CN100388392C

CN100388392C - 以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体

Info

Publication number: CN100388392C
Application number: CNB2005100501720A
Authority: CN
Inventors: 叶瑛; 程继鹏; 张孝彬; 邬黛黛; 季珊珊; 黄霞; 陈雪刚; 张维睿
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: CN1728287A

Abstract

本发明公开了一种以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体。导电粉体是在层状硅酸盐矿物表面包覆了碳质薄膜，所说的层状硅酸盐矿物是高岭石、埃洛石、蒙脱石、累托石、海泡石、坡缕石、伊利石、滑石、叶腊石、蛇纹石、绿泥石或绢云母，该层状硅酸盐矿物是具有层状结构的硅酸盐矿物，在自然界的产出形态为粘土、泥岩、页岩或块状矿石。层状硅酸盐矿物原料在自然界分布广泛，价格低廉，易于提纯和分散。粉体导电性能十分稳定，和现有的碳系与金属系列导电粉体相比，本发明提出的导电粉体具有更高的性价比。

Description

以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体

技术领域

本发明涉及一种以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体。

背景技术

导电粉体是一种功能材料，主要用作高分子材料(包括导电涂料)的填充材料，使高分子材料具有导电性、抗静电、屏蔽电磁波等功能。导电粉体一般可分为碳系(碳黑、碳纤维、石墨)、金属系列(金属粉末、金属片、金属纤维)和金属氧化物系列。

随着社会经济的迅猛发展，各种塑料、纤维、橡胶、涂料等高分子材料的应用范围日益扩大。这些材料由于受摩擦、撞击等易产生静电，而静电聚集到一定程度就会引起放电，甚至可能引起击穿或发生火灾。为防止或消除静电，就要在塑料、橡胶、纤维、涂料中添加导电粉体，使其具有导电、防静电等功能，从而消除静电带来的危害。导电粉体广泛适用于电子、电器、航空、涂料、化工、印刷、包装、船舶等领域。可用于生产导电涂料、抗静电涂料、导电塑料、导电橡胶、导电静电纸、电子元件、电器设备外壳、印刷电路版等，还可建设无尘室及电磁屏蔽层。导电涂料是最具开发前景的涂料产品之一，其核心技术是高导电性、低成本的导电粉体。

在目前使用的导电粉体中碳黑成本较低，使用最广，但它导电性能欠佳，而且颗粒之间凝聚力很强，很难和其它材料均匀混和。碳纤维成本高，加工困难；石墨的性能因产地不同变化较大，而且难以粉碎。金粉和银粉的价格昂贵，铜粉、镍粉、铝粉等容易氧化，而且氧化后造成导电性能下降甚至不导电。金属氧化物系列导电粉体性能不如碳系和金属系列，而且价格不菲。开发性能优良且稳定、价格低廉的导电粉体具有重要的经济意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体。

该导电粉体是在层状硅酸盐矿物表面包覆了碳质薄膜，所说的层状硅酸盐矿物是高岭石、埃洛石、蒙脱石、累托石、海泡石、坡缕石、伊利石、滑石、叶腊石、蛇纹石、绿泥石或绢云母，该层状硅酸盐矿物是具有层状结构的硅酸盐矿物，在自然界的产出形态为粘土、泥岩、页岩或块状矿石。

本发明以天然层状硅酸盐矿物为基体，采用化学气相沉积法将碳质薄膜包覆在矿物表面。这种粉体可以添加在塑料、橡胶、纤维、涂料中，使其具有导电、防静电等功能，从而消除静电带来的危害。它在电子、电器、航空、涂料、化工、印刷、包装、船舶等领域有广泛用途。可用于生产导电涂料、抗静电涂料、导电塑料、导电橡胶、电子元件和电器设备外壳、印刷电路版等。层状硅酸盐矿物在自然界分布广泛，价格低廉，易于提纯和分散，制备方法简便。碳质薄膜与层状硅酸盐矿物基体结合牢固，粉体颗粒之间无团聚现象，与高分子材料亲和性好，易形成分散均匀的混合物；粉体表面的碳质薄膜具有和石墨类似的结构，其导电性能优于炭黑和碳纤维；层状硅酸盐矿物和碳质薄膜在空气中不易氧化，因此导电性能十分稳定。和现有的碳系与金属系列导电粉体相比，本发明提出的导电粉体具有更高的性价比。

具体实施方式

选用层状硅酸盐矿物作为导电粉体的基体，主要是因为它们在自然界呈微粒集合体存在，在水中易于分散和提纯。层状硅酸盐矿物在自然界分布广泛，价格远低于金属粉体和碳系粉体。

层状硅酸盐矿物的粒度因产地和形成条件不同相差很大，使用前应作粒度分析，尽量选用自然粒度细小的层状硅酸盐矿物为原料。层状硅酸盐矿物的晶形因矿物种类不同而异，高岭石、蒙脱石(又名膨润土)、累托石和伊利石为片状，海泡石、坡缕石(又名凹凸棒石)为纤维状，埃洛石呈管状。不同形状的矿物混和使用有利于提高导电粉体的综合性能。

从天然矿石中分离提纯层状硅酸盐矿物的技术是众所周知的，它包括粉碎、打浆制成悬浮液、分级收集细粒组分等。提纯后的层状硅酸盐矿物在水中具有良好的分散性。

制备方法的第一步是将提纯过的层状硅酸盐矿物制成分散均匀的悬浮液矿浆。使用高剪切分散乳化机是为了克服矿物颗粒之间的凝聚力，使它们彼此分离形成单体，并且不破坏矿物的晶体形态；加入分散剂可以防止矿物颗粒重新团聚，降低浆料的粘度，使高浓度浆料的喷雾干燥成为可能，从而降低干燥能耗。分散剂的种类并不重要。推荐使用的分散剂是三聚磷酸钠，焦磷酸四钠和木素磺酸钠中的一种或几种。

制备方法的第二步是采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，以防止层状硅酸盐矿物在脱水过程中的再团聚，所得产品是一种易流动的层状硅酸盐矿物粉末。适用于本发明的喷雾干燥设备是常规性的，技术上是众所周知的。

第三步是对层状硅酸盐矿物进行镀膜，即采用化学气相沉积法将碳质薄膜包覆在层状硅酸盐矿物粉体的表面。所用设备由三部分组成，即预热区、反应区和收集区。氮气即是保护气体，也是层状硅酸盐矿物粉体的载气。氮气和矿物粉体在预热区加热到300～500℃，一方面是为了保证反应区的温度，同时使矿物彻底脱水。可根据当地气源选用合适烃类气体作为碳源。氮气和碳源气体的流量一般应控制在3∶1至6∶1，反应温度控制在500～900℃。包裹在矿物表面的碳膜介于石墨和无定形碳之间，导电率大大高于碳黑和碳纤维。

经过镀膜反应后，层状硅酸盐矿物由于脱水和失去结构氢氧根而发生不可逆相变，表面性质也由亲水性转为疏水性，但仍保持原有的形态特征。

以下结合具体实例进一步说明本发明。

实施例1：

以坡缕石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的坡缕石和30公斤水混合，加入0.1公斤三聚磷酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到坡缕石粉末；

3)将坡缕石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到300℃；坡缕石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入乙炔气体并加热到500℃；在收集区得到以坡缕石为基体的导电粉体。

实施例2：

以蒙脱石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的蒙脱石和8公斤水混合，加入0.5公斤木素璜酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到蒙脱石粉末；

3)将蒙脱石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到400℃；蒙脱石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入甲烷气体并加热到600℃；在收集区得到以蒙脱石为基体的导电粉体。

实施例3：

以海泡石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的海泡石和5公斤水混合，加入0.2公斤焦磷酸四钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到海泡石粉末；

3)将海泡石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到500℃；海泡石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入天然气并加热到700℃；在收集区得到以海泡石为基体的导电粉体。

实施例4：

以累托石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的累托石和5公斤水混合，加入0.1公斤三聚磷酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到累托石粉末；

3)将累托石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到300℃；累托石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入管道煤气并加热到700℃；在收集区得到以累托石为基体的导电粉体。

实施例5：

以埃洛石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的埃洛石和5公斤水混合，加入0.1公斤焦磷酸四钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到埃洛石粉末；

3)将埃洛石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到400℃；埃洛石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入丁烷气体并加热到800℃；在收集区得到以埃洛石为基体的导电粉体。

实施例6：

以伊利石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的伊利石和3公斤水混合，加入0.1公斤木素璜酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到伊利石粉末；

3)将伊利石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到500℃；伊利石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入丙烷气体并加热到700℃；在收集区得到以伊利石为基体的导电粉体。

实施例7：

以伊利石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的伊利石和3公斤水混合，加入0.05公斤三聚磷酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到高岭石粉末；

3)将高岭石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到500℃；高岭石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入乙烷气体并加热到900℃；在收集区得到以高岭石为基体的导电粉体。

实施例8：

以滑石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的滑石和4公斤水混合，加入0.1公斤木素璜酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到滑石粉末；

3)将滑石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到400℃；滑石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入乙烯气体并加热到600℃；在收集区得到以滑石为基体的导电粉体。

实施例9：

以蛇纹石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的蛇纹石和6公斤水混合，加入0.1公斤焦磷酸四钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到蛇纹石粉末；

3)将蛇纹石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到500℃；伊利石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入乙炔气体并加热到800℃；在收集区得到以伊利石为基体的导电粉体。

实施例10：

以绿泥石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的绿泥石和7公斤水混合，加入0.3公斤木素璜酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

3)将绿泥石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到300℃；绿泥石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入甲烷气体并加热到500℃；在收集区得到以绿泥石为基体的导电粉体。

实施例11：

以绢云母为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的绢云母和8公斤水混合，加入0.1公斤三聚磷酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到绢云母粉末；

3)将绢云母粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到400℃；伊利石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入天然气气体并加热到700℃；在收集区得到以绢云母为基体的导电粉体。

实施例12：

以叶腊石为基体的导电粉体制备方法，包括以下步骤：

1)称取10公斤经分离提纯的叶腊石和3公斤水混合，加入0.1公斤三聚磷酸钠，使用高剪切分散乳化机进行搅拌，使矿物颗粒分散均匀，制成悬浮液矿浆；

2)采用喷雾干燥法对悬浮液矿浆进行喷雾干燥，得到叶腊石粉末；

3)将叶腊石粉末和氮气导入反应装置的预热区中，并加热到500℃；伊利石粉末和氮气的混合物自动流入反应区，导入管道煤气气体并加热到900℃；在收集区得到以绢云母为基体的导电粉体。

本发明提供了一种以天然层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体及其制备方法。层状硅酸盐矿物在自然界分布广泛，价格低廉，易于提纯和分散，制备方法简便；碳质薄膜与层状硅酸盐矿物基体结合牢固，粉体颗粒之间无团聚现象，与高分子材料亲和性好，易形成分散均匀的混合物；粉体表面的碳质薄膜具有和石墨类似的结构，其导电性能优于炭黑和碳纤维；层状硅酸盐矿物和碳质薄膜在空气中不易氧化，因此导电性能十分稳定。和现有的碳系与金属系列导电粉体相比，本发明提出的导电粉体具有更高的性价比。

Claims

1.一种以层状硅酸盐矿物为基体的导电粉体，其特征在于该导电粉体是在层状硅酸盐矿物表面包覆了碳质薄膜，所说的层状硅酸盐矿物是高岭石、埃洛石、蒙脱石、累托石、海泡石、坡缕石、伊利石、滑石、叶腊石、蛇纹石、绿泥石或绢云母，该层状硅酸盐矿物是具有层状结构的硅酸盐矿物，在自然界的产出形态为粘土、泥岩、页岩或块状矿石。