CN102070919A - 一种二氧化硅/层状无机粘土复合粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无机粉末，涉及塑料改性技术领域。所述二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，包含有层状无机粘土和二氧化硅，其中层状无机粘土和二氧化硅的重量比为10∶90～90∶10。通过将层状无机粘土悬浮液和纳米级二氧化硅粉末悬浮液或硅溶胶在液体状态下混合均匀，然后经喷雾干燥制得所述的复合粉末。将该复合粉末能够提高塑料刚性等力学性能，同时具有不产生不良气味、颜色稳定的特点，是一种理想的热塑性树脂的力学性能改性剂。

Description

一种二氧化硅/层状无机粘土复合粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机粉末，进一步地说，是涉及一种用于塑料改性技术领域的无机粘土与二氧化硅复合而成的粉末及其制备方法。

背景技术

无机粘土大多数是具有片层状结构的天然矿物，一般来说其片层平均厚度为1nm左右。无机粘土在机械、冶金、钻探、石油化工等多个行业中有着广泛应用。其中具有高度离子交换能力的层状无机粘土如钠基蒙脱土在聚合物领域中作为塑料的增强改性剂应用已为人们所熟知。在这类应用中，需要将粘土原土用有机插层剂(通常为带有长链的季铵盐)进行离子交换处理，也称为有机化处理，而得到有机改性粘土，以便于粘土片层在聚合物基体中分散。将此类改性的有机粘土应用于聚酰胺树脂中可有效地提高树脂的机械强度和耐热性，参见美国专利US 4,739,007、US 4,810,734、US 5,385,776。对于非极性的聚烯烃类树脂如聚丙烯也可以使用有机粘土来提高力学性能，例如，中国专利ZL 00105494.5公开了一种将有机蒙脱土与无机刚性粒子及聚丙烯通过熔融共混的方法来制备增强聚丙烯复合材料。该方法直接采用商品化的有机蒙脱土为原料与经表面处理的超细无机粒子(1000目以上)和聚丙烯经双螺杆挤出机共混后可得到增强聚丙烯。中国专利ZL 00104624.1公开了一种采用溶液混合制备聚丙烯/有机粘土复合材料方法。首先将蒙脱土用长链季铵盐进行离子交换处理得到有机化的蒙脱土，然后加入二甲苯升温至130℃再加入聚丙烯溶解，然后加入接枝单体、引发剂进行反应，最后将溶液倒入沉淀剂中沉淀并干燥，得到经聚丙烯/粘土纳米复合材料。

以上这些粘土在聚合物中的应用均采用了将粘土通过有机插层剂进行改性的方法，即都需要先将无机粘土进行有机化处理。而应用的方法一般也以熔融共混为最主要方法，因为该方法简单易于实现工业化生产。但是由于目前普遍采用的长链季铵盐类插层剂的耐热性不佳，在聚合物熔融挤出过程中容易发生热分解，因此会在聚合物熔融加工过程中带来变色、产生气味等不良后果，目前还没有很好的解决方法。

发明内容

本发明尝试采用无机纳米二氧化硅粒子作为层状无机粘土片层的隔离物，制备出一种不需要有机化处理的无机纳米粒子复合粉末，该粉末不含有机组分、具有良好的耐热性，在加工过程中不变色，可用于提高塑料如聚丙烯等树脂的刚性，在相同的添加量下，具有与有机改性蒙脱土相当或更高的力学性能。

因此，本发明的目的是提供一种由层状无机粘土和纳米二氧化硅粒子复合而成的复合粉末。

本发明所述的一种二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，包含有层状无机粘土和二氧化硅。所述层状无机粘土与二氧化硅的重量比为10∶90～90∶10，优选为25∶75～75∶25。

以上所述层状无机粘土，是具有片层结构的无机粘土，可采用现有技术中的各种层状无机粘土。优选自以下粘土中的至少一种：蒙脱土、高岭土、蛭石、沸石或皂石。所述的无机粘土在水中可以形成溶胶或悬浮液。

本发明所述的这种层状无机粘土和二氧化硅复合而成的复合粉末，其中层状无机粘土的片层和二氧化硅的粒子为相隔离的分散状态其中片状的粘土片层和球形的二氧化硅粒子相互隔离，二氧化硅粒子起到了对粘土片层进行“插层”的作用。因为这种特殊的插层状态，将该复合粉末应用于改性塑料领域，其易于分散在塑料母体中，能够提高塑料刚性等力学性能。由于不含有长链季铵盐类的有机插层剂，因此在与塑料进行熔体共混加工过程中，具有不产生不良气味、颜色稳定的特点，是一种理想的热塑性树脂的力学性能改性剂。

本发明的另一目的是提供所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末的制备方法。

本发明的无机纳米粒子复合粉末中片状的粘土片层和球形的二氧化硅粒子的相互隔离的状态是由其制备方法所决定的。本发明通过将无机粘土悬浮液和纳米级二氧化硅粉末的悬浮液，或者硅溶胶在液体状态下混合均匀，使片状的粘土片层和球状的二氧化硅粒子在水中保持互相隔离分散的状态，然后经喷雾干燥，通过将混合液中的水快速干燥而使粘土片层和二氧化硅球状粒子的互相隔离分散的状态能够快速固定下来。

具体来讲，本发明所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末的制备方法，包含有以下步骤：

a、将所述层状无机粘土与水配制成层状无机粘土悬浮液；

b、将所述二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的层状无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按量将硅溶胶与步骤a制得的层状无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/层状无机粘土复合粉末。

以上方法步骤a中所述的水优选为蒸馏水。蒸馏水中不含离子，更有利于无机粘土的片层在悬浮液中的分散。

以上方法步骤a和步骤b中，制备层状无机粘土悬浮液或制备二氧化硅悬浮液的方法可采用现有技术中各种制备悬浮液的方法及设备，一般可将层状无机粘土或二氧化硅粉末与水通过高剪切乳化机配制成一定浓度的悬浮液。无机粘土悬浮液的浓度以加入粘土充分分散后仍能保持流动性为宜，一般约为5％～20％wt。二氧化硅悬浮液的浓度也是以加入粘土充分分散后仍能保持流动性为宜，一般约为5～20％wt。

以上方法步骤b中所述二氧化硅粉末的粒子平均粒径为5～100nm，优选为5～50nm。

以上方法步骤b中所述硅溶胶(mSiO₂·nH₂O)是粒径范围为10-20nm的二氧化硅微粒分散在水中形成的稳定悬浮液。本发明所述的硅溶胶可采用现有技术中的各种硅溶胶产品。

本发明复合粉末的制备方法步骤b中所述的层状无机粘土悬浮液中所含层状无机粘土的重量(即层状无机粘土悬浮液干重)与二氧化硅悬浮液中所含二氧化硅的重量(二氧化硅悬浮液干重)之比为10∶90～90∶10，优选为25∶75～75∶25；或者所述的层状无机粘土悬浮液中所含层状无机粘土的重量与硅溶胶中所含二氧化硅的重量(硅溶胶干重)之比为10∶90～90∶10，优选为25∶75～75∶25。

以上步骤b中将二氧化硅悬浮液或硅溶胶与层状无机粘土悬浮液的混合可采用现有技术中各种混合设备来进行，如高速搅拌机、高剪切分散乳化机、磁力搅拌机等。

以上步骤c中的喷雾干燥方法可采用现有技术中通用的喷雾干燥设备，其喷雾干燥的工艺条件也采用常规条件，一般进口温度可以控制在140-160℃，出口温度可以控制在50-70℃。

本发明所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末可应用于改性塑料，可采用常规的共混设备和常规工艺条件。如果需要，还可适量加入其他塑料加工助剂和增容剂。将该复合粉末能够提高塑料刚性等力学性能，同时具有不产生不良气味、颜色稳定的特点，是一种理想的热塑性树脂的力学性能改性剂。而且本发明所述的复合粉末的制备方法也简单、简便，易于操作，适合工业推广。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1：

将钠基蒙脱土(河北张家口清河化工厂生产，片层平均厚度1nm)与水按5wt％的浓度混合，经高剪切分散机(FLUKO生产、型号FA25)分散并放置一周以上，然后再一次通过高剪切分散机分散得到稳定的钠基蒙脱土悬浮液。悬浮液中钠基蒙脱土的片层间充分剥离。将分散好的蒙脱土悬浮液与硅溶胶(青岛化工厂生产、牌号ZA-25、SiO₂浓度25wt％、粒径范围10-20nm、pH值大约7)按各自干重的90∶10配比混合，用实验室高剪切分散乳化机以10000转每分钟搅拌30分钟，在喷雾干燥试验装置(QP-3X型号，北京北化研石化设计院生产)中喷雾，喷雾干燥器的进口温度为140-160℃，出口温度为50-70℃，于旋风分离器中收集得到干燥后蒙脱土与二氧化硅比例为90/10的1#复合粉末。

实施例2：

将二氧化硅粉末(沈阳化工股份有限公司，粒径范围为7～30nm)与蒸馏水按5wt％的浓度混合，经高剪切分散机(同实施例1)分散得到稳定的悬浮液。将蒙脱土悬浮液(同实施例1)与经分散得到的二氧化硅悬浮液按各自干重的10/90配比混合，按与实施例1相同的条件进行剪切分散并喷雾干燥后，得到蒙脱土与二氧化硅比例为10/90的2#复合粉末。

实施例3：

将蒙脱土悬浮液与硅溶胶按各自干重的75/25配比混合，其余与实施例1相同，经喷雾干燥得到蒙脱土与二氧化硅比例为75/25的3#复合粉末。

实施例4：

将蒙脱土悬浮液与硅溶胶按各自干重的50/50配比混合，其余与实施例1相同，经喷雾干燥得到蒙脱土与二氧化硅比例为50/50的4#复合粉末。

实施例5：

将蒙脱土悬浮液与硅溶胶按各自干重的25/75配比混合，其余与实施例1相同，经喷雾干燥得到蒙脱土与二氧化硅比例为25/75的5#复合粉末。

实施例6：

采用实施例4所制备的蒙脱土与二氧化硅比例为50/50的4#复合粉末与聚丙烯粉料(蓝星集团天津石化3#料、熔体流动速率3.0-5.9g/10min)抗氧剂1010和168(瑞士汽巴加基生产、二者以1/1重量比例混合使用)混合配料，其具体组成为：聚丙烯95wt％、4#复合粉末5wt％，另混入以聚丙烯与复合粉末总重量为100份计0.2重量份的抗氧剂1010/168混合物，在高速搅拌器中混合一分钟，用美国热电Haake公司的PolylabOS双螺杆挤出系统(长径比25∶1、直径16mm)熔融共混造粒，挤出机各段温度分别为170℃，190℃，190℃，190℃，190℃，190℃(机头温度)。将粒料经模压并采用机加工方法制成标准样条，经测试得到复合粉末增强聚丙烯塑料的性能列于表1中。

比较例1：

将实施例6中所用的聚丙烯粉料100份与所用抗氧剂0.2份混合造粒挤出，加工与制样条件与实施例6相同，试样的测试结果列于表1中。

比较例2：

以实施例1中未经处理的钠基蒙脱土代替实施例6中的4#复合粉末，与聚丙烯共混制备增强聚丙烯，各组分比例及加工、制样条件均与实施例6相同，试样的测试结果列于表1中。

比较例3：

以有机蒙脱土(Nanocor公司生产、牌号I.44P)代替实施例6中的4#复合粉末，与聚丙烯共混制备增强聚丙烯，各组分比例及加工、制样条件均与实施例6相同，试样的测试结果列于表1中。

表1

从表中力学性能数据可以看出，采用所制备的层状无机粘土与二氧化硅的复合粉末具有提高聚丙烯刚性和热变形温度的效果，如实施例6所示，在5wt％的复合粉末添加量下可使纯聚丙烯的弯曲强度提高5％，弯曲模量提高23％，热变形温度提高5℃，其效果超过了未经处理的蒙脱土以及有机粘土。此外，由于本发明所制备的复合粉末不含有机组分，因此其耐热性良好，在加工过程中不变色，不产生异味，是一种理想的聚合物增强改性剂。

Claims (6)

1.一种二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，包含有层状无机粘土和二氧化硅，其中所述层状无机粘土与二氧化硅的重量比为10∶90～90∶10，所述复合粉末由包括以下步骤的方法制备而成：

a、将所述层状无机粘土与水配制成无机粘土悬浮液；

b、将所述二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按所述量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的层状无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按所述量将硅溶胶与步骤a制得的无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/层状无机粘土复合粉末；

以上步骤b所述二氧化硅粉末的粒径范围为5～100nm。

2.根据权利要求1所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，其中所述层状无机粘土与二氧化硅的重量比为25∶75～75∶25。

3.根据权利要求1所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，其中所述二氧化硅粉末的粒径范围为5～50nm。

4.根据权利要求1～3之任一项所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末，其中所述无机粘土选自以下物质中的至少一种：蒙脱土、高岭土、蛭石、沸石或皂石。

5.根据权利要求1～4之任一项所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末的制备方法，包含有以下步骤：

a、将所述层状无机粘土与水配制成无机粘土悬浮液；

b、将所述二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按所述量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的层状无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按所述量将硅溶胶与步骤a制得的层状无机粘土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/层状无机粘土复合粉末。

6.根据权利要求5所述的二氧化硅/层状无机粘土复合粉末的制备方法，其中步骤a中所述水为蒸馏水。