibt und nicht so leicht redispergiert
wird, kann das Produkt der erfindungsgemäßen Ionenaustauschreaktion
gewaschen werden, und zwar vorzugsweise mit
Wasser. Das ist ein wichtiges Merkmal, da ähnliche mit
Zwischengitterionen ausgetauschte Silikatgemische Silikatprodukte
ergeben, die nicht im zusammengeballten Zustand
verbleiben und in Wasser ausgewaschen oder redispergiert
werden.
Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Silikat-Zwischengitterkationen-
Gemisches ist daher seine höhere Wasserbeständigkeit.
Außerdem läßt sich das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Flockulat leichter
sammeln und handhaben als die bekannten Produkte.
Hochtemperatur-, feuer- und wasserbeständige Nichtasbest-
Produkte, wie Bahnen, Papiere, Platten, Filme, Fasern und
kaschierte Produkte können unter Verwendung des vorliegenden
Silikatmaterials, das durch Verwendung eines von Diaminverbindungen
abgeleiteten Austauschkations bereitet wurde,
hergestellt werden. Es wurde überraschend gefunden, daß
solche Produkte im allgemeinen vorzügliche mechanische
Eigenschaften aufweisen, wie die Ergebnisse der Zug- und
Durchstoßfestigkeitstests zeigen.
Die Diamine sind daher vorzügliche Flockungsmittel, die es
ermöglichen, stärkere Flockulate mit höherer Wasserbeständigkeit
zu erhalten, als dies mit anderen Flockungsmitteln
möglich ist. Aber noch bemerkenswerter ist, daß sich bestimmte
Gruppen von Diaminen als geeignet erwiesen, die
elektrischen Eigenschaften und andere die mechanische
Elastizität (s. Dehnungstest) zu optimieren.
Was die Wärmebeständigkeit betrifft, so sind die erfindungsgemäßen
Produkte gegenüber Temperaturen von ca. 350 bis
400°C absolut beständig und sind bis zu einer Temperatur von
ca. 800°C gefügebeständig.
Andere Ausführungsformen umfassen (1) das geflockte 2 : 1-
geschichtete Silikatgelmaterial, das eine durchschnittliche
Ladung pro Struktureinheit von ca. -0,4 bis ca. -1,0 und
ionenausgetauschte Zwischengitterkationen aufweist, die von
Diammoniumverbindungen abgeleitet sind, (2) das geflockte
Silikat nach (1), das ein (vor oder nach der Ausflockung
zugegebenes) organisches Oligomer, vorzugsweise ein Epoxyharz
umfaßt, (3) ein Verfahren zur Herstellung der geflockten,
mit Diammonium ausgetauschten Silikat- und Epoxyzusammensetzung
nach (2) und (4) Zusammensetzungen von sowohl
(1) als auch (2), die Faser- oder Faserbreistoffe, vorzugsweise
Polybenzimidazol, umfassen. Die mit Epoxy geflockten
Silikatstoffe können auch mit von Guanidinium abgeleiteten
Kationen hergestellt werden, die hier ebenfalls beschrieben
werden.
Die obengenannten Verbindungen können auch als "Polyamine"
bezeichnet werden.
Weitere Ausführungsformen umfassen Produkte und Filme, die
aus dem obengenannten geflockten Mineralgel hergestellt
werden.
Die erfindungsgemäßen Produkte und ausgeflockten Mineraldispersionen
werden nach einer Ausführungsform unter Verwendung
eines dispergierbaren Schicht-(2 : 1-geschichtet-)
Silikats mit einer Durchschnittsladung pro Struktureinheit
von ca. -0,4 bis ca. -1 und mit austauschbaren Zwischengitterkationen,
welche die Quellung begünstigen, als Ausgangsmaterial
hergestellt. Die Wahl der konkreten Austauschkationen
im Ausgangsmaterial hängt von dem zu verwendenden
Silikat ab. Wird zum Beispiel ein synthetisches
gelierbares Silikat, das zum Beispiel entsprechend dem
Verfahren der US-PS 42 39 519 hergestellt wird, als Ausgangsmaterial
verwendet, so sind die Austauschkationen im
allgemeinen Li⁺- und/oder Na⁺-Ionen. Wird eine zum Beispiel
nach US-PS 33 25 340 hergestellte natürliche Vermiculitdispersion
verwendet, umfassen die Austauschkationen im allgemeinen
Alkylammoniumkationen oder andere in der US-PS
33 25 340 angegebene Kationen. Das Silikat, gleichgültig, ob
snythetischer oder natürlicher Herkunft, hat im allgemeinen
das Aussehen dünner Schuppen, die Scheiben-, Streifen-
und/oder Bandform aufweisen. Die Schuppen hben gewöhnlich
eine Länge von ca. 500 bis 100 000 Å, vorzugsweise 5000 bis
100 000 Å, eine Breite von 500 bis 100 000 Å und eine Dicke
von weniger als 100 Å.
Die Silikate, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Gemisches sowie der entsprechenden Erzeugnisse verwendet
werden können, umfassen Glimmer und Vermiculite. Die Silikate,
die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden
können, können insgesamt als 2 : 1-geschichtete Silikate bezeichnet
werden und werden definiert und beschrieben in:
Crystal Structures of Clay Materials and Their X-Ray Identification,
G. W. Brindley und G. Brown, Mineralogical
Society, 1980, insbesondere S. 2-10. Der Ausdruck "Glimmer"
bedeutet Schichtsilikate mit einer Ladungsdichte von ca. -1,
während Vermiculite eine Ladungsdichte von ca. -0,6 bis -0,9
aufweisen. Beispiele für Schichtsilikate, die verwendet werden
können, sind Vermiculit, Muscovit, Phlogopit, Biotit,
Fluorphlogopit, Lepidolit und Lepidomelan. Ein bevorzugter
Glimmer kann aus der Gruppe, bestehend aus Fluorhectorit,
Hydroxylhectorit, Borfluorphlogopit, Hydroxylborphlogopit
und festen Lösungen derselben in einander und mit anderen
strukturell verträglichen Stoffen, ausgewählt aus der Gruppe
Talk, Fluortalk, Polylithionit, Fluorpolylithionit, Phlogopit
und Fluorphlogopit, ausgewählt werden.
Der Ausdruck "Vermiculit" bedeutet gesteinsbildende Minerale,
die gekennzeichnet sind durch eine Schichtgitterstruktur,
bei der die Silikatschichteinheiten eine Dicke von ca.
10 Å (1,0 nm) aufweisen, die Hauptelemente in den Schichten
Magnesium, Eisen, Aluminium, Silicium und Sauerstoff sind
und die Schichten voneinander durch eine oder zwei Lagen
von Wassermolekülen, die mit Kationen wie Magnesium, Calcium,
Natrium und Wasserstoff verbunden sind, getrennt sind
und in bezug auf die die Basis darstellende, 1,0 nm dicke
Schichteinheit eine beträchtliche seitliche Ausdehnung
aufweisen. Der Ausdruck "Vermiculit" bedeutet Minerale, die
zur Gänze oder weitgehend aus Vermiculit bestehen oder Minerale
vom Mischschichttyp, die Vermiculitschichten als
Hauptkomponente enthalten wie Hydrobiotite und Chlorit-
Vermiculite.
Der Ausdruck "Ladung pro Struktureinheit" bezieht sich auf
die durchschnittliche Ladungsdichte, wie sie von G. Lagaly
und A. Weiss in "Determination of Layer Charge in Mica-Type
Layer Silicates", Proceedings of International Clay Conference,
61-80 (1969), und G. Lagaly, in "Characterization of
Clays by Organic Compounds", Clay Minerals, 16, 1-21 (1981),
angegeben wird.
Ein Ausdruck, der hier zur Bezeichnung der Ausgangssilikate
verwendet wird, ist der Ausdruck "gequollenes Schichtsilikat".
Ein derartiges Silikatmaterial bedeutet 2 : 1-geschichtete
Silikate, die Ionenaustauschreaktionen unterworfen
wurden, so daß sie im allgemeinen in wäßrigen Lösungen
quellen und dispergiert werden. Dieser Ausdruck bedeutet
daher Silikatdispersionen (oder Silikatgele), die durch Entfernung
von Wasser aus diesen Silikatdispersionen gebildet
wurden, sowie getrocknete Silikatstoffe, die mit Wasser
unter Bildung eines Silikatgels oder einer -dispersion in
Berührung gebracht werden können.
Der Ausdruck "Silikatdispersion" bedeutet hier Suspension
von 2 : 1-geschichtetem Silikat in einer polaren Lösung (gewöhnlich
Wasser). Der Ausdruck "Dispersion" wird außerdem
sowohl auf Dispersionen mit geringem Feststoffgehalt (ca. 1
bis ca. 5% Feststoffgehalt), die fließen und Flüssigkeitseigenschaften
aufweisen, als auch auf Dispersionen mit hohem
Feststoffgehalt angewandt, die gewöhnlich als Gele gelten.
Wenn die Silikatdispersion ausgeflockt wird, ballt das Silikat
zum Flockulat zusammen, das gewöhnlich aus der Lösung
ausfällt, wenn die Dispersion einen niedrigen Feststoffgehalt
aufweist. Die Ausflockung einer Dispersion mit niedrigem
Feststoffgehalt verursacht auf diese Weise eine leichter
feststellbare Destabilisierung der Dispersion. Wird eine
Dispersion mit hohem Feststoffgehalt bzw. ein Gel durch Kontaktierung
mit einem Flockungsmittel ausgeflockt, kommt es
noch zur Destabilisierung und Flockenbildung, obwohl die
Änderung ohne nähere Prüfung unter Umständen nicht zu sehen
ist. Werden bevorzugte Flockungsmittel ausgewählt, stellt
man fest, daß das gebildete Flockulat sich in seinen physikalischen
und elektrischen Eigenschaften, selbst wenn man
es mit einem Silikatgel vergleicht, stark unterscheidet. So
ist es zum Beispiel bemerkenswert, daß durch den Einfluß
der Diammoniumkationen ein Silikatflockulat bearbeitet und
gewaschen werden kann, wohingegen eine Dispersion mit hohem
Feststoffgehalt (Gel) ausgewaschen würde.
Es ist hervorzuheben, daß das als Ausgangsprodukt dienende
2 : 1-geschichtete Silikat ein gequollenes Schichtsilikat
sein muß. Wird natürlicher Glimmer verwendet, ist es besonders
wichtig, das Silikat so herzustellen, daß die Zwischengitterionen
mit den vorliegenden Kationen austauschbar sind.
Die Abarmung an Kalium muß gewöhnlich vor der Herstellung
des gequollenen Schichtsilikats bzw. der Silikatdispersion
erfolgen, das bzw. die das erfindungsgemäße Ausgangsmaterial
darstellt. Die Abarmung an Kalium kann unter Verwendung von
Ionenaustauschtechniken durchgeführt werden.
Das Ausgangssilikat kann entsprechend der obenerwähnten
Verfahren gemäß US-PS 42 39 519, 33 25 340 oder
34 34 917 oder nach anderen Verfahren für die Herstellung
von aufgetrennten Schichtstoffen (Silikatdispersionen und
-gele) mit einer Ladungsdichte innerhalb des gewünschten
Bereiches hergestellt werden. Diese wäßrigen Silikatdispersionen
wurden auch als Silikatsuspensionen bezeichnet.
Ein bevorzugtes Ausgangsmaterial ist eine Silikatdispersion
(ein gequollenes Schichtsilikat) mit Zwischengitterkationen,
ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithium,
Natrium, n-Butylammonium, Diethylammonium und n-Propylammonium.
Es ist bemerkenswert, daß, obwohl meist Silikatdispersionen
unter Verwendung von Wasser hergestellt werden, festgestellt
wurde, daß für die Dispersion auch polare Lösungsmittel
verwendet werden können. So kann die Dispersion auch unter
Verwendung eines ausgewählten polaren Lösungsmittels oder
eines Gemisches davon hergestellt werden. Die polare Lösung
kann außerdem einige nichtpolare Kohlenwasserstoffe umfassen
(weniger als 10 Gew.-%). Gemäß den erfindungsgemäßen
Verfahren und Produkten können somit zur Herstellung der
Dispersionen und Flockulate polare Lösungen verwendet werden.
Das kationische Flockungsmittel, das für den Ionenaustausch
zur Herstellung des Flockulats verwendet wird, kann
gewünschtenfalls für die Durchführung des Austausches in ein
polares Lösungsmittel gegeben werden.
Die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete
polare Lösung kann ausgewählt sein aus Ketonen, Glycolen,
Alkoholen und Wasser. Die Alkohole und Ketone haben vorzugsweise
1 bis 6 C-Atome. Vorzugsweise ist das Lösungsmittel
ein polares protisches Lösungsmittelgemisch, vorzugsweise
ausgewählt aus der Gruppe Wasser, Methanol, Ethanol, Propanol,
Isopropanol, Butanol und Glycol. Eine bevorzugte
Kombination ist Methanol und Wasser. Das polare protische
Lösungsmittelgemisch kann ein Minimum von 40 Gew.-% Wasser
sein, vorzugsweise jedoch ein Minimum von 75 Gew.-% Wasser.
Diese polaren protischen Lösungsmittelgemische sind insbesondere
geeignet für die Solvatisierung der erfindungsgemäßen,
Aminogruppen aufweisenden kationischen Flockungsmittel.
Das am meisten bevorzugte Flüssigkeitssystem sowohl
für die Silikatdispersion als auch für den Austausch mit
den kationischen Flockungsmitteln ist jedoch hauptsächlich
wäßriger Natur.
Danach wird das dispergierte Silikat mit einer Quelle wenigstens
einer Art von den hier beschriebenen Kationen
kontaktiert, um auf diese Weise eine Ionenaustauschreaktion
zwischen den vorliegenden Kationen und den Zwischengitterionen
zu erzielen. Diese Ionenaustauschreaktion kann zwischen
den Kationen und dem Silikatmaterial durchgeführt
werden, wodurch ein Flockulat gebildet wird, das dann zur
Formung der erfindungsgemäßen Produkte verwendet wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das
Ausgangssilikat unmittelbar zum Produkt geformt werden, wie
zum Beispiel unter Anwendung der Verfahren nach US-PS
42 39 519 zu Fasern (zum Beispiel Lithiumfluorhectoritfasern),
einem Film oder einem aus gequollenem geschichtetem
Silikatgel (einer Dispersion mit hohem Feststoffgehalt)
preßgeformten Produkt. Danach wird das Produkt unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Kationen einer kationischen
Austauschreaktion unterzogen werden, wie zum Beispiel
durch Eintauchen des Produktes in eine Lösung von polyaminderivierten
Kationen. Die Ionenaustauschreaktion kann auf
diese Weise in situ während der Bereitung der auszuflockenden
Dispersion durchgeführt werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die
Silikatdispersion durch Zugabe einer geeigneten Menge eines
polaren Lösungsmittels oder Entfernung des Lösungsmittels
aus der Dispersion auf einen gewünschten Prozentgehalt an
Feststoffen eingestellt. Die Silikatdispersion mit dem
gewünschten Prozentgehalt an Feststoffen befindet sich dann
in einem gewünschten viskosen oder halbfesten Zustand und
kann leicht zu einem Film verarbeitet, zu einem Erzeugnis
preßgeformt oder auf nicht gewebte oder gewebte Faserstoffe
aufgebracht werden. Die erhaltene Zusammensetzung kann dann
mit dem ausgewählten, ausflockenden Diammoniumkation für
die Ausflockung in Berührung gebracht werden.
Vorzugsweise wird die Austauschreaktion während einer minimalen
wirksamen Zeitdauer durchgeführt. Obwohl keine maximale
Zeitdauer für diesen Austausch besteht, ist es wünschenswert,
die erste Stufe in so kurzer Zeit wie möglich
durchzuführen. Der Ionenaustausch der ersten Stufe kann
während einer Zeitdauer von 5 Sekunden bis 10 Stunden, vorzugsweise
von 1 bis 5 Minuten durchgeführt werden.
Das vorliegende Austauschkation soll auch in einer Menge
vorliegen, die für eine wirksame Durchführung des Ionenaustausches
(Flockung) des gequollenen Schichtsilikats
ausreicht. Obwohl ein großer Bereich von Molarverhältnissen
von Austauschkation zu Silikat in Frage kommt, wird das
ausflockende Kation in einer minimal wirksamen Konzentration
zur Auslösung der Flockung verwendet. Es wurde gefunden,
daß Lösungen mit einem Gehalt an Diammoniumverbindungen
von nicht mehr als 0,01 M das Silikat ausflocken. Der geeignetste
Konzentrationsbereich für die Lösung der vorliegenden
Kationen liegt zwischen 0,01 bis ca. 3 Mol, wobei das Verhältnis
von Lösung zu Silikat eine für die weitere Behandlung
geeignete Höhe aufweist, und zwar mindestens 1 g Lösung
pro Gramm Silikat.
Der Ausdruck "polyaminderivierte Kationen" bedeutet in bezug
auf die erfindungsgemäß verwendbaren austauschbaren Kationen
niedermolekulare, nichtpolymere di-, tri- und/oder tetraaminofunktionelle
Verbindungen, in denen Aminanteile zu
Kationen umgeformt worden sind, zum Beispiel durch Protonierung,
wodurch sie positiv geladen sind. Diamine sind die
bevorzugten Polyaminverbindungen.
Eine bevorzugte Gruppe von Diaminen hat die Formel
[ (R³)₃N - (CX₂) n - N (R³)₃]+2
worin (1) jede Gruppe R³ jeweils unabhängig voneinander
Wasserstoff, unverzweigtes oder verzweigtes C₁-C₈-Alkyl,
acyclisches C₃-C₆-Alkyl oder eine Arylgruppe bedeuten, mit
der Maßgabe, daß höchstens eine Arylgruppe mit jedem Stickstoff
verbunden ist, (2) jede Gruppe X unabhängig voneinander
Wasserstoff, eine Alkyl- oder Arylgruppe und (3) n
eine ganze Zahl von 2 bis 15 bedeuten, wobei gegebenenfalls,
falls n 3 oder eine Zahl über 3 bedeutet, die CX₂-Gruppen
ringförmige Anteile bilden können, die aromatisch sein können.
Ähnliche, aber noch bevorzugtere Gruppen von kationischen
Diaminen sind abgeleitet von Verbindungen der Formel
in welcher (1) R¹ ausgewählt ist aus der oben definierten
Gruppe und entweder Wasserstoff oder eine (gesättigte oder
ungesättigte) unverzweigte oder verzweigte C₁-C₈-Alkylgruppe
und vorzugsweise eine unverzweigte oder verzweigte
C₁-C₄-Alkylgruppe bedeutet und (2) R² eine gesättigte oder
ungesättigte unverzweigte oder verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe
und vorzugsweise eine Alkylgruppe ist. Geeigneterweise
hat R² 1 bis 18 C-Atome. Bei einigen Flockungsmitteln,
zum Beispiel bei solchen, n denen die R¹-
Gruppe(n) 1 bis 8 C-Atome und die R²-Gruppe 10 bis 18
C-Atome aufweist, ist es wünschenswert, ein Gemisch von
polaren Lösungsmitteln einzusetzen, das polar protisch ist.
Innerhalb dieser spezifischen Gruppe bevorzugter kationischer
Diaminflockungsmittel können entsprechend den gewünschten
Eigenschaften des Endflockulats bestimmte Diaminflockungsmittel
ausgewählt werden. Mit anderen Worten ergibt
diese spezifische Gruppe von Diaminen ein Flockungsmittel,
das nicht nur höhere Naßfestigkeit und Wasserbeständigkeit
aufweist, sondern auch in bestimmten anderen
Kategorien, die von dem für R² ausgewählten Bereich der
Kohlenstoffkettenlänge abhängen, optimierte physikalische
Eigenschaften zeigt.
Zur Erzielung eines Endproduktes mit guter Biegsamkeit sollte
das verwendete Diamin den Diaminen der obigen Formel entsprechen,
wobei jedes R¹ Wasserstoff bedeutet und R² 1 bis 6
C-Atome aufweist und insbesondere eine gesättigte, verzweigte
oder unverzweigte Alkylgruppe bedeutet. Spezifische
Diaminverbindungen, die verwendet werden können, um eine zusätzliche
Biegsamkeit zu erzielen, können ausgewählt werden
aus der Gruppe, bestehend aus Ethylen-, 1,2-Propan-, 1,4-
Butan-, 1,3-Propan-, 1,5-Pentandiammonium und Diammoniummethan.
Eine zweite Gruppe von Diaminen, die hervorragende Festigkeit
und Wasserbeständigkeit und insbesondere Naß- und
Trockendurchstoßfestigkeit und -zugfestigkeit aufweisen,
entspricht der obenangeführten Formel, worin R¹ Wasserstoff
bedeutet und R² 6 bis 18 C-Atome aufweist. Vorzugsweise
ist R² außerdem eine unverzweigte oder verzweigte
Alkylgruppe. In dieser Kategorie von Diaminen können
bevorzugte Verbindungen ausgewählt werden aus der Gruppe,
bestehend aus 1,6-Hexan-, 1,7-Heptan-, 1,8-Oktan-, 1,9-
Nonan-, 1,10-Dodekan-, 1,11-Undekan- und 1,12-Dodekandiammonium.
Eine andere Kategorie von Diaminen, die noch wichtiger sind
für die Herstellung von Verbundkörpern, Filmen, Schichtkörpern
und anderen Erzeugnissen, die gute dielektrische Eigenschaften
aufweisen müssen, sind die Verbindungen, die der
obigen Formel entsprechen, worin R¹ Wasserstoff bedeutet und
R² 8 bis 18 C-Atome aufweist. Am meisten bevorzugt sind
unter ihnen Verbindungen, worin R² eine Alkylgruppe ist. Die
am meisten bevorzugten Verbindungen aus dieser Kategorie
können ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus 1,8-
Oktan-, 1,9-Nonan-, 1,10-Dodekan-, 1,11-Undekan- und 1,12-
Dodekandiammonium.
Die erfindungsgemäßen ausgeflockten Silikate können durch
Umsetzung einer geeigneten Silikatdispersion mit einer
Quelle von Austauschkationen hergestellt werden, die von den
oben angeführten Di-, Tri- und Tetraaminverbindungen abgeleitet
sind, um einen Ionenaustausch zwischen den polyaminderivierten
Kationen und den Zwischengitterkationen im
Silikatgel zur Bildung ionenausgetauschter geflockter Teilchen
durchzuführen. Gegebenenfalls wird gerührt.
Bei der kationischen Austauschreaktion können eine oder
mehrere unterschiedliche Arten der vorliegenden Kationen
verwendet werden. Da die verschiedenen Kationen ein Flockulat
ergeben und gegebenenfalls Erzeugnisse mit bestimmten
optimierten physikalischen Eigenschaften, werden die konkreten
Kationen oder Gemische davon ausgehend vom gewünschten
Endzweck ausgewählt.
Die Ausdrücke "polyaminderivierte Kationen", "kationisches
Derivat" oder der gleichen bedeuten hier, daß das Zentrum der
kationischen Aktivität auf die Stickstoffgruppen der Polyamine
gelegt wird. Dies erfolgt durch Protonierung der Polyamine
oder durch Verwendung des quarternären Ammoniumsalzes
zur Erzielung einer positiven Ladung. Dies findet statt vor
dem Kationenaustausch mit dem gequollenen Silikatgel.
Obwohl vorzugsweise gewünschte Erzeugnisse durch Bildung des
Erzeugnisses aus einer Dispersion mit einem höheren Feststoffgehalt
hergestellt werden, ist es auch möglich, die Erzeugnisse
aus dem ausgeflockten Stoff herzustellen. Die konkreten
Schritte der Behandlung des Flockulats hängen von dem
jeweils zu bildenden Erzeugnis ab. Sollen zum Beispiel die
Erzeugnisse zu Bahnen weiterverarbeitet werden, wird das
erhaltene ausgetauschte Flockulat mit einer ausreichenden
Schergeschwindigkeit gerührt, um eine Teilchengrößenverteilung
zu erreichen, die zu einer geeigneten Teilchenpackung
bei der Bildung der Bahn führt. Danach wird das
Flockulat gegebenenfalls zur Entfernung von überschüssiger
Salzlösung entfernt und die Konsistenz der geflockten
Aufschlämmung auf ca. 0,75% bis ca. 2% Feststoff eingestellt.
Diese Aufschlämmung wird dann auf eine Papiermaschine aufgegeben,
wo sie durch freie Entwässerung und/oder Vakuumentwässerung
entwässert wird und schließlich abgepreßt und
auf Trommeltrocknern getrocknet wird. Die auf diese Weise
erhaltene Bahn kann z. B. für Dichtungen und dergleichen verwendet
werden.
Gegebenenfalls können je nach dem Endverwendungszweck der
Erzeugnisse der ausgeflockten Mineralsuspension zusätzliche
inerte Stoffe zugesetzt werden. So z. B. können dem
Flockulat zur Verbesserung des Entwässerungsgrades und zur
Gewährleistung eines Endproduktes mit erhöhter Festigkeit
und/oder Handhabung ein oder mehrere Faserstoffe aus der
Gruppe der natürlichen oder synthetischen organischen oder
anorganischen Fasern zugesetzt werden. Sind z. B. die gewünschten
Endprodukte Dichtungen, sind die zu wählenden
Fasern Cellulose-, Glas- und/oder Kevlar-Fasern (ein Warenzeichen
der Firma DuPont für eine aromatische Polyamidfaser).
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird
auf der ersten Stufe des Verfahrens zur Herstellung einer
homogenen Silikat-Faser-Dispersion ein Faserstoff eingearbeitet.
Dieses Gemisch wird dann geflockt. Es können sowohl
organische als auch anorganische Fasern verwendet werden,
wobei Polybenzimidazolfasern bevorzugt werden. Die Fasern
können mit der Dispersion oder dem Flockulat in einer Menge
von ca. 5 bis ca. 50 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Feststoffanteil,
kombiniert werden. Falls gewünscht, kann die
Dispersion auf ein gewebtes oder nicht gewebtes Fasersubstrat
aufgebracht und danach ausgeflockt werden.
Der Kationenaustausch erfolgt vorzugsweise auf einem aus dem
Silikatausgangsmaterial geformten Produkt. In diesem Fall
wird jedes gewünschte zusätzliche inerte Material zu der
das Silikatausgangsmaterial enthaltenden Dispersion zugegeben,
bevor das Produkt geformt wird und natürlich auch vor
der nachfolgenden kationischen Austauschreaktion.
Es wurde gefunden, daß die Anwesenheit von Epoxyharzen in
den vorliegenden Zusammensetzungen besonders wünschenswert
ist. Der Einsatz von Epoxyoligomeren erhöht die Festigkeit
des Endproduktes, und ihre Verwendung in Verbindung mit dem
mit einem Diamin ausgetauschten Flockulat scheint eine
doppelte Funktionalität der Diamine zu bewirken, die nicht
nur als Austauschkationen für das Silikatschichtmaterial,
sondern auch als Vernetzungsmittel für das Epoxyharz fungieren.
Das Reaktionsprodukt hat verbesserte Festigkeits-
und dielektrische Eigenschaften sowie eine verbesserte
chemische Beständigkeit.
Gegebenenfalls kann ein organisches Oligomer, wie zum Beispiel
ein ausgewähltes Epoxyharz homogen mit dem 2 : 1-geschichteten
Silikatmaterial unter nachfolgender Ausflockung
kombiniert werden; alternativ dazu kann das organische
Oligomer auch nach der Ausflockung zugesetzt werden.
Um den gewünschten prozentualen Feststoffgehalt zu erhalten,
kann man das dispergier- oder quellbare 2 : 1-geschichtete Silikatmaterial
mit einer bestimmten Menge der polaren Flüssigkeit
mischen oder der bereiteten Dispersion Lösungsmittel
entziehen.
Danach kann ein Gemisch aus Oligomer und Silikat mit einer
bestimmten Viskosität hergestellt werden. Die Ausflockung
kann dann in einem Bad durchgeführt werden, wie zum Beispiel
durch Vereinigung des homogen dispergierten Gemisches mit
einer das Flockungsmittel enthaltenden Lösung, obwohl aus
dem nicht geflockten homogen dispergierten Gemisch von
Silikat und Oligomer ein Erzeugnis oder Film hergestellt
werden kann. Das aus der Dispersion des 2 : 1-geschichteten
Silikats und organischen Oligomers geformte Erzeugnis kann
dann mit dem Flockungsmittel zur Durchführung des Ionenaustausches
in Berührung gebracht werden, wodurch es zur Ausflockung
des Silikats kommt.
Unter einem organischen Oligomer versteht man eine Verbindung
mit 3 bis 15 wiederkehrenden Einheiten. Das Molekulargewicht
dieser Stoffe liegt gewöhnlich in einem Bereich von
350 bis 10 000. Epoxyharze sind das bevorzugte Oligomer und
haben gewöhnlich 5 bis 15 wiederkehrende Einheiten pro Molekül
und ein Molekulargewicht im Bereich von 1500 bis 3000.
Werden die Epoxyharze vor der Ausflockung mit den Silikatstoffen
gemischt, können vor der Ausflockung auch Härtungsmittel
zugemischt werden. Nach der Ausflockung kann dann das
Epoxyharz, das im Flockulat enthalten ist, gehärtet werden,
gewünschtenfalls dadurch, daß man das Flockulat im allgemeinen
bei einer Temperatur im Bereich von ca. 120 bis ca.
220°C erwärmt.
Filme können aus beliebigen oben beschriebenen 2 : 1-Silikatdispersionen,
einschließlich Epoxyharz enthaltender Dispersionen,
hergestellt werden. Der Film kann mit Hilfe einer
Filmziehvorrichtung aufgezogen werden, wonach dann die Ausflockung
durch Kontaktierung des Films mit dem Flockungsmittel
durchgeführt wird.
Es wurde gefunden, daß Epoxyharze enthaltende Filme halbdurchscheinend
hergestellt werden können, indem man die Filme
bei erhöhter Temperatur trocknet. Auf diese Weise kann ein
in ein geflocktes 2 : 1-geschichtetes Silikat eingeschlossener
halbdurchscheinender Epoxyharzfilm hergestellt werden,
indem man einen vorgängig hergestellten und ausgeflockten
Film bei erhöhten Temperaturen trocknet. Zur Vermeidung der
Blasenbildung im Film sollten die Temperaturen unter dem
Siedepunkt des Wassers liegen. Zweckmäßigerweise liegt die
Temperatur zwischen ca. 45 und ca. 95°C.
Das geflockte 2 : 1-geschichtete Silikat und die Epoxyharzgemische
enthalten ca. 1 bis ca. 75 Gew.-% Epoxyharz, bezogen
auf das Trockengewicht, bei einem Silikatgehalt von ca. 99
bis ca. 25 Gew.-%. Der bevorzugte Bereich für die Epoxyharzkonzentration
liegt zwischen ca. 10 und ca. 60 Gew.-%.
Bei der Herstellung derartiger Stoffe können eine homogene
Dispersion mit 5% Gesamtfeststoff oder darüber aus Epoxyharz
und aufgetrennten 2 : 1-geschichteten Silikatstoffen
hergestellt werden. Die Feststoffe weisen für die Erzielung
eines geeigneten Flockulats einen Epoxyharzgehalt von ca. 1
bis ca. 75 Gew.-% auf. Für Dispersionen mit einem Gesamtfeststoffgehalt
von weniger als 5% liegt die Epoxyharzkonzentration
in der Feststoffdispersion vorzugsweise bei
ca. 2 bis ca. 79 Gew.-%.
Die von den oben angeführten Diammoniumverbindungen abgeleiteten
kationischen Flockungsmittel sind besonders bevorzugt
für die Mischung mit Epoxyharz aufgrund der höheren
Festigkeit und elektrischen Eigenschaften, die mit den hergestellten
Stoffen erzielt werden können.
Obwohl es möglich ist, auch andere kationische Flockungsmittel
wie Aluminium, Barium usw. für die Ausflockung
homogener Dispersionen von 2 : 1-geschichteten Silikatstoffen
und Epoxyharz zu verwenden, ergeben derartige Flockungskationen
einen Stoff mit ungünstigerer Wasserbeständigkeit,
Zugfestigkeit, Elastizität und elektrischen Eigenschaften
usw. Die von den oben beschriebenen Diammoniumkationen abgeleiteten
Flockungskationen sind daher die am meisten bevorzugten
Flockungsmittel. Andere bevorzugte Flockungskationen
sind Kationen, die abgeleitet sind von Verbindungen der
Formel [R⁴C(R⁵)R⁶], in welcher R⁴, R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander
ausgewählt sind aus der Gruppe NH₂ und CH₃, jedoch
mit der Maßgabe, daß von R⁴, R⁵ und R⁶ mindestens zwei oder
mehr NH₂ bedeuten und mit der weiteren Maßgabe, daß anstatt
eines oder mehrerer Wasserstoffatome der Gruppen R⁴, R⁵ und
R⁶ ein Substituent stehen kann, ausgewählt aus der Gruppe
C₁-C₅-Alkyl, C₂-C₅-Alkenyl und C₂-C₅-Alkinyl, wobei diese
Substituenten zu einem oder mehreren Ringen verbunden sein
können, die gesättigt, ungesättigt oder aromatisch sein
können. Bevorzugte kationische Flockungsmittel in dieser
Gruppe können aus Guanidinium, Amino-, Diamino-, Methyl-
und Tetramethylguanidinium, Melaminium, 2-Aminopyridinium
und 2-Diaminopyridinium ausgewählt werden.
Bei Verwendung von Diammoniumkationen kann die Ausflockung
mit Hilfe einer wäßrigen Lösung durchgeführt werden, die
eine Konzentration an Flockungskationen von lediglich 0,01
Mol aufweist. Der bevorzugte Konzentrationsbereich liegt jedoch
zwischen ca. 0,1 und 0,5 Mol. Die Flockungskationen
wirken auf das Silikat ein, indem sie die Silikatschichten
zusammenballen und sie unter Bildung des Flockulats zusammenhalten.
Ohne sich an eine bestimmte Theorie zu binden,
nimmt man an, daß bei der Ausflockung der Silikatschichten
die Tendenz besteht, das übrige Material einzuschließen,
indem es fester in das Flockulat eingebunden wird. Es ergibt
sich auf diese Weise ein elastischeres und festeres
Erzeugnis als dies der Fall wäre, wenn der Stoff nach der
Ausflockung zugesetzt würde. Man zieht es daher vor, die
Silikatdispersion mit Stoffen wie Fasern oder Epoxyharzen
vor der Ausflockung zu mischen.
Wird in den Silikatstoffen das Epoxyharz verwendet, wird
gewünschtenfalls ein Härtungsmittel zugesetzt. Die Härtung
kann dann zweckmäßigerweise zu einem bestimmten Zeitpunkt
nach der Ausflockung durch Anheben der Temperatur der geflockten
Produkte durchgeführt werden. Wurde ein Erzeugnis,
wie zum Beispiel ein Film, gebildet, sei es nun aus dem
Flockulat selbst oder aus einer Dispersion mit einem
hohen Prozentanteil an Feststoffen (wie zum Beispiel 5 bis 50%
Feststoff), kann die Härtung dadurch durchgeführt werden,
daß man das Erzeugnis einer Trocknungsstufe (bei einer
Temperatur von Umgebungstemperatur bis 90°C) aussetzt, wonach
die Temperatur zur Durchführung der Härtung angehoben
wird. Der Temperaturbereich für die Härtung beträgt 120 bis
ca. 220°C. Es muß festgehalten werden, daß der Dispersion
mit dem Härter ein Härtungsbeschleuniger zugesetzt werden
kann. Der Zusatz solcher Stoffe zum Epoxyharz enthaltenden
Gemisch während des Verfahrens und vor der Ausflockung wird
bevorzugt gegenüber der Zugabe der Stoffe danach, obwohl der
Härter auch zu jedem beliebigen anderen Zeitpunkt des Verfahrens
sowohl während der Ausflockung als auch danach zugesetzt
werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn
Schichtkörper und Folien hergestellt werden. Der Härter
kann auch oberflächlich aufgebracht werden.
Bevorzugte verwendbare Epoxyoligomere sind festes Bisphenol,
ein Epoxy, mit Urethan modifiziertes Bisphenol, ein Epoxy,
polyfunktionelle aromatische Epoxyverbindungen und mit Elastomer
modifiziertes Bisphenol, ebenfalls ein Epoxy. Das
äquivalente Gewicht der Epoxyverbindung liegt zweckmäßigerweise
im Bereich von 100 bis 750.
Der Ausdruck "wasserbeständig" schließt nicht mit ein, daß
die erfindungsgemäßen Erzeugnisse wasserdicht bzw. völlig
wasserundurchlässig sind. Der Ausdruck bedeutet, daß die
Stoffe bei Wassereinwirkung keine wesentliche Verschlechterung
zumindest in ihrer Zugfestigkeit, Dehnung und Durchstoßfestigkeit
erfahren.
Zusätzlich zu ihrer Wasserbeständigkeit und ausgezeichneten
Feuer- und Wärmebeständigkeit besitzen die erfindungsgemäßen
Erzeugnisse auch ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften,
weshalb sie für eine Reihe von Verwendungszwecken wie für
elektrische Isolatoren, Kabelummantelungen und insbesondere
gedruckte Schaltungen in Frage kommen.
In den nachfolgenden Beispielen wurde, sofern nichts anderes
angegeben ist, als Ausgangsmaterial ein Lithiumfluorhectorit
verwendet, das nach dem in der US-PS 42 39 519 beschriebenen
Verfahren hergestellt wurde. Alle Teile und Prozentsätze
sind, sofern nichts anderes angegeben ist, Gewichtsteile
bzw. -prozente. Die angeführten Beispiele sollen die
Erfindung erläutern und schränken sie in keiner Weise ein.
Dieses Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung
eines mit Diamin ausgetauschten ausgeflockten Fluorhectoritsilikats
und einer daraus geformten Bahn.
Bereitet wird eine Aufschlämmung aus 1,6-Hexandiammoniumfluorhectorit
(hergestellt aus dem entsprechenden Diamin)
durch Zugabe von 200 g einer 10%igen Dispersion von Lithiumfluorhectorit
zu 2 l 1 N 1,6-Hexandiaminhydrochloridlösung.
Danach wird die Aufschlämmung zur Verminderung
der Teilchengröße des Flockulats in einem Mixer mit hoher
Schergeschwindigkeit gerührt, dann gewaschen, auf den
Wassergehalt hin analysiert und verdünnt, bis man eine
Aufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 2% erhält.
Danach wird die Aufschlämmung auf ein Handpreßwerkzeug zur
Formung einer Bahn der Firma Williams Apparatus Co., 29,21×
29,21 cm (11,5″×11,5″) aufgegeben und entwässert. Dann
wird die erhaltene Bahn naß verpreßt und auf einem Trommeltrockner
getrocknet. Die Bahn weist hohe Biegsamkeit auf
und zeigt beim Dichtungstest gutes Abdichtverhalten.
Gemäß Beispiel 1 wurde ein Handschöpfmuster aus der Suspension
der nachfolgenden Zusammensetzung hergestellt:
Masse-%
1,6-Hexandiammoniumfluorhectorit 58,7
NBR-Latex 3,2
Alaun 2,9
Mikrotalk 5,9
Rotholzfaser 2,9
Kevlar®-Faser 2,9
Mineralwolle 23,5
Gesamt100,0
Das erhaltene Handschöpfmuster wurde Dichtungstests unterzogen,
und zwar elektromechanischen Luftverlusttests entsprechend
den Vorschriften für technisches Papier No.
83022 [ISSN 0148-7191 (83/0228-0220, 1983) ] der SAE (Society
of Automotive Engineers, Inc.), Seiten 1 bis 3.
Die Ergebnisse der Tests waren folgende:
Dieses Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung
von erfindungsgemäßen Filmen mit kationischem Austausch in
situ.
Gemäß den in der US-PS 42 39 519 angegebenen Verfahren
wird eine Lithiumfluorhectoritdispersion mit
einem Feststoffgehalt von 10% bereitet. Danach wird
mit Hilfe eines 0,11 mm-(4,5 mil-)Bird-Applikators mit
einer Breite von 12,7 cm auf einer Glasplatte ein
0,11 mm (4,5 mil) dicker nasser Film der Dispersion aufgezogen.
Dann wird die Glasplatte mit dem darauf haftenden
Film in eine 1,6-Hexandiamindihydrochloridlösung (0,25 M)
getaucht, um einen Kationenaustausch zwischen den 1,6-Hexandiammoniumkationen
und den Zwischenschichtkationen des
Fluorhectorits zu bewirken. Auf dem Film bildet sich dadurch
augenblicklich ein Häutchen, das anzeigt, daß der
Austausch stattgefunden hat. Nach 10 Minuten wird der Film
von der Platte entfernt, zur Entfernung der Restsalze in
deionisiertem Wasser gewaschen und getrocknet. Der Film
zeigt eine hohe Biegsamkeit und ein hohes Vermögen, die
Festigkeit im feuchten Zustand beizubehalten.
Für jedes dieser Beispiele wurde das Verfahren nach Beispiel
3 im wesentlichen wiederholt, nur daß zur Bildung
des entsprechenden Films die nachfolgend angegebenen
Austauschkationen (hergestellt aus den entsprechenden
Diaminen) verwendet wurden.
BeispielAustauschkation
4N,N,N′,N-Tetramethylethylendiammonium
5o-Phenylendiammonium
61,2-Propandiammonium
71,8-Octandiammonium
82,5-Tolylendiammonium
91,7-Heptandiammonium
101,9-Nonandiammonium
111,5-Pentandiammonium
121,2-Ethylendiammonium
131,3-Propandiammonium
141,4-Butandiammonium
151,12-Dodecandiammonium
Diese Vergleichsbeispiele illustrieren Fluorhectoritfilme,
die mit verschiedenen bekannten Austauschkationen
hergestellt worden sind. 0,11 mm (4,5 mil)
dicke Filme von Kaliumfluorhectorit (KFH) und Ammoniumfluorhectorit
(NH₄FH) werden getrennt hergestellt. Dann
wird sowohl aus der KFH-Aufschlämmung als auch der
NH₄FH-Aufschlämmung ein Film gegossen. Danach wird nach
Beispiel 2 ein Kymene-Fluorhectoritfilm (Kymene ist
ein Warenzeichen der Firma Hercules, Incl., für ein kationisches
Polyamid-epichlorhydrinharz) hergestellt, nur
daß eine 3,0%ige Kymene-Lösung verwendet wird und der
Lithiumfluorhectoritfilm in die Kymenelösung zwei
Stunden lang eingetaucht wird, bis der erhaltene ausgetauschte
Film so weit selbsttragend ist, daß er von
der Glasplatte entfernt werden kann. Diese Filme werden
dann zusammen mit den in Beispiel 3 bis 15 hergestellten
Filmen einem Zug- und Durchstoßfestigkeitstest unterzogen,
wobei diese Tests folgendermaßen durchgeführt
werden:
Die Zugfestigkeit im trockenen Zustand wird mit einer
Haltevorrichtung (Instron) mit einem Klauenabstand von
3,81 cm (1½″) und bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,51
cm/min (0.2″/min) durchgeführt. Die Naßfestigkeitsmessung
wird so durchgeführt, daß man wassergesättigte Schwämme
mit beiden Seiten der Filmprobe 10 sec lang in Kontakt
bringt, wobei die Probe unmittelbar vor der Durchführung
des Festigkeitstestes in die Klauen der Haltevorrichtung
eingespannt wird.
Eine Filmprobe wird in eine Haltevorrichtung fest eingespannt.
Danach wird senkrecht zur Oberfläche des
Films ein diesen berührender Stift angeordnet und mit
zunehmendem Gewicht belastet, bis der Stift den Film
durchdringt. Beim Naßtest wird der Film in der Haltevorrichtung
in deionisiertes Wasser 10 sec lang eingetaucht,
wobei der Durchstoßfestigkeitstest augenblicklich
durchgeführt wird.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in der nachfolgenden
Tabelle zusammengefaßt:
Die Testergebnisse zeigen, daß die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Filme erheblich höhere
Naßzugfestigkeit und/oder Naßdurchstoßfestigkeit zeigen
als die bekannten Zusammensetzungen.
Ein nach Beispiel 3 hergestellter Film wird nach der
Trocknung einem Feuer- und Rauchbeständigkeitstest entsprechend
den Verfahren nach ASTM-E-662-79 unterzogen.
Es werden drei getrennte Tests durchgeführt. Die Ergebnisse
sind nachfolgend zusammengefaßt.
(Die Zahlenwerte entsprechen der maximalen optischen Dichte,
wie in N.B.S. Technical Note Nr. 708 angegeben.)
Entflammung0
Schwelen0
Sauerstoffindex Typ C ASTM-D-2863-77
Kritischer Sauerstoffindex - 100% O₂
Kritischer Sauerstoffindex - 100% O₂
Strahlungsheizung nach ASTM-E-162-79
Flammenausbreitungsfaktor1,00
Hitzeentwicklung0,0
Flammenausbreitungsindex0,0
Ein Film nach Beispiel 2 wurde nach Trocknen nach ASTM-
D-150 auf seine Dielektrizitätskonstante und seinen Verlustfaktor
hin getestet und nach ASTM-D-149 auf seine
Durchschlagfestigkeit. Die unten zusammengefaßten Ergebnisse
zeigen, daß der Film Eigenschaften aufweist, die
ihn für die verschiedensten elektroisolierenden Zwecke
geeignet erscheinen lassen:
Die Durchschlagfestigkeit betrug 22 716 v/mm (577 v/mil).
Diese Beispiele illustrieren die Verwendung von Silikatstoffen
als Ausgangsmaterial, die in ihrer Ladung
pro Struktureinheit und in ihren physikalischen Meßergebnissen
außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches
liegen.
Für das Vergleichsbeispiel 4 wird aus dem aus dem Tonminerallager
der Firma Clay Minerals Society, Bloomington,
Indiana, stammenden natürlichen Hectorit eine 10%ige
wässerige Dispersion bereitet. Für Vergleichsbeispiel
5 wird aus einem aus derselben Quelle stammenden
Natriummontmorillonit eine 10%ige wässerige Dispersion
bereitet. In jedem Beispiel wird unter Verwendung der
in Beispiel 2 angegebenen Verfahren ein Film aufgezogen.
Die Glasplatten werden dann 10 Minuten lang in
eine 0,25 M 1,6-Diammoniumhexanlösung getaucht. In
beiden Fällen erhält man keinen zusammenhängenden Film.
Dieses Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Films unter Verwendung
eines Vermiculit-Ausgangsmaterials:
Eine nach den in der US-PS 33 25 340 angegebenen Verfahren
bereitete, 10% Feststoff enthaltende Suspension
von n-Butylammoniumvermiculit wird auf eine Glasplatte
gegossen. Der Film wurde dann, wie in den Vergleichsbeispielen
1-3 und in den Beispielen 3-15 beschrieben,
auf Naß- und Trockenzugfestigkeit getestet. Die Trockenzugfestigkeit
betrug 266,7 bar (3796 psi) und die Naßzugfestigkeit 93,25 bar (1327 psi).
Dieses Beispiel illustriert die Herstellung von Fasern unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine 15%
Feststoff enthaltende Lithiumfluorhectoritsuspension, die
wie oben ausgeführt hergestellt wurde, wird durch eine Nadel
mit einer 0,28 mm-(11 mil-)Düse in eine 2 N-Lösung von
1,6-Hexandiamin · 2 HCl extrudiert. Dann wird die extrudierte
Faser mit Hilfe eines porösen Bandes in ein zweites
Bad mit 2 N 1,6-Hexandiamin · 2 HCl befördert. Die auf
diese Weise hergestellten Fasern werden durch Eintauchen in
deionisiertes Wasser gewaschen und getrocknet. Die erhaltene
Faser erweist sich als fest und biegsam.
Dieses Beispiel illustriert die Zugabe eines Epoxyharzes
zu Blattsilikatschichtkörpern.
Codispersionen des Diglycidylethers von Bisphenol A (DGBA)
und Lithiumfluorhectorit (LiFH) wurden hergestellt durch
Zugabe des Epoxyharzes zu einer 10%igen (Feststoffgehalt)
wässerigen Lithiumfluorhectoritdispersion. Die Codispersion
wurde dann bei hoher Schergeschwindigkeit gemischt. Es
wurden Codispersionen bei folgenden Verhältnissen von
LiFH zu DGBA bereitet:
- 1. 100 g 10% (Feststoffgehalt) LiFH-Dispersion (10 g LiFH-Feststoff), 0,1 g Epoxyharz (auf der Basis von ca. 1% Feststoff).
- 2. 100 g 10% (Feststoffgehalt) LiFH-Dispersion, 1,1 g Epoxyharz (ca. 11%).
- 3. 100 g 10% (Feststoffgehalt), 2,5 g Epoxyharz (ca. 25%).
Die Filme wurden dadurch gebildet, daß man 0,11 mm (4,5 mil)
dicke nasse Filme mit Hilfe eines Byrd-Applikators auf
Glasplatten herstellte und die Filme dann in eine 0,25 M-
Lösung von Hexandiamin · 2 HCl bei einem pH von 7,0
eintauchte. Die erhaltenen Filme wiesen eine gute Naßfestigkeit
des mit Hexamethylendiammonium ausgetauschten Fluorhectorits
auf. Zur Entfernung des überschüssigen Hexandiamin · 2 HCl
wurde der erhaltene Film mit deionisiertem
Wasser gewaschen und bei 60°C getrocknet. Die getrockneten
Filme, die sich als flexibel erwiesen, wurden 3 Stunden
lang auf 150°C erwärmt. Die erhaltenen Filme zeigten erhöhte
Steifigkeit, wie es bei Epoxyhärtung zu erwarten wäre.
Das 1,6-Hexandiammoniumkation scheint somit auf die Austauschfunktion
des Schichtsilikats und die Epoxyhärtung eine
Wirkung auszuüben.
Eine andere Methode zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Produkte besteht darin, daß man die oben beschriebenen
Epoxyharz-Fluorhectorit-Codispersionen durch Zugabe der
Codispersion zu einer 0,25 M-Lösung von 1,6-Hexandiamin · 2 HCl
unter Rühren in ein Flockulat umwandelt. Nach dem Auswaschen
des überschüssigen Hexandiamin · 2 HCl aus dem
Flockulat wurde der Flockulatfeststoffgehalt auf 2% eingestellt,
wonach man zur Verminderung der Teilchengröße
bei hoher Schergeschwindigkeit mischte. Der erhaltene Stoff
wurde in eine nichtporöse Form gebracht, in der man ihn
zur Bildung kohärenter flexibler Filme von ca. 0,25 mm
(10 mil) Dicke trocknen ließ.
Die Filme wurden anschließend bei 150°C 3 Stunden lang
heiß verpreßt. Die so erhaltenen Filme wiesen erhöhte
Steifigkeit auf.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Produkte können 1 bis
80 Gew.-Teile Epoxyharz, bezogen auf das Feststoffgewicht
des Blattsilikatausgangsmaterials, verwendet werden.
Dieses Beispiel illustriert die Unterschiede bezüglich der
Dehnungseigenschaften und der elektrischen Eigenschaften,
die dadurch erzielt werden können, daß man das in dem erfindungsgemäßen
Austauschprozeß verwendete Diammoniumion variiert.
Für diese Tests wurden Filme unter Verwendung von Vermiculitdispersionen
hergestellt. Ein Film wurde dadurch hergestellt,
daß man mit Hilfe eines 0,24 mm-(10 mil-)Byrd-Applikators mit
einer Breite vn 12,7 cm (5″) auf einer Glasplatte einen Film aufzog.
Die Glasplatte mit dem darauf haftenden Film wurde dann
zwecks Erzielung eines Kationenaustausches zwischen den 1,4-
Butandiammoniumkationen und den Vermiculitzwischengitterkationen
in eine 55°C warme 0,25 M-Lösung von 1,4-Butandiamindihydrochlorid
getaucht. Auf dem Film bildete sich nahezu
augenblicklich eine Haut, die anzeigte, daß solch ein Austausch
stattfand. Der Film wurde noch zusätzliche 4 Stunden zur Sicherstellung
des Austausches in der Lösung stehen gelassen. Der
Film wurde dann von der Platte entfernt, zur Entfernung der
Restsalze in entionisiertem Wasser gewaschen und getrocknet.
Dieser Film hatte eine extrem hohe Dehnung.
Bei jedem dieser Beispiele wurden die Verfahrensschritte aus
Beispiel 19 wiederholt, wobei das Austauschkation (alle aus
dem entsprechenden Diamin hergestellt) wie beschrieben zur
Bildung des entsprechenden Films verwendet wurden. Die Zugfestigkeit
und die Dehnungseigenschaften sind in Tabelle I
aufgeführt, während die elektrischen Eigenschaften in Tabelle II
gezeigt werden.
Allgemein zeigt der in Tabelle I angeführte, gegen ein Diammonium
ausgetauschte Vermiculit eine hohe Zugfestigkeit sowohl
im nassen als auch im trockenen Zustand. Die guten Dehnungseigenschaften
der Filme aus den Beispielen 19-22 sind wahrhaft
einzigartig und liegen überraschend höher als die aus den Beispielen
23-27. Aufgrund ihrer guten Dehnungseigenschaften
können die Filme aus den Beispielen 19-23 auch in solchen Fällen
verwendet werden, in denen die Schichtsilikatwerkstoffe
nur für Umhüllungen verwendbar sind.
Wie aus der Tabelle II ersichtlich, hat das bei der Herstellung
der Filme verwendete Austauscherion einen überraschenden Einfluß
auf die dielektrischen Eigenschaften von Filmen auf Schichtsilikatbasis.
Allgemein sind die dielektrischen Eigenschaften
der Filme um so besser, je länger die Kohlenstoffkette zwischen
den Ammoniumgruppen ist. Insgesamt sind die Beispiele 25, 26
und 27 insofern einzigartig, als es keinen nennenswerten Unterschied
bei der Dielektrizitätskonstante und dem Verlustfaktor
zwischen den Werten für 100 Hz und 1 MHz gibt. Das ist
ein äußerst wünschenswertes Merkmal für Werkstoffe, die in der
Elektrotechnik angewendet werden sollen. Die Dielektrizitätskonstante
und der Verlustfaktor wurden gemäß den allgemeinen
Richtlinien der ASTM-D-150 mit Hilfe einer geschützten Elektrode
mit drei Anschlüssen ermittelt, allerdings mit den folgenden
Ausnahmen: 1) Die Proben waen je nach Notwendigkeit dünner als
empfohlen; 2) das Dreifachanschlußsystem wurde umgewandelt in
ein Fünffachanschlußsystem zwecks Anpassung an die Erfordernisse
des für die Messung von Kapazitanz und Leitfähigkeit zwischen
10 Hz und 10 MHz verwendeten Hewlett Packard 4192 A Low Frequency
Network Analyzer (Niederfrequenznetz-Analysator des Typs Hewlett
Packard 4192 A). Es wurden Elektroden verwendet, die entweder mit
Gold vakuumbedampft oder mit einer Silberschicht bestrichen waren
(Elektrodag 504, Hersteller: Acheson, Port Huron, Michigan).
Die Niedrigelektrode hatte einen Durchmesser von 3,175 cm (1,25″),
und die Probe hatte eine Dicke von etwa 0,024 mm (1 mil). Die
Standardisierung wurde so vorgenommen, daß man die Dielektrizitätskonstante
von Teflon®-Platten mit ähnlicher Dicke mit denselben
Elektrodentypen bestimmte. Die erhaltenen Werte für Teflon®
stimmten mit denen in der Literatur mit einer Abweichung
von 2% überein.
Das für dieses Beispiel verwendete Epoxyharz war eine nichtionische
Dispersion (CMD W60-5520) eines mit Urethan modifizierten
Bisphenol A-Epoxyharzes mit einem Epoxid-Äquivalentgewicht
von 540 und einem Feststoffgehalt von 60%.
Eine wäßrige Lösung eines Epoxyhärters wurde auf folgende
Weise hergestellt:
117,6 g entionisiertes Wasser wurden auf einer magnetischen
Rührheizplatte auf 50°C erwärmt. Dem wurden 31,5 g Dicyandiamid
(Dicy) langsam zugegeben. Die Temperatur wurde auf 65-70°C
erhöht, was zur vollständigen Auflösung des Dicy führte. Dieser
heißen Lösung wurden dann 0,9 g 2-Methylimidazol (2-MI) beigegeben
(2-MI wurde als Härtungsbeschleuniger verwendet).
Danach wurde eine katalysierte Epoxydispersion dadurch
hergestellt, daß man 10 g der o. a. heißen Härtelösung 150 g
wäßrigem, mit Urethan modifiziertem Epoxyharz (CMD W60-5520)
beimengte. Dieser Dispersion wurden zusätzlich 3,6 g entionisiertes
Wasser (DI) zugegeben.
Es wurde eine Codispersion aus Epoxyharz und Vermiculit,
die auch einen Härter enthielt, folgendermaßen hergestellt:
17,04 g der oben beschriebenen Epoxyharz-Dispersion wurden
300 g einer Vermiculitdispersion mit einem Feststoffgehalt von
12% in entionisiertem Wasser zugegeben. Diese Mischung wurde
15 min lang mit niedriger Geschwindigkeit homogenisiert und
danach über Nacht stehen gelassen, damit eingeschlossene Luft
entweichen konnte.
Es wurden mit Hilfe eines Byrd-Applikators, der eine Öffnung
aufwies, die ausreichte, um Filme mit 0,24 mm (10 mil) Dicke
herzustellen, einzelne Filme auf saubere Glasplatten aufgezogen.
Die Platten wurden mit der Filmseite nach unten in eine 0,5 N-
(0,25 M-)Lösung aus 1,6-Hexandiamindihydrochlorid mit einem pH-
Wert von 7 getaucht und auf einer Temperatur von 55°C gehalten.
Die Filme wurden dann in entionisiertem Wasser gewaschen, bis
sie weitgehend von Chlorid frei waren (Silbernitrattest).
Ein Film wurde bei Umgebungstemperatur (20°C) getrocknet und
ein weiterer bei erhöhter (55°C) Temperatur, was überraschenderweise
vollständig unterschiedliche Ergebnisse brachte:
- (A) Nach dem Trocknen bei Umgebungstemperatur erhielt man einen opaken Film von 0,048-0,06 mm (2-2,5 mil) Dicke.
- (B) Nach dem Trocknen bei 55°C erhielt man einen halbdurchsichtigen Film von 0,024-0,036 mm (1-1,5 mil) Dicke.
REM-Querschnitte zeigten auch überraschende Unterschiede zwischen
den bei Umgebungstemperatur getrockneten Proben, die eine das
Licht streuende Schuppenstruktur aufwiesen, und den im
Ofen getrockneten Proben mit komprimierter Lamellenstruktur.
Es gab auch Anzeichen dafür, daß die Proben, die bei erhöhter
Temperatur gewonnen worden waren, verbesserte dielektrische
Eigenschaften aufwiesen.
Es wurden unter Verwendung von zwei verschiedenen Epoxyharzen
Epoxyharz-Silikat-Filmproben hergestellt, und zwar im allgemeinen
gemäß dem in Beispiel 4 beschriebenen Mischverfahren. Es wurden
die folgenden Epoxyharz- und Vermiculit-Codispersionen hergestellt:
Die Filme mit den o. a. Zusammensetzungen wurden mit Hilfe
einer 0,4 N-Lösung von 1,6-Hexandiamindihydrochlorid hergestellt.
Die Filme wurden in entionisiertem Wasser gewaschen
und dann bei 55°C getrocknet.
Eine Vielzahl von Schichten der Filme wurden heißgepreßt
zu Schichtkörpern, die eine Dicke von 0,096-4,8 mm (4-200 mil)
hatten. Vor dem Aufkaschieren ist es allgemein vorteilhaft, die
Filme stark zu erhitzen, um Spuren von Wasser und anderen flüchtigen
Stoffen zu entfernen. Ein 3-Stunden-Zyklus bei 150°C in
einem Konvektionsofen erbrachte gute Ergebnisse.
Es wurden verschiedene Tests mit den nachfolgenden Ergebnissen
durchgeführt:
Wie aus den Angaben für die Proben C und D zu ersehen ist,
übt der Härter einen beträchtlichen Einfluß auf die Glasübergangstemperatur
aus. Während der Härter der Silikat-Harz-Dispersion
wie bei Probe D und in Beispiel 4 gezeigt zugegeben
werden kann, ist es aber in vielen Fällen vorteilhaft, den
Härter oberflächlich aufzubringen. Dies ist besonders dort der Fall,
wo die Filme vor dem Aufkaschieren hoch vorerhitzt werden. Das
Aushärten erfolgt dann, wenn die Filme erhitzt werden.
Zu bemerken sind die hohen Biegemodulwerte für die Proben
A und B. Sie sind ein Anzeichen dafür, daß die Strukturen sehr
starr und glatt sind, d. h. ideal zur Verwendung z. B.
für gedruckte Schaltungen.
Es wurden unter Verwendung des Gemisches von Probe A (s.
Beispiel 29) mit den in Proben E-H beschriebenen unterschiedlichen
Härterlösungen Lösungen hergestellt. Probe I enthielt
keinen Härter. Es wurden die folgenden Lösungen hergestellt:
Probe Nr.Härterzusammensetzungen
E6,2% DDS (s. Punkt 8), 0,3% BF₃MEA Härtungsbeschleuniger
(s. Punkt 9), 93,5% Lösungsmittel (s. Punkt 10)
F12% DDS (s. Punkt 8), 0,6% BF₃MEA (s. Punkt 9),
87,4% Lösungsmittel
G1,6% Dicyandiamid, 0,8% 2-Methylimidazol, 97,6%
Lösungsmittel (s. Punkt 10)
H1,2% BF₃MEA (s. Punkt 8), 98,8% Lösungsmittel
(s. Punkt 10)
Ikeine
(8) Diamino-Dihenyl-Sulfon (DDS) (Härter HT 976 der Firma
Ciba-Geigy).
(9) Bor-Trifluorid-Monoethylamin (MEA)Komplex der Firma Harshaw Chemical.
(10) Das Lösungsmittel für den Härter war ein Gemisch aus Aceton und Methylisobutylketon im Verhältnis 50 : 50.
(9) Bor-Trifluorid-Monoethylamin (MEA)Komplex der Firma Harshaw Chemical.
(10) Das Lösungsmittel für den Härter war ein Gemisch aus Aceton und Methylisobutylketon im Verhältnis 50 : 50.
In diesem Experiment wurde ein Film des Gemisches A aus
dem vorangehenden Beispiel verwendet. Proben dieses Films mit
einer Größe von ca. 11,5×11,5 cm (4,5×4,5″) wurden in o. a.
Lösung getaucht, und es ergab sich eine Feuchtigkeitsaufnahme
von 50%. Nach Trocknen an der Luft zwecks Entfernung des Lösungsmittels
wurden die behandelten Filme 8 Stunden lang bei
100°C in einem Vakuumofen konditioniert. Es wurden dicke Schichtkörper
von 1,39 mm (58 mil) Stärke hergestellt, indem man 32 Filmschichten
unter Hitze zusammenpreßte. Die Glasübergangstemperatur
wurde mittels zweier Methoden (TMA & DSC) bestimmt und die
Ergebnisse in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:
Die Ergebnisse machen deutlich, daß alle Härter den Tg-Wert erhöhten
und dadurch die Effektivität einer oberflächlichen Anwendung
demonstrieren.
Dieses ist ein Beispiel für einen Silikat-Epoxy-Filmverbundkörper,
auf den von außen ein Harzkleber aufgebracht wurde.
Eine Lithium-Taeniolit-Dispersion (LiTn) (s. Punkt 1) und
das in Wasser dispersionfähige Epoxyharz nach Beispiel 28 wurden
auf folgende Weise hergestellt:
LiTn-Pulver wurde mit Hilfe eines Siebes mit 75 µm
großen Löchern gesiebt, wonach die mittlere Teilchengröße
22 µm betrug. Dann wurden 36 g dieses Pulvers mit Hilfe eines
Mischapparates in 264 g Wasser dispergiert. Dieser Dispersion
wurden 13,8 g der Epoxyharzdispersion unter Rühren zugegeben.
Nach Rühren mit mittlerer Intensität ließ man die Dispersion
eine Zeit lang stehen, um eingeschlossene Luft entweichen zu
lassen.
Dann wurden mit Hilfe des oben beschriebenen Bird-Applikators
Filme aus dieser Dispersion hergestellt, wobei man ein
aus 0,2 N Melaminhydrochlorid (pH-Wert 3,5) bestehendes Flockungsbad
zum Kationenaustausch mit einer Temperatur von 55-60°C verwendete.
Der getrocknete endgültige Film enthielt 15 Gew.-%
des Epoxyharzes und hatte einen X-Y-Achsen-CTE-Wert von 6 PPM/°C.
Eine Probe dieses Films wurde in die o. a. Epoxyharzdispersion
getaucht und nahm 21% Feuchtigkeit auf, was einen Gesamtgehalt
an Epoxyharz von 28% ergab, 15% davon innen und 13% außen. Nach
Trocknen an der Luft und Vorerhitzen wurden 8 Schichten des
beschichteten Films unter Hitze zusammengepreßt, was einen
Schichtkörper von ca. 0,5 mm (21 mil) Dicke und einen X-Y-(CTE)-
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 14 PPM/°C ergab. Ein ähnlicher
Schichtkörper, der innen einen Harzbindergehalt von 25% und außen
keine Harzbeschichtung aufwies, hatte einen CTE-Wert von 7,5
PPM/°C (ein wünschenswert niedriger Wert).
Dieser Glimmer zeigt, daß es zur Verringerung der Wärmeausdehnung
vorteilhaft ist, das Harz im Gemisch zu haben,
um eine oberflächliche Anwendung zu vermeiden. Die Werte
für die Wärmeausdehnung bei diesen Gemischen mit internem
Harzbindergehalt sind wünschenswerterweise niedriger als bei
Gemischen, die oberflächlich mit dem Harz beschichtet sind.
Dieses Beispiel zeigt als Gegensatz Ornithin mit den
erfindungsgemäßen Diammoniumverbindungen (ohne Säureanteil).
Eine Glasmatte wurde unter Verwendung eines 0,11 mm-(4,5
mil-)Bird-Applikators mit einer 10% Feststoffe enthaltenden
Lithium-Fluorhectorit-Dispersion gesättigt. Die beschichtete
Glasmatte wurde dann bei 60°C 1 Stunde lang in eine 0,25 M-
Lösung aus Ornithin-Hydrochlorid getaucht. Die beschichtete
Matte wurde dann aus dieser Lösung entfernt und zwecks Entfernung
des überschüssigen Salzes in entionisiertem Wasser gewaschen.
Während des Waschens wurde der gegen Ornithin ausgetauschte
Fluorhectorit von der Glasmatte abgewaschen, wonach die Matte
unbeschichtet und nahezu blank zurückblieb.
Es bleibt noch anzumerken, daß das Ornithin die Silikatdispersion
ausflockte, aber durch den Kontakt mit Wasser wurde
das gegen Ornithin ausgetauschte Silikat dispergiert und weggewaschen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Diammoniumkationen
können allerdings waschbare Silikatflockulate selbst bei einer
0,01molaren Lösung erhalten werden.
Claims (24)
1. Wasserbeständiges Silikatbaumaterial, insbesondere für
Bahnen, Papiere, Platten, Folien, Fasern und Schichtkörper,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine
Dispersion eines gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats
mit einer durchschnittlichen Ladungsdichte von ca. -0,4
bis ca. -1 aus Glimmer, Vermiculit oder Gemischen davon
darstellt, wobei das Silikat wenigstens einige Zwischengitterkationen
enthält, die im wesentlichen abgeleitet
sind von Verbindungen der Formel
worin jedes R¹ unabhängig Wasserstoff oder eine gesättigte
oder ungesättigte, unverzweigte oder verzweigte C₁-C₈-
Alkylgruppe und R² eine gesättigte oder ungesättigte, unverzweigte
oder verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe bedeuten.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß R¹ jeweils Wasserstoff und R² eine gesättigte
Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen bedeuten.
3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß R¹ jeweils Wasserstoff und R² eine gesättigte
Kohlenwasserstoffgruppe mit 10-18 C-Atomen bedeuten.
4. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß R¹ jeweils Wasserstoff bedeutet und R² 1 bis
6 C-Atome aufweist.
5. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß R¹ Wasserstoff bedeutet und R² 6 bis 18
C-Atome aufweist.
6. Wasserbeständiges Silikatbaumaterial, insbesondere für
Bahnen, Papiere, Platten, Folien, Fasern und Schichtkörper,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine Dispersion
eines gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats mit
einer durchschnittlichen Ladungsdichte von ca. -0,4 bis
ca. -1 aus Glimmer, Vermiculit oder Gemischen davon darstellt,
wobei das Silikat wenigstens einige Zwischengitterkationen
enthält, die im wesentlichen abgeleitet sind
von Verbindungen der Formel
[ (R³)₃N - (CX₂) n - N (R³)₃]+2in welcher jedes R³ unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff,
einer gesättigten oder ungesättigten, unverzweigten
oder verzweigten C₁-C₈-Alkylgruppe, einer acyclischen
C₃-C₆-Alkylgruppe oder einer Arylgruppe, mit der Maßgabe,
daß höchstens eine Arylgruppe mit jedem Stickstoff verbunden
ist, jede Gruppe X unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff,
einer Alkyl- oder einer Arylgruppe und n eine
ganze Zahl von 2 bis 15 bedeutet, wobei gegebenenfalls,
falls n 3 oder eine Zahl über 3 bedeutet, die CX₂-Gruppen
ringförmige Anteile bilden können, die aromatisch sein können.
7. Wasserbeständiges Silikatbaumaterial, insbesondere für
Bahnen, Papiere, Platten, Folien, Fasern und Schichtkörper,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine Dispersion
eines gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats mit
einer durchschnittlichen Ladungsdichte von ca. -0,4 bis
ca. -1 aus Glimmer, Vermiculit oder Gemischen davon darstellt,
wobei das Silikat wenigstens einige Zwischengitterkationen
enthält, die im wesentlichen abgeleitet sind
von Verbindungen der Formel
[R⁴C(R⁵)R⁶]in welcher R⁴, R⁵ und R⁶ unabhängig ausgewählt sind aus
NH₂ und CH₃, jedoch mit der Maßgabe, daß wenigstens zwei
oder mehrere der Gruppen R⁴, R⁵ und R⁶ NH₂ darstellen
und mit der weiteren Maßgabe, daß ein oder mehrere der
Wasserstoffatome von R⁴, R⁵ und R⁶ substituiert sein
können durch einen Substituenten, ausgewählt aus C₁-C₅-
Alkyl, C₂-C₅-Alkenyl und C₂-C₅-Alkinyl, wobei diese
Substituenten einen oder mehrere Ringe bilden können,
die gesättigt, ungesättigt oder aromatisch sein können.
8. Material nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das 2 : 1-geschichtete
Silikat ein synthetisches gelierbares Silikat
ist und die Zwischengitterionen Li⁺ und/oder Na⁺ darstellen.
9. Material nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem
noch ein organisches Oligomer enthält.
10. Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das organische Oligomer ein Epoxyharz
ist.
11. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dispersion des gequollenen
2 : 1-geschichteten Silikats in der Form eines Films
vorliegt, bevor es mit den Verbindungen in Berührung gebracht
wird, von denen die Zwischengitterkationen abgeleitet
sind.
12. Material nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion
des gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats einen
Feststoffgehalt von über 5 Gew.-% aufweist.
13. Material nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion
des gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats außerdem
Fasern enthält.
14. Material nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern nicht gewebte Fasern darstellen.
15. Material nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern gewebte Fasern darstellen.
16. Material nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fasern Polybenzimidazolfasern
sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines wasserbeständigen, hochtemperaturbeständigen
Nichtasbest-Silikat-Baumaterials
nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß man ein dispergiertes
2 : 1-geschichtetes Silikat mit einer durchschnittlichen
Ladungsdichte im Bereich von ca. -0,4 bis ca. -1,0
aus Glimmer, Vermiculit oder Gemischen davon, das austauschbare
Zwischengitterionen enthält, mit mindestens
einer Art eines Austauschkations, das abgeleitet ist
von Verbindungen, die im wesentlichen aus Diammonium-
oder Triammoniumverbindungen bestehen, in Berührung
bringt und eine Ionenaustauschreaktion zwischen wenigstens
einigen der austauschbaren Zwischengitterionen
und wenigstens einigen der ausgetauschten Kationen
durchführt und so das Silikat ausflockt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß das Silikat gequollen wurde, indem
man das 2 : 1-geschichtete Silikat mit einer polaren Flüssigkeit
innerhalb einer Zeitdauer, die für das Quellen
der Schichten und für die Gelbildung ausreichte, in Berührung
brachte.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß man (1) eine homogene Dispersion
von (a) einem 2 : 1-geschichteten Silikatmaterial mit einer
durchschnittlichen Ladungsdichte von -0,4 bis ca. -1,0
aus Glimmer, Vermiculit oder Gemischen davon, (b) einem
organischen Oligomer und (c) einer polaren Lösung herstellt
und (2) die Dispersion mit einem kationischen
Flockungsmittel in Berührung bringt, um so ein Silikatflockulat
zu bilden, das das organische Oligomer enthält.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die homogene Dispersion der
Verfahrensstufe (1) zu einem Film geformt wird, der
danach mit dem Flockungsmittel in Verfahrensstufe (2) in
Berührung gebracht wird.
21. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion
des 2 : 1-geschichteten Silikats zu einem Erzeugnis
preßgeformt wird, bevor sie mit den Di- oder Triammoniumverbindungen
in Berührung gebracht wird.
22. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion
des gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats mit
einem nicht gewebten Fasermaterial oder einem gewebten
Fasermaterial kombiniert wird, bevor sie mit den Di- oder
Triammoniumverbindungen in Berührung gebracht wird.
23. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß das ausgeflockte
Silikatprodukt dann mit Fasermaterial kombiniert
wird.
24. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion
des gequollenen 2 : 1-geschichteten Silikats mit dem organischen
Oligomer kombiniert wird, bevor es mit den Di-
oder Triammoniumverbindungen in Berührung gebracht wird.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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