DE2215263C2

DE2215263C2 - Suspension fester Teilchen in einer wasserhaltigen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2215263C2
Application number: DE2215263A
Authority: DE
Inventors: Stig Erik Saltsjö-Boo Friberg; Kelvin Dr. Saltsjö-Bio Roberts
Original assignee: ARBMAN DEVELOPMENT STOCKHOLM SE AB
Current assignee: ARBMAN DEVELOPMENT STOCKHOLM SE AB
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1972-03-29
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US4234437A; GB1391285A; SE376722B; DE2215263A1

Description

Auf vielen technischen Gebieten verwendet man Suspensionen fester Teilchen in einer wasserhaltigen Flüssigkeit. Beispielsweise bei der He. stellung sanitärer « Gegenstände, wie von Handwaschbecken und WC-Bekken, führt man eine Tonsuspension in eine Form mit porösen Wänden ein, welche das Wasser absorbieren, wobei der Ton auf den Wänden der Form sich als Schicht ablagert und anschließend getrocknet und ^n gebrann» wird. Um Papiere mit glatter Oberfläche zu bekommen, verwendet man in der Papierindustrie Suspensionen von Kaolin oder anderen Materialien kleiner Teilchengröße, die dem Papierstoff zugesetzt werden. In der Farbenindustrie werden bestimmte Farben wasserhaltige Suspensionen von Farbpigmenten und Kunststoffteilchen zugesetzt, und die sogenannten magnetischen Flüssigkeiten sind Suspensionen kleiner magnetischer Teilchen, die sich so verhalten, als seien sie homogen und magnetisch. Bei allen diesen technischen <o Gebieten ist es erwünscht, möglichst stabile Suspensionen zu haben, d. h. Suspensionen, in denen die festen Teilchen eine möglichst niedrige Sedimentationsgeschwindigkeit haben.

Aus der DE-OS 20 18 028 sind stabile Emulsionen bekannt, die eine hydrophobe ölige Phase mit choiesterischen kristallinflüssigen Substanzen und eine wäßrige Phase mit filmbildenden Kolloiden enthalten. Diese Emulsionen sind leicht als gleichmäßige Schicht auf einem Meßobjekt aufzubringen und auch leicht davon zu entfernen und ermöglichen die Verwendung eines leicht zu handhabenden schwarzen oder dunklen Untergrundes. Es handelt sich dabei aber nicht um Suspensionen, und die Verwendung cholesterischer kristallinflüssiger Substanzen führt in Suspensionen 6^r> nicht zu der erwünschten hohen Stabilität.

Flüssigkristalle als solche sind beispielsweise aus Acta Polytechnica Scandinavica, Ch 74 I (1968), Acta Polytechnica Scandinavica, Ch 74 II (1968) oder Acta Polytechnica Scandinavica, Ch 74 III (1968) bekannt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand darin, Suspensionen fester Teilchen in einer wasserhaltigen Flüssigkeit mit hoher Stabilität, d.h. niedriger Sedimentationsgeschwindigkeit zu bekommen. Ein weiteres Ziel der Erfindung bestand darin, solche stabilen Suspensionen zu erhalten, die, vorzugsweise reversibel, vom stabilen in den instabilen Zastand mit hoher Sedimentationsgeschwindigkeit der Feststoffteilchen umgewandelt werden.

Die erfindungsgemäßen Suspensionen fester Teilchen in einer wasserhaltigen bis wäßrigen Flüssigkeit sind dadurch gekennzeichnet, daß sie als Stabilisierungsmittel eine flüssigkristalline Phase enthalten, die entweder

a) aus einer Mischung von Wasser mit einer anionischen, kationischen oder nichtionogenen oberflächenaktiven Substanz und einer eine Kohlenwasserstoffkette von wenigstens 5 C-Atomen aufweisenden amphiphilen Substanz oder

b) aus einem Gemisch von Wasser, einem N'ortyiphenylpolyglykoläther mit 9 bis 10 Äthylenoxideinheiten im Molekül und einem Kohlenwasserstoff aus der Gruppe Benzol, Hexan oder p-Xylol

gebildet ist.

Eine amphiphile Substanz enthält eine hydrophobe Gruppe, gewöhnlich eine Kohlenwasserstoffkette, welche in Wasser unlöslich ist, zusammen mit einer hydrophilen Gruppe, deren Wechselwirkung mit Wasser über die Wasserstoffbindung und polare Wechselwirkung stark ist. Oberflächenaktive Substanzen sind solche, bei denen die Wechselwirkung einer hydrophilen Gruppe mit Wasser so stark ist, daß das ganze Molekül löslich ist.

Die Stabilität der Suspension hängt auch von der Größe und Dichte der Feststoffteilchen ab. Re'ativ schwere Teilchen, wie Tonteilchen, können in einer stabilen Suspension mit Teilchen eir'er Größe bis zu wenigen Mikrometern gehalten werden. Für Tonsuspensionen ist eine Teilchengröße von maximal 1 |im, für Suspensionen eines magnetischen Materials eine Teilchengröße von weniger als 1 μπι bevorzugt. Ein Material mit einer Dichte, die sich der von Wasser nähert, wie beispielsweise ein Kunststoff, kann in einer stabilen Suspension mit Teilchen etwas größerer Teilchengröße gehalten werden, wie beispielsweise mit einer solchen von 50 μπι und vielleicht sogar bis zu 100 μιτι.

Wenn das verwendete oberflächenaktive Mittel anionisch ist, kann es beispielsweise eine normale wasserlösliche Metallseife sein. Die verwendete amphiphile Substanz kann beispielsweise eine Carbonsäure, ein Alkohol, ein Monoglycerid, ein Phosphatit, ein Aldehyd oder Alkylglykoläther mit weniger als drei Äthergruppen sein. Die Kohlenwasserstoffkette der amphiphilen Substanz der Mischung a) kann gerade oder verzweigt, gesättigt oder ungesättigt sein und enthält mindestens 5, vorzugsweise nicht mehr als 25 Kohlenstoffatome. Bevorzugte Gemische, die in den Suspensionen nach der Erfindung verwendet werden, sind folgende:

a) Wasser + Natriumlaurylsulfat + Decanol
Wasser + Natriumlaurylsulfat + Octanol
Wasser + Natriumcaprylat + Octanol
Wasser + Natriumcaprylat + Decanol
Wasser + Natriumcaprylal + Ociylamin

b) Wasser -f- Nonylphenylpolyglykoläther mit 9 bis 10 Äthylenoxideinheiten im Molekül + Benzol
Wasser + Nonylphenylpolyglykoläther mit 9 bis 10 Äthyleneinheiten im Molekühl + Hexan.

Die Mengenverhältnisse, in denen die Komponenten miteinander vermischt werden sollen, um eine flüssige kristalline Phase zu bilden, sind dem Fachmann bekannt. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden einige Beispiele hierfür gegeben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein ternäres Diagramm, das eine Ausführungsform nach der Erfindung erläutert,

F i g. 2 einen Teil des Diagramms der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig.3 ein ternäres Diagramm, das eine andere Ausführungsform erläutert

In dem ternären Diagramm der F i g. 1 und 2 bedeutet X Wasfer, Y Caprylsäure und Z Natriumcaprylat In dem Diagramm besteht jede der stark schraffierten Zonen B, C. D, E und F aus einer flüssigkristallinen Phase. In der schwach schraffierten Zone existiert flüssigkristalüne Phase zusammen mit wäßriger Pisase. Der gesamte schraffierte Bereich ist brauchbar für die Erfindung. Die rechte Grenze 9 des schraffierten Bereiches wurde nicht exakt festgestellt. Die in F i g. 1 dargestellte Grenze 9 entspricht einer Zusammensetzung, die etwa 50% Natriumcaprylat enthält. Eine Zusammensetzung mit einem so hohen Prozentsatz an Natriumcaprylat hat eine extrem hohe Viskosität. Daher ist es bevorzugt, solche Zusammensetzungen zu verwenden, die einen niedrigeren Prozentsatz an Natriumcaprylat besitzen.

Somit ist es gewöhnlich bevorzugt, wasserhaltige Flüssigkeiten zu benutzen, die mehr als .50% Wasser enthalten, und für die meisten Zwecke ist es bevorzugt, Flüssigkeiten zu verwenden, die mehr als 80% Wasser enthalten.

Die Zonen £.1 und L₁ bedeuten Mizell-Lösungen, die keine flüssigkristalline Phase sind. Es wurde gefunden, daß eine Zusammensetzung in der schraffierten Zone nicht nur zu einer erhöhten Suspensionsstabilität, sondern auch zu einer niedrigeren Viskosität der Suspension führt.

Außerdem wurde gefunden, daß die Eigenschaften der Suspension an den Grenzen jener Zonen, wo man eine flüssigkristalline Phase erhält, drastisch verändert werden. Dies bedeutet, daß man eine stabile Suspension erhalten kann, indem man eine Zusammensetzung gerade innerhalb der Grenze der schraffierten Zone auswählt, und daß man die Suspension durch einen sehr kleinen Zusatz einer der Komponenten, aus der das Stabilisierungsmittel besteht, in einen instabilen Zustand bringen kann, d. h. indem man nur so wenig zusetzt, daß die Zusammensetzung gerade außerhalb der Grenze der schraffierten Zone fällt. In diesem instabilen Zustand können die festen Teilchen leicht von der flüssigen Phase abgetrennt werden. Nur kleine Mengen des oberflächenaktiven Mittels und der amphiphilen Substanz haften dann an den festen Teilchen.

Andererseits kann eine instabile Suspension, in der eo die Zusammensetzung des stabilisierenden Mediums gerade außerhalb der Grenze der schraffierten Zone liegt, wo eine flüssigkristalline Phase gebildet wird, durch einen geeigneten Zusatz durch den die Zusammensetzung gerade innerhalb der schraffierten Zone gebracht wird, ip einen stabilen Zustand gebrachi werden.

Die Bereiche I bis /in F i g. 2 bedeuten Zusammensetzungen, die drei Phasen enthalten. Der Punkt 8 in F i g, 1 bedeutet die Zusammensetzung V · IZ

In dem ternären Diagramm der Fig,3 bedeutet X Wasser, Vp-XyIoI und Z einen Nonylphenylpolyglykoläther mit 9 bis 10 Äthylenoxideinheiten im Molekül. Die stark schraffierten Zonen B, D und E bestehen aus flüssigkristallinen Phasen, und die leicht schraffierten Zonen enthalten flüssigkristalline Phasen. Alle schraffierten Zonen sind brauchbar für die Erfindung. Die durch F i g. 3 repräsentierten Gemische sind besonders brauchbar für die Herstellung magnetischer Flüssigkeiten. Für magnetische Flüssigkeiten wird die Verwendung eines magnetischen Materials, wie Fe3O₄, in einer Menge von 300 bis 450 g/l bevorzugt Es wurde gefunden, daß es möglich ist, eine Suspension herzustellen, die Fe3O\4 in einer Menge von bis zu 500 g/I enthält. Magnetische Flüssigkeiten erhält man zweckmäßig, indem man ein magnetisches Material mit einer Teilchengröße von etwa 1 μπι mit den übrigen Materialien unter Bildung der flüssigkristallinen Phase vermischt und das Gemisch in einer Kolloidmühle bis zu einer minieren Teilchengröße des n.ag-etischen Materials unterhalb 1 μΐη mahlt

Beispiele

1. Eine Suspension wird hergestellt, indem man 1 g Kaolin mit 94,5 g Wasser schüttelt. Nach dem Schütteln der Suspension wird der pH-Wert durch Zugabe einiger Tropfen von 0,1 m Natriumhydroxid auf 7 eingestellt. Die Suspension ist instabil und setzt sich innerhalb weniger Minuten ab. Zugabe von 4,5 g Natriumcaprylat ergibt keinen feststellbaren Unterschied in der Stabilität der Suspension. Wenn 1 g Caprylsäure unter Schütteln zugesetzt wird, bekommt man eine Suspension, die mehrere Tage stabil ist. Wenn die Säurezugabe auf 2% erhöht wird, steigt die Stabilität etwas.

Ähnliche Veränderungen der Suspensionsstabilität beobachtet man, wenn Kunststoffkugel·. einer Größe zwischen 5 und 50 μπι anstelle der Kaolinteilchen verwendet werden.

2. Auf ähnliche Weise wird 1 g Kaolin mit 91 g Wasser geschüttelt und der pH-Wert auf 7 eingestellt. Man erhält eine instabile- Suspension. Die Suspension bleibt instabil, wsnn 7% Natriumcaprylat zugesetzt werden. Wenn anschließend 2% Caprylsäure zugegeben werden und das Gemisch geschüttelt wird, erhält man eine stabile Suspension.

3. 1 g Kaolin wird zu 61 g Wasser bei pH-Wert 7 zugesetzt, und 30 g Natriumcaprylat werden zugegeben. Man erhält eine instabile Suspension. Nun werden 9 g Caprylsäure zugesetzt, und das Gjmisch wird geschüttelt. Man erhält jetzt eine stabile Suspension.

4. 40 g Kaolin verden zu 91 g Wasser zugesetzt, der pH-Wert wird auf 7 eingestellt und die Suspension geschüttelt. Diese Suspension besitzt eine sehr hohe Viskosität. Nun werden 4,5 g Natriumcaprylat zugesetzt, was zu einer Verminderung der Viskosität der Suspension führt. 1% Caprylsäure wird nun zu der Suspension zugegeben Man erhält jetzt eine weitere Verminderung der Viskosität auf etwa ein Viertel derjenigen, die man nach der Zugabe von Natriumcaprylat erhielt.

5. Flüssige Gemische wurden durch Vermischen von p-Xylol mit Nonylphenylpolyglykoläther mit 9 bis 10 Äthylenoxideinheiten im Molekül und Wasser in

5 6

folgenden Gewichtsverhältnissen hergestellt: Fc]O< mit einer TeilchengröUe von I bis 5 Jim wurde

zu diesen drei Gemischen in einer Menge von 100 g/l

P-XyIoI Nonylphenyl- Wasser zugesetzt. Die Suspensionen wurden in einer Kolloid-

polyglykoliither mühle 15 Minuten gemahlen. Die resultierenden Su-

■-, spensionen besaßen eine Teilchengröße von 0.1 bis

70 |8 12 0.5 Jim. hatten eine extrem gute Stabilität und waren

75 15 ίο brauchbar als magnetische flüssigkeiten.
80 12 8

I herzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I.Suspension fester Teilchen in einer wasserhaltigen bis wäßrigen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Stabilisierungsmittel eine flüssigkristalline Phase enthält, die entweder

a) aus einer Mischung von Wasser mit einer anionischen, kationischen oder nichtionogenen oberflächenaktiven Substanz und einer eine Kohlenwasserstoffkette von wenigstens 5 C-Atomen aufweisenden amphiphilen Substanz oder

b) aus einem Gemisch von Wasser, einem Nonylphenylpolygiykoläther mit 9 bis 10 Äthy- '5 lenoxideinheiten im Molekül und einem Kohlenwasserstoff aus der Gruppe Benzol, Hexan oder p-Xylol

gebildet ist.
2. Suspension nach Ansprach. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserhaltige Flüssigkeit mehr als 50 Gewichts-% Wasser enthält.
3. Suspension nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als feste Teilchen ein magnetisches Material mit einer Teilchengröße von weniger als 1 μιτι enthält
4. Suspension nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie die magnetischen Teilchen in einer Menge von 300 bis 450 g/I der Suspension enthält.