[发明专利]具有高纵横比的片状硅酸盐薄片

说明书

本发明涉及具有高纵横比的2:1片状硅酸盐的片状硅酸盐薄片，制备这些片状硅酸盐薄片的方法和包含片状硅酸盐薄片的水分散体。本发明进一步涉及本发明片状硅酸盐薄片在生产复合材料中的用途，以及包含或者可使用片状硅酸盐薄片得到的相应复合材料，其更特别地用作扩散屏障或阻燃剂。

本发明涉及具有高纵横比的2:1片状硅酸盐的片状(sheet)硅酸盐薄片(silicatelamellae)，制备这些片状硅酸盐薄片的方法和包含片状硅酸盐薄片的水分散体。本发明进一步涉及本发明片状硅酸盐薄片在制备复合材料中的用途，以及包含该片状硅酸盐薄片或者可使用该片状硅酸盐薄片得到的相应复合材料，更特别是用作扩散阻隔物或阻燃剂。

现有技术

由现有技术已知复合材料通过将这些复合材料与片状硅酸盐混合而制备，以便改进所得复合材料的机械性能。这样还成功地实现了改进复合物体系的实际屏障性能。

发现该性能的改进程度关键性地取决于所用片状硅酸盐的纵横比。纵横比的概念非常通常地指微片(platelet)的平均直径与微片高度的商。此处必须基本地区分各个薄片的纵横比与2:1片状硅酸盐的剥落或分层试样的平均纵横比。各个薄片的纵横比可使用原子力显微镜(AFM)测定。然而，由于相应测定的纵横比的值不代表整个剥落或分层的2:1片状硅酸盐试样，本发明使用所谓的剥落或分层的2:1片状硅酸盐的平均纵横比。剥落或分层的2:1片状硅酸盐的平均纵横比使用静态光散射(SLS)测定。

基本原则是纵横比越高，例如包含片状硅酸盐的复合材料的阻隔性能越好。

一般而言，片状硅酸盐包含具有几纳米至几毫米的高度的称为触液取向胶(tactoids)的硅酸盐薄片堆叠。在片状硅酸盐的情况下，取决于它们的组成和来源，微片直径为几纳米至几厘米。

已知片状硅酸盐的纵横比可通过化学和/或物理处理，通过触液取向胶沿着它们的堆叠轴开裂而在一定范围内提高。该方法在文献中称为剥落。它可例如通过将可溶胀片状硅酸盐引入极性溶剂中而实现。

生产具有极端纵横比的片状硅酸盐的基本要求是它们显示出微片或触液取向胶的相对大侧向伸展(lateral extent)。侧向伸展原则上随着层电荷产生。然而，由于片状硅酸盐的层电荷上升，产生当引入极性溶剂中时这些片状硅酸盐不再剥落的问题。文献中通常已知片状硅酸盐在水中仅剥落至≤0.55p.f.u.(每化学式单位)的层电荷(参见K.Jasmund，G.Lagaly，Tonminerale und Tone，Struktur，Eigenschaften，Anwendungenund Einsatz in Industrie und Umwelt，Steinkopff，Darmstadt 1993)。

鉴于该限制和生产具有极端纵横比的片状硅酸盐的需求，现有技术中存在尝试进行甚至具有该高层电荷的片状硅酸盐剥落或者甚至其分层，以导致开裂成各个薄片的大量方法。

例如，专利说明书US4,608,303、US3,325,340以及EP 0282928B描述了制备包含剥落的2:1片状硅酸盐的水分散体的方法。这些说明书中没有区分剥落和分层的概念，因此，这些术语在其中错误地同义使用了。鉴于这些说明书的公开内容，可假定那里仅进行剥落。这些说明书中所有方法的共同特征是使所用2:1片状硅酸盐经受一次或多次与具有高水合焓的阳离子的离子交换反应，因此导致阳离子层溶胀。尽管这些说明书进行相应的交换反应和溶胀步骤，材料不在水中剥落；而是总是要求外部剪切力的附加作用以产生至少部分剥落。尽管剥落可用那里描述的方法产生，但外部剪切力的强制作用对溶胀的2:1片状硅酸盐有害，因此可例如引起触液取向胶破裂。因此，这些方法不适于生产具有极端纵横比的材料。