CN101381530B - 对凹凸棒石进行表面处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机/有机复合材料，特别涉及对凹凸棒石(ATP)进行表面处理的方法。将凹凸棒石和氧化聚乙烯乳液在超声条件下进行分散复合，得到凹凸棒石分散在氧化聚乙烯乳液中的复合物。将复合物直接或加入沉降剂沉降后，在具有强机械剪切作用力的设备上对其施加反复的剪切作用，得到可用于聚合物复合的经氧化聚乙烯处理的凹凸棒石。用本发明处理的凹凸棒石可直接用于制备高性能聚合物纳米复合材料。

Description

对凹凸棒石进行表面处理的方法
技术领域
本发明属于无机/有机纳米复合材料，特别涉及对凹凸棒石(ATP)进行表面处理的方法。用本发明进行处理的ATP可用于制备高性能的聚合物纳米复合材料。
背景技术
凹凸棒石在矿物学上隶属于海泡石族，是一种具有特殊的层链状分子结构的含水富镁铝硅酸盐矿物，1982年发现于前苏联乌拉尔矿区的热液蚀变产物中而得名。1935年法国学者巴朗特在美国佐治亚州凹凸堡和法国莫摩隆沉积岩层中也曾发现这一矿物，并命名为凹凸棒石，英文缩写为ATP(以下简称ATP)。ATP的晶体结构呈长宽比很高的纤维状或窄带状，依产地不同而有所差异。ATP的显微结构包括3个层次：(1)ATP的基本结构单元为棒晶，棒晶呈棒状，长约1μm，直径约20nm；(2)由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束；(3)由晶束(也包括棒晶)间相互聚集而形成的各种聚集体(粒径通常为0.01～0.1mm)。棒晶是一种天然的一维无机纳米材料，但通常情况下容易聚集，导致ATP与聚合物复合只能起到填充增量作用，不能充分发挥其应有的作用。为了解决这一缺陷，需要对ATP进行预处理，PP/ATP纳米复合材料的制备与性能研究(王平华，工程塑料应用，2003年，12(31)12)中提到用偶联剂KH-570对ATP进行预处理，再用处理后的ATP与聚丙烯(以下简称PP)共混后，复合材料的力学、结晶性能均有所提高。而聚丙烯接枝马来酸酐对聚丙烯/凹凸棒石复合材料力学性能的影响(吕召胜，塑料工业，2005年，5(33)174)中提到用聚丙烯接枝马来酸酐对复合体系进行增容，对ATP在PP分散状态没有显著影响，力学性能改善也不明显。一种纳米纤维增强剂的制备方法(中国发明专利，ZL02159287.X，公告号1195009C)中描述了包覆隔离得到纳米纤维增强剂的方法，用于针状硅酸盐中的有机表面隔离剂为天然橡胶乳液、丁苯橡胶乳液、丁腈橡胶乳液、羟基丁腈橡胶乳液、聚丙烯酸乳液等。
发明内容
本发明的目的是提供一种对ATP进行表面处理的方法，以解决ATP与聚合物复合只能起到填充增量作用，不能充分发挥其应有的纳米效应。
本发明是制备聚烯烃/ATP纳米复合材料的前期准备工作：对ATP的表面处理。经氧化聚乙烯处理的ATP对聚丙烯/ATP纳米复合材料的力学性能有突出地贡献，其优越性更突出表现在对复合材料缺口冲击强度的显著提高。
氧化聚乙烯处理ATP的原理：ATP和氧化聚乙烯乳液在超声的条件下混合，形成氧化聚乙烯ATP复合物，进而在和PP熔融共混时，有利于增强ATP和聚丙烯的界面结合作用力，提高材料的力学、结晶等性能。
本发明的对ATP进行表面处理的方法包括以下步骤：
(1).将氧化聚乙烯乳液置于容器中，然后将该容器放置超声器中；
(2).将ATP置于步骤(1)的容器中，超声分散得到氧化聚乙烯ATP复合物；
(3).将步骤(2)得到的复合物在具有强机械剪切作用力的设备上施加反复的剪切作用；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP复合物，在温度为100～114℃的条件下干燥备用。
所述的ATP与氧化聚乙烯固含量的重量比为0.5∶1～10∶1。
所述的氧化聚乙烯乳液的浓度是10～40wt％。
在超声分散后得到氧化聚乙烯ATP复合物中进一步加入沉降剂，搅拌，静置，等待体系沉降后得到凹凸棒石复合物；其中沉降剂与氧化聚乙烯乳液的体积比是1∶5～1∶100。
所述的沉降剂与氧化聚乙烯乳液的体积比是1∶20、1∶25或1∶30。
所述的沉降剂是酸或路易斯酸。
所述的酸为盐酸、硫酸或磷酸等。
所述的沉降后得到的ATP复合物在具有强机械剪切作用力的设备上反复研磨后；在温度为100～114℃的条件下干燥后得到的ATP粒径为0.01～1mm。
所述的干燥后的ATP复合物在粉碎机中粉碎成粒径为0.01～0.1mm的颗粒。
所述的超声分散时间是5～100分钟。
所述的反复研磨时间是10～100分钟。
所述的干燥时间是10～100小时。
所述的具有强机械剪切作用力的设备是三辊研磨机或开放式炼胶机等。
所述的超声波的功率是50Hz。
本发明的原理是：超声条件下ATP在氧化聚乙烯乳液中进行分散复合，形成氧化聚乙烯ATP复合物，或加入沉降剂破坏介质中的pH值使氧化聚乙烯ATP复合物得以沉降。在具有强机械剪切作用力的设备上对复合物实施反复的机械剪切作用。干燥后得到经氧化聚乙烯处理的ATP可直接用于聚合物复合，其最优条件是在高速粉碎机中粉碎成微米级别的ATP颗粒。
本发明得到的ATP填充在聚丙烯中，对PP有很明显的增强、增韧效果(见图1)。且ATP在PP中的分散效果好。
附图说明
图1.本发明实施例1、2、3、5得到的ATP/PP纳米复合材料缺口冲击强度图。
附图标记
■PP/ATP(未处理)    ◆实施例1    ▲实施例2    
Figure 200710121277X_0
实施例3
具体实施方式
实施例1.
(1).用烧杯量取浓度为20wt％100ml氧化聚乙烯乳液，置于超声波功率为50Hz的超声器中；
(2).称取ATP 20g，置于步骤(1)的容器中，搅拌并超声分散20分钟，其中ATP与聚乙烯固含量的重量比为1∶1；或将3ml磷酸加入到经超声分散后得到的氧化聚乙烯ATP复合物中，搅拌，静置待复合物体系沉降；
(3).将步骤(2)得到的氧化聚乙烯ATP复合物或沉降后得到的ATP复合物在三辊研磨机上反复研磨45分钟；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的ATP复合物，在温度为110℃的真空干燥箱中抽真空干燥16小时，得到的凹凸棒石粒径为0.01～1mm；
(5).将步骤(4)干燥后的ATP复合物在高速粉碎机中粉碎成粒径为0.01～0.1mm的ATP颗粒，得到经氧化聚乙烯处理的ATP。
实施例2.
(1).用烧杯量取浓度为20wt％100ml氧化聚乙烯乳液，置于超声波功率为50Hz的超声器中；
(2).称取ATP 40g，置于步骤(1)的容器中，搅拌并超声分散30分钟，其中ATP与聚乙烯固含量的重量比为2∶1；或将3ml磷酸加入到经超声分散后得到的氧化聚乙烯ATP复合物中，搅拌，静置待复合物体系沉降；
(3).将步骤(2)得到的氧化聚乙烯ATP复合物或沉降后得到的ATP复合物在三辊研磨机上反复研磨50分钟；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的ATP复合物，在温度为110℃的真空干燥箱中抽真空干燥14小时，得到的凹凸棒石粒径为0.01～1mm；
(5).将步骤(4)干燥后的ATP复合物在高速粉碎机中粉碎成粒径为0.01～0.1mm的ATP颗粒，得到经氧化聚乙烯处理的ATP。
实施例3.
(1).用烧杯量取浓度为20wt％100ml氧化聚乙烯乳液，置于超声波功率为50Hz的超声器中；
(2).称取ATP 60g，置于步骤(1)的容器中，搅拌并超声分散50分钟，其中ATP与聚乙烯固含量的重量比为1∶1；或将3ml磷酸加入到经超声分散后得到的氧化聚乙烯ATP复合物中，搅拌，静置待复合物体系沉降；
(3).将步骤(2)得到的ATP复合物或沉降后得到的ATP复合物在三辊研磨机上反复研磨60分钟；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP复合物，在温度为110℃的真空干燥箱中抽真空干燥12小时；
(5).将步骤(4)干燥后的ATP复合物在高速粉碎机中粉碎成微米级别的ATP颗粒，得到经氧化聚乙烯处理的ATP。
实施例4.
(1).用烧杯量取浓度为15wt％100ml氧化聚乙烯乳液，置于超声波功率为50Hz的超声器中；
(2).称取ATP 30g，置于步骤(1)的容器中，搅拌并超声分散30分钟，其中ATP与聚乙烯固含量的重量比为2∶1；
(3).将步骤(2)得到的氧化聚乙烯ATP复合物在开放式炼胶机上反复研磨40分钟，得到的凹凸棒石粒径为0.01～1mm；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的ATP复合物，在温度为105℃的干燥箱中干燥10小时，得到经氧化聚乙烯处理的ATP。
实施例5.
分别称取实施例1、2、3所处理的1g、3g、8g ATP和未经过处理的ATP1g、3g、8g作为参照，分别与100g的PP熔融共混。测试其对力学性能的影响如下：
1.拉伸试验
拉伸强度最高提高10.68％(实施例2)，弹性模量最高提高8.15％(实施例2)。
2.缺口冲击试验
缺口冲击强度最高提高82.51％(实施例2)。
3.弯曲试验
弯曲强度最高提高35.65％(实施例3)。
4.力学性能小结
经氧化聚乙烯处理的ATP与PP熔融共混得到的ATP/PP纳米复合材料，在ATP含量为3时力学性能提高到最大，随着ATP含量的增加，力学性能呈现下降趋势，ATP与氧化聚乙烯固含量之比为2∶1时力学性能最好。为增强增韧提供了很好的数据支持。
实施例1、2、3、5得到的ATP/PP纳米复合材料缺口冲击强度见图1。

Claims (10)

1.一种对凹凸棒石进行表面处理的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
(1).将氧化聚乙烯乳液置于容器中，然后将该容器放置超声器中；
(2).将凹凸棒石置于步骤(1)的容器中，超声分散得到氧化聚乙烯凹凸棒石复合物；
(3).将步骤(2)得到的复合物在具有强机械剪切作用力的设备上施加反复的剪切作用进行研磨；
(4).将步骤(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯凹凸棒石复合物，在温度为100～114℃的条件下干燥备用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的凹凸棒石与氧化聚乙烯固含量的重量比为0.5∶1～10∶1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的氧化聚乙烯乳液的浓度是10～40wt％。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：在超声分散后得到的氧化聚乙烯凹凸棒石复合物中进一步加入沉降剂，搅拌，静置，等待体系沉降后得到凹凸棒石复合物；其中沉降剂与氧化聚乙烯乳液的体积比是1∶5～1∶100。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述的沉降剂与氧化聚乙烯乳液的体积比是1∶20、1∶25或1∶30；所述的沉降剂是酸。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述的酸是路易斯酸。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述的沉降后得到的凹凸棒石复合物，在具有强机械剪切作用力的设备上反复研磨后，在温度为100～114℃的条件下干燥，得到的凹凸棒石粒径为0.01～1mm。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征是：所述的干燥后的凹凸棒石复合物在高速粉碎机中粉碎成粒径为0.01～0.1mm的颗粒。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(2)所述的超声分散时间是5～100分钟。
10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征是：所述的研磨时间是10～100分钟。
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Denomination of invention: Method for treating surface of attapulgite

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License type: Exclusive License

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