CN101165105B - 一种氢氧化镁晶须材料表面改性的化学包覆方法 - Google Patents

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本项发明属于一种氢氧化镁晶须材料表面改性的化学包覆方法，方法中主要包括原料准备、改性剂加入、混合搅拌、过滤干燥、包装贮藏工艺过程，其特征在于选用油酸钾C17H33COOK或硬脂酸钠C17H35COONa两种改性剂中的一种为改性剂，改性剂的加入量按质量分数计算为氢氧化镁晶须材料质量的1.2～5.0％，制作中氢氧化镁晶须悬浮液的质量浓度为2.0～5.0％，混合搅拌速度为450～900rpm，混合搅拌温度为75℃～90℃，混合搅拌时间为20～60min。该种方法优点是改性效果好。经过本方法改性的氢氧化镁晶须其活化指数可达95％以上，且改性工艺简单易行，投资少，制作成本低廉。整个改性工艺节能、绿色环保。

Description

一种氢氧化镁晶须材料表面改性的化学包覆方法
技术领域
本项发明属于无机非金属粉体材料制备技术领域，具体为一种氢氧化镁晶须材料表面改性的化学包覆方法。
技术背景
氢氧化镁粉剂是无机非金属粉体材料中的一种，由于其热分解温度达340℃，且分解过程中不释放有毒有害气体，与其它无机阻燃剂如氢氧化铝、氧化锑、硼酸盐、钼化合物等相比具有良好的阻燃和抑烟作用，因此在材料阻燃技术领域受到广泛关注。
在西方发达国家生产的无机阻燃材料中，氢氧化镁阻燃剂已占总产量的30％，足见此种阻燃剂的重要。但氢氧化镁作为阻燃剂使用时，其添加量达到40％以上方能取得理想的阻燃效果。如此多的无机粉体添加物加入到塑料、橡胶等有机高分子材料中势必造成这些复合材料机械力学性能的明显下降，尤其是强度要求较高的复合高分子材料几乎无法选用此种阻燃剂。为此，人们以菱镁矿为原料，采用合理工艺，制作出了高品质氢氧化镁晶须材料。经高精度电子显微镜观察测试，所制作出氢氧化镁晶须材料呈纤维状，其表面光滑笔直，晶须直径均为＜1.0μm，长径比为20～100左右，纤细均整。如果作为添加剂使用不仅能够使添加后的复合材料燃烧性能明显降低，而且基于较大长径比会使复合材料的机械力学性能有所提高。
氢氧化镁晶须材料制作成功后的下一个课题就是如何在橡胶、塑料等有机高分子材料中的添加应用问题。其中首先需要解决的是氢氧化镁晶须材料的表面改性问题，使得该种添加剂和有机高分子材料有着更好的相容性，在相关复合材料的制作中得到充分的利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢氧化镁晶须表面改性方法，该方法采用表面化学包覆方法，通过表面改性剂的选择和相关加工工艺及其参数的确定来实现晶须材料的改性处理。
采用的技术方案是：
本发明采用表面化学包覆法进行晶须材料的改性处理，因此，表面改性剂的选择和相关加工工艺及其参数的确定是发明创造目的得以实现的关键所在。
现将发明具体内容陈述如下：
1.表面改性剂的选择
这里所要利用的表面改性剂应该是一种具有两性结构的物质，其分子中的一部分基团可与无机填料表面上的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高分子发生化学反应或物理缠绕。表面改性剂犹如架在无机填料和有机高分子材料之间的具有特殊功能的分子桥，使两种表面性质差异很大的材料紧密结合，从而形成新型复合材料。表面改性剂种类很多，如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、磷酸酯偶联剂、不饱和有机酸、高级脂肪酸及其盐、高级铵盐以及其它表面活性剂等。因此，表面改性剂选择的范围较大。综合考虑氢氧化镁晶须材料的表面性质、改性后的用途、质量要求、处理工艺以及表面改性剂的成本及产业化等因素。发明者选择了几种较为廉价的表面活性剂，和KH550偶联剂进行试验。所用的改性剂如表1所示。
表1  试验所用改性剂
名称   分子式 生产厂家
硬脂酸钙硬脂酸钠硬脂酸油酸钾KH550   Ca(C17H35COO)2C17H35COONaC17H35COOHC17H33COOKH2N(CH2)3Si(OC2H5)2 沈阳试剂二厂沈阳化学试剂厂国药集团化学试剂有限公司天津市化学试剂一厂沈阳力诚试剂厂
在同一加工工艺、相同技术参数条件下，其中经过油酸钾C17H33COOK和硬脂酸钠C17H35COONa改性处理的氢氧化镁晶须活化指数较大，其中油酸钾改性的氢氧化镁晶须活化指数最大可达到95％以上。其它改性剂的改性效果相对不佳，尤其是KH550偶联剂，不仅价格昂贵，而且用于氢氧化镁晶须表面改性的效果差，硬质酸改性的效果也不理想。考虑到硬脂酸钠的用量超过2.0％后改性效果逐渐下降，不够稳定，因此发明者选用油酸钾和硬脂酸钠两种改性剂中的任意一种作为本项发明中所使用的表面改性剂，继续研究氢氧化镁晶须的改性工艺技术条件。
2.改性工艺及参数
本项发明所采用的改性工艺主要包括原料准备、改性剂加入、混合搅拌、过滤干燥、包装贮藏等项过程。
(1)原料准备。将氢氧化镁晶须材料放到具有加热和搅拌功能的浆料槽中，加入纯净的工业用水，且边搅拌边加热稀释，当温度达到75℃以上的某一温度下恒温，最高不能超过90℃，形成均匀的氢氧化镁晶须悬浮液(以下称此悬浮液为料浆)。其中料浆浓度是一个很重要的工艺参数，按质量分数计算。当料浆浓度在2.0～5.0％时改性效果比较明显，其中料浆浓度自2.0％开始，随着浓度的升高，氢氧化镁晶须的活性指数不断变大，到4.0％时达最大值，超过此值改性效果逐渐变差，当超过5.0％以后将明显变差，6％以后改性效果更差。
(2)改性剂加入。将表面改性剂油酸钾C17H33COOK或硬脂酸钠C17H35COONa两种中的一种加入到已经充分分散的氢氧化镁晶须料浆中，其加入量按质量分数计算为料浆中晶须质量的1.2～5.0％。固定其它参数，经过多次试验，其中表面改性剂的加入量以2.0％时晶须活化指数最大，加入量低于或高于该值，改性效果都不理想，当低于1.0％时几乎没有效果，高于2.0％以后改性效果提高不大或有所下降，且将明显增加改性产品的成本。
(3)混合搅拌。浆料一经加入改性剂油酸钾后，就要在一定的温度下恒温混合搅拌，使晶须材料粒子与改性剂分子充分地结合，此时的温度应该控制在75℃～90℃时效果比较好，其中稳定在80℃时最好。经试验，对于浆料的混合搅拌强度可以控制在450～900rpm的范围内，效果较好，其中以600rpm时效果最好，搅拌强度过低难于促进晶须及活性剂分子间的充分接触，过高不仅改性效果不好，而且将使晶须发生断裂，影响晶须的长径比，降低了材料的纤维状结构优势。
控制混合搅拌时间也是本项发明中的重要参数之一，试验中，在其它条件不变的情况下，测量不同时间下获得的氢氧化镁晶须的活化指数，自20分钟开始，随时间的增加改性效果不断提高，达到30分钟时呈最大值，30分钟以后出现下降趋势，其中60分钟以后即使其它条件都不变，改性的效果会明显下降。
(4)过滤干燥。经过充分混合搅拌后的料浆可从料浆槽中倒出，进入过滤烘干工序。为了提高生产效率，过滤可采用抽真空方式，以便尽量降低滤饼中水份的含量，然后将滤饼置入烘干设备中进行干燥。干燥温度在60～110℃，一般需要5～18小时左右的时间，直到彻底干燥后进入包装工序。
(5)包装贮藏。干燥后的氢氧化镁晶须材料即为表面具有较高活性的添加剂材料，应采用防潮密闭的方式加以包装，然后妥善贮藏。
综上所述，本项发明采用化学包覆法对氢氧化镁晶须进行表面改性处理，方法中采用原料准备、改性剂加入、混合搅拌、过滤干燥、包装贮藏等项工艺，其中选用油酸钾C17H33COOK或硬脂酸钠C17H35COONa两种中的一种为改性剂，改性剂的加入量按质量分数计算为晶须质量的1.2～5.0％，氢氧化镁晶须悬浮液的质量浓度为2.0～5.0％，混合搅拌强度控制在450～900rpm，混合搅拌的温度为75℃～90℃，混合搅拌的时间为20～60min，然后过滤料浆形成滤饼，再经干燥除去滤饼中的水份后，包装贮藏。
本项发明所完成的改性方法具有如下特点；
1.改性效果好。经过本方法改性的氢氧化镁晶须其活化指数可达95％以上，使得在其具体使用的过程中可以明显改善与有机高分子材料的相容性，彻底克服了普通氢氧化镁粉剂添加剂加入后降低复合材料机械强度和韧性的弊端；
2.改性工艺简单易行。表面改性所使用的设备简单，主体设备只需要带有加热和搅拌的大型料浆槽、过滤机和干燥设备即可生产，相对而言设备投资较低，易于生产，操作方便；
3.制作成本低廉。选用的改性剂油酸钾价格低廉，整个生产无需再加入其它助剂，因此制作成本低廉，产品具有较高的价格竞争力；
4.节能环保。整个生产在常压下进行，工艺流程简单，单批改性材料的作业时间较短，耗能较低，所用的工业纯水可以循环使用，无污染物排放。符合国家节能环保要求，属于绿色加工工业。
具体实施方式
实施例一
根据本项发明所完成的改性方法，取油酸钾C17H33COOK作为氢氧化镁晶须表面改性剂，选择的改性工艺技术条件为：改性剂用量为氢氧镁晶须料浆中晶须质量的2％，氢氧化镁晶须料浆的浓度为4％，混合搅拌时间为30min，混合搅拌温度为80℃，搅拌速度为600rpm。改性后氢氧化镁晶须的活化指数达到99.35％，改性效果很好。
实施例二
根据本发明所完成的改性方法，取硬脂酸钠C17H35COOK作为氢氧化镁晶须表面改性剂，选择的改性工艺技术条件为：改性剂用量为3％，料浆的浓度为5％，混合搅拌时间为40min，混合搅拌温度为85℃，混合搅拌速度为700rpm。改性后氢氧化镁晶须的活化指数达到99.15％，改性效果很好。

Claims (1)

1.一种氢氧化镁晶须材料表面改性的化学包覆方法，方法中主要包括原料准备、改性剂加入、混合搅拌、过滤干燥、包装贮藏工艺过程，其特征在于选用油酸钾C17H33COOK为改性剂，改性剂的加入量按质量百分数计算为氢氧化镁晶须材料质量的1.2-5.0，制作中氢氧化镁晶须悬浮液的质量浓度为2.0～5.0％，混合搅拌强度450～900rpm，混合搅拌温度为75℃～90℃，混合搅拌时间为20～60min。
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