CN102583994B - 一种复合矿物纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合矿物纤维的制备方法，包括如下步骤：①按质量百分比，将凹凸棒粘土粉体20～80％和针状硅灰石粉体20～80％混合；②在95℃～105℃下，加入质量百分比为0～3.0％的助剂，反应0.1～3.5h。本发明由于采用凹凸棒粘土和针状硅灰石为主要原料，配合助剂，其制备方法简单、便于操作，且得到的复合材料，其各项理化性能优于石棉，并无毒无害，成本低，经济效益和社会效益广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合矿物纤维材料，属于功能材料领域。
背景技术
石棉纤维已确认对人体有害，许多国家已经禁止使用。在替代石棉纤维的研究中，许多合成纤维正在使用，中国专利87108257公开了一种硅灰石熔制玻璃纤维制备方法，是将硅灰石和氧化镁、氧化铝等物质混合熔融，制成纤维。由于这种纤维只考虑了它的耐碱性，它的热导性差，抗拉强度低，不能满足石棉用于保温隔热、耐火耐磨性能应用的要求，同时因其经高温熔制，所以成本高，应用领域受到限制。
凹凸棒粘土世界探明储量4000万吨左右，我国储量占50％，是主要的资源国和生产国之一。因储量丰富，价格低廉，是优良的可利用资源。凹凸棒粘土是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，其理论的化学成分(质量分数)为：SiO2：56.96％，(Mg，Al，Fe)O：23.83％，H20：19.21％，并具有特殊的纤维结构，不同寻常的胶体、吸附、催化、悬浮和脱色等性能，广泛应用于环保、造纸、涂料、建材等行业。
硅灰石纤维属于链状偏硅酸盐，一般成纤维状、针状，具有良好的绝缘性、介电性、耐热性、耐候性，以及很高的白度，广泛应用于涂料、陶瓷、化工、冶金、造纸、塑料等领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合矿物纤维材料的制备方法，包括如下步骤：
①按质量百分比，将凹凸棒粘土粉体20～80％和针状硅灰石粉体20～80％混合；
②在95℃～105℃下，加入质量百分比为0～3.0％的助剂，反应0.1～3.5h。
上述制备方法中，优选的凹凸棒粘土粉体的质量百分比为40～80％；针状硅灰石粉体的质量百分比为20～60％。
上述方法中，为了进一步的优化，将凹凸棒粘土在LHJ-70型超细机械粉碎机中加工，调整分级机转数2000r/min，使凹凸棒粘土粉体粒径为5～15um；将针状硅灰石在HFG400型流化床式对喷式气流磨加工，分级轮转数2000r/min，使针状硅灰石粉体粒径为5～45um。
上述制备方法中，助剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸钠和阳离子表面活性剂。
本发明的另一目的在于提供由上述任一所述方法制备的复合矿物纤维，该纤维的容重为0.1～0.6g/cm3，松比重为0.06～0.4g/cm3。
本发明的复合矿物纤维材料具有以下特性及其应用：
①悬浮性：复合矿物纤维的晶体结构在水中分散后，其针状束被拆散而形成杂乱的网络结构，网络束缚液体而使体系变稠。在外力下能够充分分散，形成一种杂乱的纤维格状体系的悬浮液，流变性极好，因此，可应用于涂料、粘结剂、油墨等，具有防沉淀作用；
②吸附性：复合矿物纤维的吸附性主要取决于自身较大的比表面积和特殊的表面物化结构以及离子状态，因此，可广泛用作吸油剂、干燥剂，室内湿度调节剂，除臭剂等。
③胶体性和增稠性：吸附能力强，增强附着力，可增加各种树脂的粘性。
④保温隔热性：凹凸棒粘土是一种具有微细孔隙结构的矿物材料，当气孔直径小到一定数量级时(如50nm)，气孔内的空气分子完全被吸附在气孔壁上，此时气孔近似于真空状态，当这样的气孔足够多时，其热传导、对流传导率和热传导效率都减小，导致材料的总导热系数大大降低。利用耐高温、隔热的该复合纤维材料，在耐高温粘结剂磷酸盐的粘结作用下，复合其他填充材料，制成隔热装饰材、墙面材、铺地材等，材料与施工的综合造价低于其他保温材料，因不含石棉，生产和施工无毒无害，具有明显的经济效益和社会效益；
⑤纤维填充性：塑胶功能增强材料，摩擦材料等。硅灰石纤维的单项摩擦性能和抗热衰退性能好于石棉，但其耐磨性低于石棉材料，而凹凸棒粘土具有层链状晶纤结构和棒状、纤维状的晶簇特点，纤维状单晶间的作用力主要是范德华力和氢键，在机械力的作用下，被分离和分解成一维纳米级单晶，可起到很好地补强效果。同时，凹土的表面富含Si-OH极性基团，因此可以采用偶联剂对其进行处理，以降低棒晶的表面自由能。因此，该纤维作为增强基料，可使制品的韧性好，抗拉强度、抗弯强度大，冲击强度高，磨损小，密度小，且能降低成本，提高质量。
本发明由于采用凹凸棒粘土和针状硅灰石为主要原料，配合助剂，其制备方法简单、便于操作，且得到的复合材料，其各项理化性能优于石棉，并无毒无害，成本低，经济效益和社会效益广泛。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所使用的凹凸棒粘土来源于江苏省盱眙县玉智粘土厂；针状硅灰石购于辽宁沈环矿业有限公司；硅烷偶联剂来源于辽宁省盖州市恒达化工有限责任公司；钛酸酯偶联剂来源于南京品宁偶联剂有限公司。
本发明中的化学成分分析采用国家标准GB/T 14506-2010硅酸盐岩石化学分析方法进行检测；容重采用国家标准GB/T5498-1985容重测定法进行检测；松比重(松装密度)采用LDBT-100型通用松装密度仪依据GB/T 16913.1-1997粉尘特性试验方法进行检测；白度采用国家标准GB/T5950-2008建筑材料与非金属矿产品白度测量方法，光谱测定仪符合GB3979的规定；吸油值的测试方法采用国家标准GB5211.15-88颜料吸油量的测定。
实施例1
①将凹凸棒粘土在LHJ-70型超细机械粉碎机中加工，调整分级机转数2000r/min，使凹凸棒粘土粉体粒径为5um；将针状硅灰石在HFG400型流化床式对喷式气流磨加工，分级轮转数2000r/min，使针状硅灰石粉体粒径为5um；
②取步骤①的平均粒径5um凹凸棒粘土纤维8质量份和平均粒径5um针状硅灰石纤维2质量份混合；
③在95℃下，加入0.02质量份的硅烷偶联剂，在1000rpm转速下，搅拌0.2h。
经检测其化学成分(质量百分比)为SiO2：60.2％，CaO：15.8％，MgO：5.61％，Al2O3：4.89％，Fe2O3：3.58％，LOI：9.21％；物理性能：容重为0.32g/cm3，松比重为0.19g/cm3，白度65.6，吸油值88.6％。
以该共聚物为基料，与颜料、填充剂和助剂复配制备的涂料具有良好的抗蚀性、耐热性、耐磨性和自洁性。
实施例2
①将凹凸棒粘土在LHJ-70型超细机械粉碎机中加工，调整分级机转数2000r/min，使凹凸棒粘土粉体粒径为5um；将针状硅灰石在HFG400型流化床式对喷式气流磨加工，分级轮转数2000r/min，使针状硅灰石粉体粒径为8um；
②取步骤①的平均粒径5um凹凸棒粘土纤维6重量份和平均粒径8um针状硅灰石纤维4重量份混合；
③在100℃下，加入0.015重量份的硅烷偶联剂，在1000rpm转速下，搅拌0.2h。
经检测其化学成分(质量百分比)为SiO2：53.87％，CaO：26.86％，MgO：4.53％，Al2O3：3.73％，Fe2O3：2.46％，LOI：7.45％；物理性能：容重为0.44g/cm3，松比重为0.244g/cm3，白度66.97，吸油值68.8％。
该产品填充于聚丙烯中，实现了纤维在基体的均匀分散，提高了PP的结晶度，并提高了熔点，增强作用明显，屈服强度较纯PP上升约20％，弹性模量较纯PP上升约40％。
实施例3
①将凹凸棒粘土在LHJ-70型超细机械粉碎机中加工，调整分级机转数2000r/min，使凹凸棒粘土粉体粒径为8um；将针状硅灰石在HFG400型流化床式对喷式气流磨加工，分级轮转数2000r/min，使针状硅灰石粉体粒径为18um；
②取步骤①的平均粒径8um凹凸棒粘土纤维4重量份，与平均粒径18um针状硅灰石纤维6重量份；
③在1200rpm转速下，搅拌1h。
经检测其化学成分(质量百分比)为SiO2：50.68％，CaO：32.15％，MgO：3.69％，Al2O3：2.63％，Fe2O3：1.98％，LOI：7.84％；物理性能：容重为0.52g/cm3，松比重为0.34g/cm3，白度80.1，吸油值58.6％。
以该产品应用于酚醛树脂基摩擦材料中，可改善钢纤维易生锈、热传导快等缺陷，使摩擦因数适宜，且随温度的变化较小，耐磨性能显著提高。
Claims (6)
1.一种复合矿物纤维的制备方法，包括如下步骤：
①按质量百分比，将凹凸棒粘土粉体20～80％和针状硅灰石粉体20～80％混合，得物料I；
②在95℃～105℃下，加入物料I质量的0～3.0％的助剂，搅拌0.1-3.5h。
2.根据权利要求1所述的复合矿物纤维的制备方法，其特征在于所述的步骤①中的凹凸棒粘土粉体的质量百分比为40～80％。
3.根据权利要求1或2所述的复合矿物纤维的制备方法，其特征在于所述的步骤①中的针状硅灰石粉体的质量百分比为20～60％。
4.根据权利要求3所述的复合矿物纤维的制备方法，其特征在于所述的步骤①中的凹凸棒粘土粉体的粒径为5～15um，针状硅灰石粉体的粒径为5～45um。
5.根据权利要求1或4所述的复合矿物纤维的制备方法，其特征在于所述的步骤②中的助剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和硬脂酸钠。
6.权利要求1所述的方法制备的复合矿物纤维，其特征在于该纤维的容重为0.1～0.6g/cm3，松比重为0.06～0.4g/cm3。
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