基于热解制备的二氧化硅的 颗粒、其制备方法及其应用 本发明涉及基于热解制备的二氧化硅的颗粒、其制备方法及其作为催化剂载体的应用。
通过高温或火焰加水分解从SiCl4制备热解硅石或二氧化硅的方法为已知技术(Ullmanns Enzyklopdie der technischen Chemie，4th Edition，Volume 21，page 464(1982))。
热解二氧化硅以颗粒极细、比表面大(BET)、纯度很高、呈球形颗粒状及不存在孔隙而出名。由于这些特性，热解制备的二氧化硅作为催化剂载体已吸引人们越来越多的注意(Dr.Koth et al.，Chem.Ing.Techn.52，628(1980))。进行这种应用时，热解制备的二氧化硅通过机械装置，如造粒机成形。
为了获得生产烧结陶瓷材料的起始材料，也通过喷雾干燥法将热解制备的二氧化硅成形为喷制颗粒的方法也是已知技术(DE-A-3611449)。
还已知通过喷雾干燥法可将电弧热解制备的二氧化硅成形为喷制颗粒，该颗粒可用做吸附介质或催化剂载体(DE-A1209108)。
将热解制备的二氧化硅经过一胶凝过程随后由喷雾干燥成形为颗粒的方法也为已知技术。这些颗粒在涂敷上氧化铬后用于乙烯的聚合(EP-A0050902，US-A4,386,016)。
另外，使用沉积的二氧化硅作为催化剂载体用于烯烃的催化聚合为已知技术(W091/09881)。
已知的热解制备的二氧化硅喷制颗粒有其不足，它们并不是作为催化剂载体的最佳选择，例如在聚乙烯生产中。
因此，本发明的目地在于从热解制备的二氧化硅中研制能作聚乙烯生产中的催化剂载体的喷制颗粒。
本发明提供基于热解制备的二氧化硅的颗粒，该颗粒具有以下物化性能： 平均粒径： 10至120微米BET表面积： 40至400平方米/克孔隙体积： 0.5至2.5毫升/克孔径分布：占总孔隙体积不到5％的孔隙的孔径小于5纳米，其 余为中孔隙和大孔隙pH值： 3.6至8.5振实密度：220至700克/升。
本发明的颗粒状物质可以如下制备：将热解制得的二氧化硅分散在水中，将其喷雾干燥并在150-1100℃的温度下加热所得的颗粒1至8小时。
本发明还提供基于热解制备的二氧化硅并具有以下物化性能的颗粒：平均粒径： 10至120微米BET表面积： 40至400平方米/克孔隙体积： 0.5至2.5毫升/克孔径分布：占总孔隙体积不到5％的孔隙的孔径小于5纳米，其 余为中孔隙和大孔隙pH值： 3.6至8.5振实密度：220至700克/升。
根据本发明的颗粒物质可以如下制备：将热解制备的二氧化硅分散在水中，将其喷雾干燥并硅烷化所得颗粒。卤化硅烷、烷氧硅烷、硅氮烷和/或硅氧烷可用于硅烷化过程。
以下物质尤其适用于作卤化硅烷：X3Si(CnH2n＋1)型的卤化有机硅烷，X＝Cl，Br；n＝1至20X2(R′)Si(CnH2n＋1)型的卤化有机硅烷，X＝Cl，Br；R′＝烷基；n＝1至20X(R′)2Si(CnH2n＋1)型的卤化有机硅烷，X＝Cl，Br；R′＝烷基；n＝1至20X3Si(CH2)m-R′型的卤化有机硅烷，X＝Cl，Br；m＝0.1至20R′＝烷基、芳基(如-C6H5)、-C4F9，-OCF2-CHF-CF3，-C6F13，-O-CF2-CHF2-NH2，-N3，-SCN，-CH＝CH2，-OOC(CH3)C＝CH2-OCH2-CH(O)CH2-NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3-Sx-(CH2)3Si(OR)3RX2Si(CH2)m-R′型的卤化有机硅烷，X＝Cl，BrR＝烷基m＝0.1至20R′＝烷基、芳基(如-C6H5)、-C4F9，-OCF2-CHF-CF3，-C6F13，-O-CF2-CHF2-NH2，-N3，-SCN，-CH＝CH2，-OOC(CH3)C＝CH2-OCH2-CH(O)CH2-NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3-Sx-(CH2)3Si(OR)3(R)2XSi(CH2)m-R′型的卤化有机硅烷，X＝Cl，BrR＝烷基m＝0.1至20R′＝烷基、芳基(如-C6H5)、
-C4F9，-OCF2-CHF-CF3，-C6F13，-O-CF2-CHF2-NH2
，-N3，-SCN，-CH＝CH2，
-OOC(CH3)C＝CH2
-OCH2-CH(O)CH2
-NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3
-Sx-(CH2)3Si(OR)3
以下物质尤其适于用作烷氧硅烷：(RO)3Si(CnH2n＋1)型的有机硅烷，R＝烷基n＝1至20R′x(RO)ySi(CnH2n＋1)型的有机硅烷，R＝烷基R′＝烷基n＝1至20x＋y＝3x＝1，2y＝1，2(RO)3Si(CH2)m-R′型的有机硅烷，R＝烷基m＝0.1至20R′＝烷基、芳基(如-C6H5)、
-C4F9，-OCF2-CHF-CF3，-C6F13，-O-CF2-CHF2-NH2
，-N3，-SCN，-CH＝CH2，
-OOC(CH3)C＝CH2
-OCH2-CH(O)CH2
-NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3
-Sx-(CH2)3Si(OR)3(R″)x(RO)ySi(CH2)m-R′型的有机硅烷，R″＝烷基x＋y＝2x＝1，2y＝1，2R′＝烷基、芳基(如-C6H5)、
-C4F9，-OCF2-CHF-CF3，-C6F13，-O-CF2-CHF2-NH2
-N3，-SCN，-CH＝CH2，
-OOC(CH3)C＝CH2
-OCH2-CH(O)CH2
-NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3
-Sx-(CH2)3Si(OR)3优选将硅烷Si108〔(CH3O)3-Si-C8H17〕、三甲氧基辛基硅烷用作硅烷化试剂。
以下物质尤其适于用作硅氮烷：R＝烷基R′＝烷基、乙烯基以及如六甲基二硅氮烷。
以下物质尤其适于用作硅氧烷：D3、D4、D5型的环状聚硅氧烷，如八甲基环四硅氧烷＝D4以下类型的聚硅氧烷或硅油：m＝0，1，2，3，...∞n＝0，1，2，3，...∞u＝0，1，2，3，...∞Y＝CH3，H，CnH2n＋1 n＝1至20Y＝Si(CH3)3，Si(CH3)2HSi(CH3)2OH，Si(CH3)2(OCH3)Si(CH3)2(CnH2n＋1) n＝1至20R＝烷基，芳基，(CH2)n-NH2，HR′＝烷基，芳基，(CH2)n-NH2，HR″＝烷基，芳基，(CH2)n-NH2，HR″＝烷基，芳基，(CH2)n-NH2，H
本发明还提供基于热解制备的二氧化硅并具有以下物化性能的颗粒：平均粒径： 10至120微米BET表面积： 40至400平方米/克孔隙体积： 0.5至2.5毫升/克孔径分布： 占总孔隙体积不到5％的孔隙的孔径小于5纳米，其 余为中孔隙和大孔隙碳含量： 0.3至15.0重量％pH值： 3.6至8.5振实密度： 220至700克/升。
本发明的颗粒状物质优选具有中和大孔隙，其中中孔隙的体积占孔隙总体积的10-80％。
本发明颗粒状物质的碳含量可为0.3-15.0重量％。
本发明的颗粒状物质的粒径分布可以是80体积％大于8微米，80体积％小于96微米。
在本发明一优选实施例中，孔径小于5微米的部分可以是至多占孔隙总体积的5％。
本发明的颗粒状物质可以如下制备：将热解制得的二氧化硅分散在水中，将其喷雾干燥，在150至1,100℃下加热所得颗粒1至8小时，然后将其硅烷化。与上述相同的卤化硅烷、烷氧硅烷、硅氮烷和/或硅氧烷可用于硅烷化过程。
本发明进一步提供制备基于热解制得的二氧化硅的颗粒的方法，其特征在于：将热解制得的二氧化硅、优选通过火焰加水分解从四氯化硅制得的二氧化硅分散于水中，将其喷雾干燥，所得颗粒任选地在150至1,100℃下加热1至8小时和/或硅烷化。
水中分散液可具有5至25重量％的二氧化硅浓度。
喷雾干燥可在200至600℃下进行。可在此使用圆盘喷雾器和喷嘴喷雾器。
颗粒的加热可在固定床，如房式窑，和移动床，如旋转干燥机中进行。
硅烷化过程可以使用与上相同的卤化硅烷、烷氧硅烷、硅氮烷和/或硅氧烷完成，为此硅烷化试剂可以任选地溶解在有机溶剂如乙醇中。
优选硅烷Si108〔(CH3O)3-Si-C8H17〕、三甲氧基辛基硅烷作硅烷化试剂。
硅烷化过程的完成可以通过将颗粒状物质与硅烷化试剂一起喷雾，随后在105至400℃下热处理混合物1至6小时。
另一种完成颗粒的硅烷化过程的方法是通过用硅烷化试剂蒸气处理颗粒物质，随后在200至800℃下热处理混合物0.5至6小时。
可以在保护气，如氮气中进行热处理。
硅烷化过程可在装有喷雾设备的可加热的混合器和干燥器中连续或间歇进行。合适设备的例子有犁铧混合器、圆盘干燥器流化床干燥器。
通过改变起始物料和喷雾、加热和硅烷化过程中的条件，可以在特定范围内改变颗粒的物化参数，如比表面、粒径分布、孔隙体积、夯实密度和硅烷醇基浓度、孔径分布和pH值。
本发明的颗粒可用作聚合催化剂的载体，尤其是生产聚乙烯的催化剂的载体。
它们的优点在于具有高纯度、高热稳定性、低硅烷醇基浓度、多数颗粒呈微球形并且占孔隙总体积不到5％的孔隙的孔径小于5纳米。
本发明还提供了将该颗粒作为催化剂载体的应用，尤其是用于生产聚合催化剂。在本发明一优选实施方案中，本发明的颗粒可用做催化剂载体来生产聚乙烯生产中的催化剂。
实施例
所用的热解制得的二氧化硅为具有下列物化性质的二氧化硅。
AEROSIL 90 AEROSIL 130 AEROSIL 150 AEROSIL 200 AEROSIL 300 AEROSIL 380 AEROSIL 0×50 CAS登记号 112945-52-5(以前号码7631-86-9)与水的行为 亲水的外观 疏松白色粉末BET表面积1) m2/g 90±15 130±25 150±15 200±25 300±30 380±30 50±15基本粒子的平均粒径 mm 20 16 14 12 7 7 40夯实密度2)标准产品 g/l压实产品 g/l(附加“V”) 约80 - 约50 约120 约50 约120 约50 约120 约50 约120 约50 约120 约130 -离开供料器3)时干燥损失％(105℃下2小时) ＜1.0 ＜1.5 ＜0.59) ＜1.5 ＜1.5 ＜1.5 ＜1.5灼热下的损失4)7)(1000℃下2小时) ％ ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜2 ＜2.5 ＜1pH值5)(用4％的水分散体) 3.6-4.5 3.6-4.3 3.6-4.3 3.6-4.3 3.6-4.3 3.6-4.3 3.6-4.3 SiO2 8) ％ ＞99.8 ＞99.8 ＞99.8 ＞99.8 ＞99.8 ＞99.8 ＞99.8 Al2O3 8) ％ ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.08 Fe2O3 8) ％ ＜0.003 ＜0.003 ＜0.003 ＜0.003 ＜0.003 ＜0.003 ＜0.01 TiO2 8) ％ ＜0.03 ＜0.03 ＜0.03 ＜0.03 ＜0.03 ＜0.03 ＜0.03 HCl 8)11) ％ ＜0.025 ＜0.025 ＜0.025 ＜0.025 ＜0.025 ＜0.025 ＜0.025筛选的超粒径6)(由Mocker，45μm)％ ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 0.2
*表的说明接下页1)根据DIN 661312)根据DIN ISO 787/XI，JISK 5101/18(未筛选)3)根据DIN ISO 787/II，ASTMD280，JISK 5101/214)根据DIN 55921，ASTM D1208，JISK5101/235)根据DIN ISO 787/IX，ASTMD 1280，JISK 5101/246)根据DIN ISO 787/XVIII，JISK 5101/207)参照在105℃下干燥2小时的物质8)参照在1000℃下锻烧2小时的物质9)特别的防湿包装10)采用水：乙醇为1∶111)HCl含量构成的灼热下的损失
为了制得二氧化硅，将液态硅化合物喷至由氢气和空气组成的氢氧焰中。绝大多数情况下使用四氯化硅。该物质通过在氢-氧反应中生成的水的作用水解成二氧化硅和盐酸。离开火焰后，二氧化硅进入所谓的聚结区，在这里主要的Aerosil颗粒和主要的Aerosil聚集体产生附聚。在这一阶段作为气溶胶存在的产物在旋风分离器中与伴随气体相分离，然后用湿热空气进行后处理。
通过这一过程，残余的盐酸含量可降至0.025％。因此在该过程结束时获得的二氧化硅仅有约15g/l的堆积密度，因此随后进行真空压实，从而获得约50g/l或更高的夯实密度。
二氧化硅的粒径可通过反应条件来改变，如火焰温度、氢气和氧气的比、四氯化硅的量、在火焰中的停留时间或聚集路径的长度。
BET表面积根据DIN66 131方法使用氮气来测定。
孔隙体积从微、中和大孔隙的体积之和来计算。微孔隙和中孔隙通过记录N2等温线并通过BET方法(de Boer和Barrett、Joyner和Halenda)对此进行估算来测定。直径大于30纳米的大孔隙由Hg孔隙计方法来测定。为了测定大孔隙，样品在干燥炉中在100℃下干燥15小时，并在室温下真空脱气。为了测定微孔隙和中孔隙，样品在干燥炉中在100℃下干燥15小时，并在200℃下真空脱气1小时。
硅烷醇基浓度由铝氢化锂方法测定。这里SiOH-基团与LiAlH4反应，该反应过程中生成的氢气量从压强来测定。测量原理：
将颗粒物质称重后加入四颈烧瓶中。对烧瓶抽真空并将油浴加热至150℃。烧瓶的温度(由内部温度计控制)随油浴温度一起升高直至约130℃。用测压装置PI2(TM210，Leybold生产，测量范围103-10-3毫巴(105-10-1帕))记录预处理过程中的压强。水的解吸由压力测量来控制。在预处理结束时(在最终温度持续30分钟)，必定已达到低于10-2毫巴(1帕)的压强。
预处理完成后，通过关闭截止阀将抽空的烧瓶从真空单元中分离，并调温至常温。实际的测量是基于测量通过滴液漏斗加入烧瓶中的LiAlH4溶液的量，以及从生成的氢气测量压强增值。如果已知烧瓶的容积，可从理想气体定律计算H2量。使用测量范围为0至1巴(0至105帕)的数字测量装置(PI1)(MKS仪器PR-2000)记录压强。
在实验进行前先对采用的LiAlH4溶液(在二甘醇二甲醚中的2％LiAlH4)进行脱气以除去易挥发性组分，这些挥发性组分会影响测量的压强。因此，应采用第二个真空泵使滴液漏斗中溶液上方的压强降低至蒸气压(22℃为3.7毫巴(3.7×102帕))，使得液体沸腾。进行没加样品的空白测试以检验溶液是否完全脱气。在测定氢气压强时，用溶剂的蒸气压进行校正。解释：
首先通过测定带有磨口玻璃塞的滴液漏斗的容积(用升来度量)对装置进行校准。包括所有接口直至截止阀的反应烧瓶的容积通过以下实验获得：
充满常压空气的滴液漏斗装在抽空的烧瓶上。通过打开滴液漏斗的阀门引发两容器间的压力补偿。由数字测量装置显示达到的压强。反应容器的容积由质量守恒来获得。由此获得VR等于243.8毫升。
由下式获得生成的氢气的摩尔数：
V校正＝VR＝V固体-V溶液P是在反应烧瓶中压强增值。该值由相应于溶剂蒸气压的量(22℃下3.7毫巴(3.7×102帕))来校准。在大大偏于22℃的室温下的蒸气压从蒸气压表中查得。为了选择称量的样品，获得200至800毫巴(2.0-8.0×104帕)的P值是有益的。在这种情况下，由于温度变化引起的蒸气压的细微变化对结果几乎没有任何影响。
反应容器的容积通过减去加入的固体料及溶液的体积来校正。前者由称量部分及密度给出，后者从滴液漏斗上读出。
从下式最终得到硅烷醇基的密度：d=n·NLF]]>NL：Lohschmidt数F：称重的固体料的表面积
样品进行如下处理：在120℃及0.2毫巴(20帕)下加热1小时；冷却至60℃；加入LiAlH4；10分钟后读出压强增值。
通过激光光学粒径分析仪Cilas Granulametre 715测定粒径分布。
振实体积根据ASTM D 4164-88则定。设备；
振实体积计STA V2003(Engelsmann出品，根据DIN 53194，5.2.b-f段)
250ml量筒，最小刻度2ml
最大误差范围±0.1g步骤：
将振实体积计计数设至1000击。
将量筒校正。
将颗粒状物质装至最筒的250毫升刻度。
记录样品的重量(±0.1g)。
将量筒放至体积计中，开动装置。
振实过程结束：1000击后装置自动停止。
读出振实后的体积，精确至1ml。计算：
E：颗粒状物质的重量(g)
V：体积(ml)
W：水含量(重量％)(按照说明书P001测定)pH值从4％的水分散体测定，对于憎水的催化剂载体，分散在1∶1的水∶醇中。本发明颗粒的制备
将热解制得的二氧化硅分散在完全脱矿质的水中。该过程中使用按照转子/定子原理操作的分散聚集体。形成的悬浮液进行喷雾干燥。用过滤器或旋风分离器沉积成品。
喷制颗粒在马釜炉中加热。
将喷雾干燥的且任选地加热的颗粒放在混合器中进行硅烷化并喷雾，喷雾时任选地首先与水剧烈混合，再与硅烷Sil08(三甲氧基辛基硅烷)或HMDS(六甲基二硅氮烷)混合。喷制完成后，将材料混合15至30分钟以上，然后在100-400℃下加热1至4小时。
所用的水可用酸、如盐酸酸化至pH值为7至1。所用的硅烷化试剂可溶解在如乙醇的溶剂中。
实施例 对比例 1 2 3 4 对比例 5起始Aerosil 380 380 380 380 380喷雾干燥的数据H2O的量H2O (kg)Aerosil的量 (kg)采用的喷雾器操作温度 (℃)排出气体温度 (℃)沉积 10 1.5 圆盘 380 105 过滤器 10 1.5 圆盘 380 105 过滤器 105 14.7 圆盘 380 105 过滤器 105 14.7 圆盘 440 108 过滤器 15 1.5 圆盘 380 105 旋风分离器加热数据 (h/℃) - - 2/700 2/700 -表面改性数据试剂用量[g/100g Aerosil]水的数量[g/100g Aerosil]加热时间 (h)温度 (℃) - - - - - Si 108 25 - 2 120 Si 108 25 5 2 120 HMDS 20 5 4 140 - - - - -物化性质BET表面积 (m2/g)孔隙体积 (ml/g)孔径小于5纳米的孔隙体积(占孔隙总体积的％)中孔隙 2-30nm(ml/g)大孔隙 ＞30nm(ml/g)粒径 d50(μm)振实体积 (g/l)pH值碳含量 ％硅烷醇基浓度(mmol OH/g) 350 2.09 n.d. 1.34 0.75 38 320 4.7 - 1.80 197 1.69 1.8 1.04 0.65 40 390 5.0 10.9 1.18 189 1.55 n.d. 1.12 0.43 66 420 5.6 10.4 0.74 212 1.68 n.d. 1.17 0.51 53 370 7.2 3.8 0.37 277 1.69 n.d. 0.66 1.03 39 260 4.8 - 1.50
实施例 6 7 8 对比例 9 10起始 300 300 300 0×50 0×50喷雾干燥数据H2O的量 (kg)Aerosil的量 (kg)采用的喷雾器操作温度 (℃)排出气体温度 (℃)沉积 15 1.5 圆盘 380 105旋风分离器 105 14.7 单喷嘴 440 108 过滤器 105 14.7 双喷嘴 440 108 过滤器 10 1.5 圆盘 380 105 旋风分离器 10 1.5 圆盘 380 105 旋风分离器加热数据 (h/℃) 2/700表面改性数据试剂用量[g/100g Aerosil]水的用量[g/100g Aerosil]加热时间 (h)温度 (℃) HMDS 15 5 4 140 Si 108 25 5 2 120 HMDS 20 5 4 140 - - - - - HMDS 3 - 5 140物化生能BET表面积 (m2/g)孔隙体积 (ml/g)孔径小于5纳米的孔隙体积(占孔隙总体积的％)中孔隙 2-30nm(ml/g)大孔隙 ＞30nm(ml/g)粒径 d50 (μm)振实体积 (g/l)pH值碳含量 ％硅烷醇基浓度(mmol OH/g) 222 1.79 n.d. 0.78 1.01 32 290 6 2.7 0.61 180 1.49 1.7 0.60 0.89 40 320 5.2 9.3 1.15 195 1.51 1.5 0.60 0.91 43 300 6.9 3.3 0.40 46 0.73 n.d. 0.08 0.65 21 540 5.3 0.29 41 0.68 1.2 0.09 0.59 21 570 7.4 0.5 0.14
实施例 对比例1 11 12 对比例 13 14起始Aerosil 130 130 200 200喷雾干燥数据H2O的量 (kg)Aerosil的量 (kg)采用的喷雾器操作温度 (℃)排出气体温度 (℃)沉积 15 1.5 圆盘 380 105旋风分离器 115 1.5 圆盘 380 105旋风分离器 15 1.5 圆盘 380 105旋风分离器 15 1.5 圆盘 380 105旋风分离器加热数据 (h/℃) - - - -表面改性数据试剂用量[g/100g Aerosil]水的用量[g/100g Aerosil]加热时间 (h)温度 (℃) - - - - - HMDS 5 - 5 140 - - - - - HMDS 7 - 5 140物化性能BET表面积 (m2/g)孔隙体积 (ml/g)孔径小于5纳米的孔隙体积(占孔隙总体积的％)中孔隙 2-30nm(ml/g)大孔隙 ＞30nm(ml/g)粒径 d50(μm)振实体积 (g/l)pH值含碳量 ％硅烷醇基浓度(mmol OH/g) 131 1.92 n.d. 0.24 1.68 20 250 4.8 - 0.83 111 1.62 1.7 0.24 1.38 20 280 7.3 1.3 0.44 196 2.25 n.d. 0.46 1.79 14 230 4.8 - 1.16 153 2.04 0.9 0.47 1.57 14 240 7.2 1.7 0.56
实施例1至14获得的颗粒的粒径分布以表和图的形式列在图1至4中。
实施例1、5、9、11和13为来自现有技术的对比例(DE-A3611449 Liu)。本发明颗粒在聚乙烯生产中作为催化剂载体的应用的实施例
参照活性组分钛，在乙烯聚合中催化剂获得以下结果：使用催化剂载体的实施例产率(千克聚 乙烯/克钛) 备注 实施例1 292仅按实施例1的喷雾干燥载体 实施例2 360按实施例4的化学处理载体 实施例3 376按实施例6的热处理及化学处理载体