Dissertation/Thesis Abstract

Melt Synthesis, Structural, Characterization and Scaling of Swelling 2:1-Layer Silicate Materials
by Kalo, Hussein, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2012, 116; 10692316
Abstract (Summary)

Das Ziel dieser Promotionsarbeit ist die Synthese, Charakterisierung und Kristallstrukturverfeinerung von quellfähigen Schichtsilikaten des 2:1 Typs. In diesem Zusammenhang wurden die Kristallstrukturen von Ein- und Zweischichthydraten eines Natriumfluorohectorits und des Einschichthydrats eines Sprödglimmers untersucht. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die erfolgreiche Synthese eines Lithium- und Natriumfluorohectorits im Großmaßstab entwickelt. Um die Hydratstruktur von 2:1-Schichtsilikaten zu untersuchen, wurden hochkristalline quellfähige Natriumfluorohectorite synthetisiert. Die Natriumfluorohectorite der idealen Zusammensetzung Na0.85[Mg2.15Li0.85]Si4O10F2 wurden mittels einer Schmelzsynthese in gasdichten Molybdäntiegeln unter Verwendung von hochreinen Edukten (Glas der Zusammensetzung Na2O-2SiO2, Li2SiO3, MgF2, MgO, SiO2) hergestellt. Die Kristallstruktur der Ein- und Zweischichthydrate der auf diese Weise erhaltenen Natriumfluorohectorite wurde genauer untersucht: In der Monohydratschicht des Natriumfluorohectorits, welche bei 45% relativer Luftfeuchtigkeit vorliegt, liegt das Zwischenschichtnatrium entlang [100] in zwei Ebenen auf unterschiedlicher Höhe. Dagegen ergab sich für das Zweischichtwasserhydrat im Natriumfluorohectorit nur eine Natriumposition in der Mitte der Zwischenschicht. Zusätzlich wurde ein Sprödglimmer der Zielzusammensetzung Na4[Mg6]Si4Al4O20F4 mittels einer Schmelzsynthese in gasdichten Molybdäntiegeln synthetisiert. Die Kristallstruktur des Einschichthydrates des Sprödglimmers wurde verfeinert. Der synthetische Sprödglimmer quoll nur bis zum Einschichthydrat an, eine weitere Quellung zum Zweischichthydrat war dagegen nicht möglich. Im Allgemeinen enthalten natürliche quellfähige Schichtsilikate Verunreinigungen wie Eisenoxide, die Verfärbungen im Material verursachen, außerdem Quarz und Carbonate, welche den Einsatz von quellfähigen Schichtsilikaten für industrielle Anwendungen erschweren. Zusätzlich besitzen natürliche Schichtsilikate eine nachteilige geringe Partikelgröße von weniger als 5 µm. Bis jetzt waren daher reine Schichtsilikate mit besseren Eigenschaften im größeren Maßstab nicht verfügbar. Die Aufskalierung der Synthese des Natriumfluorohectorits Na0.6[Mg2.4Li0.6]Si4O10F2 erfolgte in drei Schritten. (i) Die Synthese von Glas. Glas wurde als niedrig schmelzende Vorstufe verwendet. Die amorphe Phase der Zusammensetzung Na2O-Li2O-6SiO2 wurde aus Natriumcarbonat Na2CO3, Lithiumcarbonat Li2CO3 und Kieselsäure SiO2.nH2O mittels einer Schmelzsynthese in einem offenen Glaskohlenstofftiegel bei 1075°C unter Argonfluss in einem Hochfrequenzinduktionsofen mit einer Heizrate von 300°C/h durchgeführt. (ii) Die Dehydrierung und Entkarbonisierung von Kieselsäure SiO2.nH2O und basischem Magnesiumcarbonat MgCO3∙Mg(OH)2 erfolgte bei 900°C für eine Stunde in einem Korundtiegel im Kammerofen. (III) Das Mischen und Schmelzen des Glases und des Produktes der Dehydrierung und Entkarbonisierung von SiO2.nH2O und MgCO3∙Mg(OH)2 mit Magnesiumfluorid erfolgte als letzter Schritt, um das Schichtsilikat der Zusammensetzung Na0.6[Mg2.4Li0.6]Si4O10F2 zu erhalten. Die gesamte Mischung wurde in einen Glaskohlenstofftiegel überführt und für 15 Minuten unter Argonfluss auf 1265°C erhitzt. Der auf diese Weise erhaltene synthetische Natriumfluorohectorit wies eine einheitliche und hohe interkristalline Reaktivität auf und lag als ein einphasiges, farbloses und hochkristallines Material vor. Ein hohes Aspektverhältnis von quellfähigen Schichtsilikaten ist für viele zukünftige industrielle Anwendungen, z.B. bei deren Verwendung in Polymernanokompositen, von großer Bedeutung. Die für diesen Zweck erforderliche Exfolierung oder Delaminierung von Schichtsilikaten kann teilweise durch eine mechanische Einwirkung, bei der eine Scherung der Plättchen eintritt, erreicht werden. Eine interessante Alternative stellt hierzu die Delaminierung mittels osmotischer Quellung dar, wie sie z.B. für Laponit-artige Schichtsilikate bereits bekannt ist. Eine hohe Hydratationsenergie des Zwischenschichtkations, wie sie z.B. für Lithium vorliegt, kann ausgenutzt werden, um mittels der Hydratationsenthalpie eine osmotische Quellung und Delaminierung zu erreichen. Aus diesem Grund wurde ein Lithiumfluorohectorit mit variabler Schichtladung mittels einer Schmelzsynthese in einem offenen Glaskohlenstofftiegel mit einem Hochfrequenzofen hergestellt. Für die Herstellung des Lithiumfluorohectorits wurde ein Vorgehen, wie es bei der Synthese des Natriumfluorohectorits entwickelt wurde, eingesetzt. Das Glas mit der Zusammensetzung Li2O-2SiO2 wurde aus der Reaktion von Lithiumcarbonat mit Kieselsäure bei 1200°C in einer einstündigen Reaktionszeit synthetisiert. Aufgrund der hohen Fugazität des Lithiumfluorids wurde ein Überschuss von einem Mol Li und einem Mol F verwendet, was durch Hinzufügen von zusätzlichem Lithium-haltigen Glases und durch Zugabe von Magnesiumfluorid erreicht wurde. Das Ausgangsmaterial für die Fluorohectoritsynthese wurde schließlich bei 1350°C für 10min aufgeschmolzen. Der synthetische Lithiumfluorohectorit zeigte wie erwartet eine vollständige Delaminierung der Silikatschichten in Wasser und wies eine einheitliche intrakristalline Reaktivität, eine hohe Taktoidgröße, sowie eine hohe Kristallinität auf. Die interessanten Eigenschaften der Lithiumfluoridsuspension deuten auf ein hohes Potential für Barriereanwendungen und als Flammschutzmittel hin. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Herstellung des Lithiumfluorohectorits ebenfalls hochskaliert, wodurch auch dieses Material für eine industrielle Anwendung zugänglich gemacht wurde.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Inorganic chemistry
Keywords: Layered silicates
Publication Number: 10692316
ISBN: 9781392595749
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