[发明专利]层状硅酸盐的分层方法

说明书

本发明涉及一种在水性介质中将层状硅酸盐分层的方法，其中在第一步骤中用分层剂处理层状硅酸盐，和在第二步骤中使由此处理过的层状硅酸盐与水性介质接触，由此所述分层剂是具有正好一个带正电荷的原子的化合物，所述带正电荷的原子选自氮和磷；含有n_f个选自羟基、醚基团、磺酸酯基团和羧酸酯基团的官能团，n_f是3至10的数；包含4至12的碳原子总数n_c；具有1至2的比率n_c/(1+n_f)，其中n_c是所述分层剂的碳原子总数且n_f是ii.下定义的分层剂中的官能团的总数；含有n_t个选自碳、氮、磷、氧和硫的原子，n_t≥9；且其中所述分层剂以至少等于层状硅酸盐的阳离子交换容量的量用于处理层状硅酸盐。本发明还涉及由此制成的分层的层状硅酸盐、它们在复合材料和涂料生产中的用途和作为阻隔材料的用途。本发明还涉及含有由此制成的分层的层状硅酸盐的组合物。

本发明涉及层状硅酸盐在水性环境中分层的方法、由此制成的产物和这些产物作为阻隔材料(如各种制品的扩散或防火阻隔材料)的用途，特别是在复合材料中。

现有技术中已知的是将层状硅酸盐添加到表面涂料组合物或复合材料中。可由此改进所得体系的机械性质。特别地，以这种方式有可能提高表面涂层或复合材料层的阻隔作用。

已经表明，性质的改进程度明显取决于由层状硅酸盐制成的薄片(platelet)的长厚比(aspect ratio)。因此原则上理想的是制造具有高长厚比的薄片，因为借此有可能获得以特别好的机械性质和高阻隔作用为特征的表面涂层或复合材料。长厚比被理解为是薄片长度与薄片高度的商。因此，薄片长度的增加和薄片高度的降低带来长厚比的提高。层状硅酸盐的薄片高度的理论下限是单个硅酸盐片层(lamella)，其在2:1粘土材料的情况下达到大约1纳米。

通常，层状硅酸盐具有堆叠的硅酸盐片层，所谓的叠胶(tactoids)，其高度为几纳米至几毫米。

可以通过化学和/或物理处理、通过沿它们的堆叠轴劈开薄片而在特定界限内提高长厚比。

与剥离相伴的长厚比的提高被认为是例如制造具有改进的性质的聚合物-页硅酸盐(polymer-phyllosilicate)纳米复合材料的重要条件(H.A.Stretz,D.R.Paul,R.Li,H.Keskkula,P.E.Cassidy,Polymer 2005,46,2621-2637和L.A.Utracki,M.Sepehr,E.Boccaleri,Polymers for Advanced Technologies 2007,18,1-37)。

已知层状硅酸盐的加工中的缺点是它们在一些情况下矛盾的性质。例如，已知的是，水热生产的蒙皂石(smectites)表现出极好的溶胀行为，因此可实现自发剥离成单个硅酸盐片层。但是，这样的蒙皂石具有大约50纳米的小薄片直径，因此长厚比不超过50的值。

尽管蒙脱石或蛭石类型的天然页硅酸盐表现出几百纳米至几微米的薄片直径，但不发生自发分层。但是，可通过复杂的剥离步骤提高长厚比。

在专利和科学文献中，关于层状硅酸盐的层分离程度，术语“分层(delamination)”和“剥离(exfoliation)”不以一致的方式使用。本文所用的术语“分层”是指将层状硅酸盐的层分离为单个硅酸盐片层，而“剥离”是指层主要分离为硅酸盐片层的堆叠体。

可通过使薄片直径最大化和/或使其高度最小化而使长厚比最大化。尽管单个片层的直径极大取决于层状硅酸盐的类型及其层电荷，但2:1粘土材料的单个硅酸盐片层的高度相当恒定并且如上所述为大约1纳米。因此，目标始终是使薄片高度最小化，即通过分层获得单个硅酸盐片层。

因此，本发明的一个目标是提供能将层状硅酸盐分层为单片层而非将层状硅酸盐剥离成片层堆叠体的方法。