CN103012850A - 一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明为一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，该工艺直接利用提纯矿浆浓缩，加表面改性剂进行矿物颗粒表面改性，并联合利用胶体磨的强力剪切作用，超声波的空化和真空膨化协同作用，使天然矿物纤维束初次解离和二次强化解离，实现矿物纤维的纳米级单根解离；利用该工艺改性的纳米矿浆容易脱水，干燥后不结硬块，易于分散。解决了常规选矿提纯矿浆难以脱水，改性矿物纤维难以实现纳米级单根完全解离，矿泥烘干后牢固粘结，不易分散的问题。制成的有机矿物纳米纤维功能分体易与橡胶、塑料、树脂等高分子化合物进行共混，改善复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及非金属矿物材料加工与利用领域，具体为一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺。
背景技术
天然纤维矿物是指在自然界形成的呈现纤维状结晶习性，并能劈分为纤维(束)加以利用的天然非金属矿物。具有一定长径比的针状、棒状纤维结构的矿物。如水镁石、各种石棉、海泡石族矿物、硅灰石、硬硅钙石，透辉石等。纤维矿物的晶体大多是由许多细小的单根纤维聚集、胶结而成的集合体。其中的天然纳米纤维主要包括：海泡石、凹凸棒石、叶蜡石和水镁石等。这些矿物具有比表面积大，吸附能力强，可塑性好、悬浮性和触变性能稳定等优点。广泛用于石油、化工、冶金、农、林、牧、渔等许多领域。但其优异的亲水性和团聚性，在一定程度上限制了其在精细化工、高分子复合材料等领域中的应用。
随着纳米纤维在金属基、陶瓷基和高分子基复合材料中应用的不断增多，特别是天然矿物，以资源丰富，廉价易得，是作为性能优异的新型高分子基功能复合材料的重要填料，其应用日益广泛。随着纳米加工技术的发展，人们认识水平的提高，纳米高分子复合材料的优异性能日益被人们认可，对表面有机化改性的粘土矿物的需求量愈来愈多。而提纯粘土矿物大多为微米级，即使在经过一般的有机化改性处理，也很难成为纳米级矿物纤维。
有关粘土矿物提纯技术的中外专利如：ZL.200710060489.1，CN1562865，CN1476931，CN200510095145.5，CN03158243.5，US6130179，US6444601等，矿物表面有机化改性的专利如ZL.200710060490.4，CN101337678，矿物粉体纳米制备相关的专利CN.101691275B，ZL.200510037868.X，CN1660713等很多，各类研究文献也很丰富。但它们大多数是为了解决某一方面的技术问题，而通常矿物的提纯、表面有机化改性以及纳米纤维的制备都是为了功能化应用，高品质纳米粉体的制备是其应用的前提。如果能够在一个工艺过程中实现，不仅可以节省大量分散投资，提高效率，减少干燥、洗涤、粉碎等很多环节，还能够大量的节省能源，提高设备的连续化、自动化程度。
本发明利用提纯矿浆，经胶体磨高速研磨、剪切分散后，在高速搅拌下，分别加入两种不同类型的经有机溶剂稀释的表面改性剂溶液，并利用超声波的空化作用，真空膨化作用，借助有机溶剂汽化过程的膨胀冲击力，使矿物的纤维束初步解聚、松散后，再次进入胶体磨进行剪切，达到完全分散。最后经脱水、洗涤、干燥、研磨，制成表面有机化改性的单根分散的纳米纤维矿物粉体。
发明内容
本发明针对当前技术存在的不足，提出一套完整的提纯、分散、表面改性一体化工艺；该工艺利用改性后的纳米矿浆容易脱水，干燥后不结硬块，易于分散的特点。解决了常规选矿提纯矿浆难以脱水，改性矿物纤维难以实现纳米级单根完全解离，矿泥烘干后牢固粘结，不易分散的客观问题。
本发明的技术方案是：
一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，包括以下步骤：
第一步矿物粉体的提纯
将天然纤维矿物矿粉加入湿式球磨机中研磨，其中，物料比为每公斤矿粉加5～25升水，溢流矿浆经螺旋分级机分离，除去固体颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为500～1450转/分（rpm）搅拌桶中，同时加入矿粉质量0.05%～5%的分散剂，搅拌分散20～120分钟后，矿浆排放到沉淀池静置4小时；上层悬浮矿浆用转速为2000～3500rpm的离心机分离5～20分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的悬浮矿浆；
第二步 纤维束的分散与改性
提纯悬浮矿浆脱水，矿浆浓缩后，用酸或碱溶液调节矿浆的pH值为3～10，在矿浆中加入浓度为5%的第一种改性剂的稀溶液，溶液中第一种改性剂的质量为提纯浆中所包含矿物固体质量的1%～5%，1000rpm搅拌10分钟，送入胶体磨进行循环研磨10分钟，第一次分散后的矿浆经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，沉淀物用于二次改性；
第三步 再分散与二次改性
第二步分散改性后的矿浆沉淀物再次用酸或碱溶液调节pH值为7～10，加入浓度为5%的第二种改性剂的稀溶液，溶液中改性剂的质量为提纯浆中所包含矿物固体质量的1%～5%，1450rpm搅拌10～30分钟后，送入超声波发生器，经超声波5～30分钟的超声空化分散后，再次用胶体磨进行二次循环研磨5分钟；
第四步成品加工
第三步二次研磨后的分散改性矿浆离心脱水后，固体物106℃～120℃烘干，经气流磨或雷蒙磨粉碎、200目筛分，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米矿物纤维功能粉体。
上述第一种改性剂为含阳离子的表面活性剂，具体为十六烷基三甲基溴化胺、十六烷基溴化吡啶、十二烷基三甲基氯化胺或分子量800-1200万的阳离子聚丙烯酰胺中的一种；
上述第二种改性剂为硅烷偶联剂，钛酸酯偶联剂，铝酸酯偶联剂，锡酸酯偶联剂中的一种。
上述第一种和第二种改性剂进行稀释的溶剂为无水乙醇、异丙醇、环己烷、醋酸乙酯中的一种或两种。
述加入的分散剂为：聚丙烯酸，聚乙烯醇，六偏磷酸钠，焦磷酸钠，十二烷基磺酸钠中的一种或两种。
上述调节矿浆pH值的酸为0.2mol/L盐酸，碱为0.2mol/L氢氧化钠。
所述的天然纤维矿物为：海泡石、凹凸棒石、叶蜡石或水镁石等具有纤维结构的天然矿物，矿物在加入到球磨机前，通过颚式破碎机、对辊机粉碎至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm时，加入到上述的湿式球磨机中。
本发明的有益效果：提出一套完整的提纯、分散、表面改性，制备成有机纳米矿物纤维的一体化工艺方法。该方法直接利用提纯矿浆浓缩，加表面改性剂进行矿物颗粒表面改性，并联合利用胶体磨的强力剪切作用，超声波的空化和真空膨化协同作用，使天然矿物纤维束初次解离和二次强化解离，实现矿物纤维的纳米级单根解离；利用该工艺改性的纳米矿浆容易脱水，干燥后不结硬块，易于分散。解决了常规选矿提纯矿浆难以脱水，改性矿物纤维难以实现纳米级单根完全解离，矿泥烘干后牢固粘结，不易分散的问题。制成的有机矿物纳米纤维功能分体易与橡胶、塑料、树脂等高分子化合物进行共混，改善复合材料的力学性能。
具体实施方式
实例1海泡石矿物纳米有机化纤维的制备
第一步矿物粉体的提纯
海泡石原矿10kg经颚式破碎机粉碎，对辊2次碾压至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm后，送入湿法球磨机，加入50L的水研磨，溢流矿浆经分级机分离，除去颗粒物杂质后的泥浆，送入搅拌速度为1450转/分（rpm）的搅拌桶中，同时加入含2.5g聚丙烯酸和2.5g六偏磷酸钠，继续搅拌120分钟后，矿浆排放到沉淀池中，静置4小时。上层悬浮矿浆用转速为2000rpm的离心机分离20分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的悬浮矿浆。
第二步初步分散与改性
提纯后的悬浮海泡石矿浆用转速为4000rpm的离心脱水，离心时间10分钟；浓缩后的矿物粘泥中海泡石矿物总固体含量约为4.0kg，搅拌均匀，用0.2mol/L盐酸调节矿浆的pH值为3左右，加入4L浓度为5%的（含有0.2kg）十二烷基三甲基氯化胺的环己烷溶液，经1000rpm搅拌10分钟后，送入胶体磨循环研磨10分钟，（进行第一次分散），得到初步分散改性后的矿浆，矿浆再经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，矿物沉淀物用于二次改性。
第三步二次分散与改性
第二步中分散改性后的矿物沉淀物（4.0kg）再次用0.2mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至10后，加入0.8L浓度为5%（含有40g）硅烷偶联剂的环己烷溶液，1450rpm搅拌30分钟后，直接送入超声波发生器，经超声波10分钟的空化作用后，再次用送入胶体磨，进行二次循环研磨5分钟，得到二次分散改性后的矿浆；
第四步成品加工
二次分散改性后的矿浆再次离心脱水，离心机转鼓的转速为4000rpm，离心时间10分钟。固体物105℃烘干，经气流磨粉碎、过200目筛后，包装、入库，就得到协同改性的多官能团有机改性海泡石矿物纳米纤维的功能粉体，其性能参数见表1。
上述胶体磨、超声波发生器、离心机均为带不锈钢内衬的常规数控设备。
上述矿浆中提纯矿物的固含量测试方法如下：脱水浓缩后的矿浆搅拌均匀后，立刻用已在106℃烘干并恒重的表面皿中（M0），称重M1，放入106℃干燥箱中烘干至恒重M2；同时测定混匀矿浆的总体积为V和矿浆的密度ρ，则提纯矿物的固含量为：Q=（(M2-M0)/(M1-M0)）ρV
实例2
凹凸棒石矿物纳米有机化纤维的制备
第一步矿物粉体的提纯
凹凸棒石原矿10kg经颚式破碎机粉碎，对辊2次碾压至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm后，送入湿法球磨机，加入200L水研磨，溢流矿浆经分级机分离，除去颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为1450转/分（rpm）的搅拌桶中，同时加入50g聚乙烯醇，继续搅拌120分钟后，矿浆排放到沉淀池中，静置4小时。上层悬浮矿浆用转速为3500rpm的离心机分离5分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的悬浮矿浆。
第二步初步分散与改性
提纯后的悬浮凹凸棒石矿浆用转速为4500rpm的离心脱水，离心时间10分钟。浓缩后的矿物粘泥的总固含量约为5.0kg，搅拌均匀，用0.2mol/L氢氧化钠调节矿浆的pH值为10左右，加入1.0L浓度为5%（含有50g）聚丙烯酰胺的异丙醇稀释液，1000rpm搅拌10分钟后，送入胶体磨进行循环研磨10分钟（第一次分散），得到初步分散改性后的矿浆，矿浆再经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，矿物沉淀物用于二次改性。
第三步二次分散与改性
第二步分散改性后的矿物沉淀物再次用微量的0.2mol/L盐酸溶液调节pH值至8.5左右，加入5.0L浓度为5%（含有250g）钛酸酯偶联剂的异丙醇稀释液，搅拌10分钟后，直接送入超声波发生器，经超声波30分钟的空化作用后，再次用胶体磨循环研磨5分钟，进行二次研磨分散。
第四步成品加工
二次分散改性后的凹凸棒石矿浆再次离心脱水，离心机转鼓的转速为4000rpm，离心时间10分钟。固体物120℃烘干，经雷蒙磨研磨，过200目筛，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米凹凸棒石矿物纤维功能粉体，其性能参数见表1。
实例3
水镁石矿物纳米有机化纤维的制备
第一步矿物粉体的提纯
水镁石原矿10kg经颚式破碎机粉碎，对辊2次碾压至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm后，送入湿法球磨机，加入100L的水研磨，溢流矿浆经分级机分离，除去颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为500转/分（rpm）的搅拌桶中，同时加入0.5kg焦磷酸钠，继续搅拌60分钟后，矿浆排放到沉淀池中，静置4小时。上层悬浮矿浆用转速为3000rpm的离心机分离10分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的水镁石悬浮矿浆。
第二步初步分散与改性
提纯后的悬浮水镁石矿浆用转速为4500rpm的离心脱水，离心时间10分钟。浓缩后的矿物粘泥中的总固含量约为4.5kg，搅拌均匀，用0.2mol/L盐酸调节矿浆的pH值为5左右，加入1.8L浓度为5%（含有90g）十六烷基三甲基溴化胺的醋酸乙酯稀释液，经1000rpm搅拌10分钟后，送入胶体磨循环研磨10分钟，得到初步分散改性后的矿浆，矿浆再经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，矿物沉淀物用于二次改性。
第三步二次分散与改性
第二步分散改性后的矿物沉淀物再次用0.2mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至7左右，加入2.4L浓度为5%（含有120g）锡酸酯偶联剂的醋酸乙酯稀释液，搅拌10分钟后，直接送入超声波发生器，经超声波20分钟的空化作用后，再次用胶体磨循环研磨5分钟，进行二次研磨分散。
第四步成品加工
二次分散改性后的水镁石矿浆再次离心脱水，离心机转鼓的转速为4000rpm，离心时间20分钟。固体物110℃烘干，经气流磨粉碎、过200目筛，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米水镁石矿物纤维功能粉体。其性能参数见表1。
实例4
叶蜡石矿物纳米有机化纤维的制备
第一步矿物粉体的提纯
叶蜡石原矿10kg经颚式破碎机粉碎，对辊2次碾压至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm后，送入湿法球磨机，加入150L水研磨，溢流矿浆经分级机分离，除去颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为800转/分（rpm）的搅拌桶中，同时加入0.1kg聚乙烯醇和0.1kg十二烷基磺酸钠，继续搅拌80分钟后，矿浆排放到沉淀池中，静置4小时。上层悬浮矿浆用转速为2500rpm的离心机分离10分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的叶蜡石悬浮矿浆。
第二步初步分散与改性
提纯后的悬浮叶蜡石矿浆用转速为4000rpm的离心脱水，离心10分钟。浓缩叶蜡石矿泥中的总固含量为5.5kg，搅拌均匀，用0.2mol/L盐酸调节矿浆的pH值为4.5左右，加入2.4L浓度为5%（含有120g）十六烷基溴化吡啶的无水乙醇稀释液，1200rpm搅拌10分钟后，送入胶体磨循环研磨10分钟，得到初步分散改性后的矿浆，矿浆再经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，矿物沉淀物用于二次改性。
第三步二次分散与改性
第二步分散改性后的矿物沉淀物再次用0.2mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至8左右，加入2.4L浓度为5%（含有120g）铝酸酯偶联剂的无水乙醇稀释液，搅拌10分钟后，直接送入超声波发生器，经超声波15分钟的空化作用后，再次用胶体磨循环研磨5分钟，进行二次研磨分散。
第四步成品加工
二次分散改性后的叶蜡石矿浆再次离心脱水，离心机转鼓的转速为4000rpm，离心时间20分钟。固体物110℃烘干，经雷蒙磨粉碎、过200目筛，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米叶蜡石矿物纤维功能粉体，其性能参数见表1。
实例5
蛇纹石矿物纳米有机化纤维的制备
第一步矿物粉体的提纯
蛇纹石原矿10kg经颚式破碎机粉碎，对辊2次碾压至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm后，送入湿法球磨机，加入130L水研磨，溢流矿浆经分级机分离，除去颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为600转/分（rpm）的搅拌桶中，同时加入0.2kg十二烷基磺酸钠，继续搅拌80分钟后，矿浆排放到沉淀池中，静置4小时。上层悬浮矿浆用转速为2500rpm的离心机分离10分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的蛇纹石悬浮矿浆。
第二步初步分散与改性
提纯后的悬浮蛇纹石矿浆用转速为4000rpm的离心脱水，离心10分钟。浓缩蛇纹石矿泥中的总固含量为5.8kg，搅拌均匀，用0.2mol/L盐酸调节矿浆的pH值为6左右，加入2.4L浓度为5%（含有120g）聚丙烯酰胺的醋酸乙酯稀释液，1200rpm搅拌10分钟后，送入胶体磨循环研磨10分钟，得到初步分散改性后的矿浆，矿浆再经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，矿物沉淀物用于二次改性。
第三步二次分散与改性
第二步分散改性后的矿物沉淀物再次用0.2mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至8左右，加入2.0L浓度为5%（含有100g）硅烷偶联剂的无水乙醇稀释液，搅拌10分钟后，直接送入超声波发生器，经超声波15分钟的空化作用后，再次用胶体磨循环研磨5分钟，进行二次研磨分散。
第四步成品加工
二次分散改性后的蛇纹石矿浆再次离心脱水，离心机转鼓的转速为4500rpm，离心时间15分钟。固体物110℃烘干，经气流磨粉碎，过200目筛，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米蛇纹石矿物纤维功能粉体，其性能参数见表1。。
表1有机改性纳米矿物纤维功能粉体的性能参数
| 实例号 | 有机功能分体 | 密度(g/mL) | 接枝率(%) | 纤维直径(nm) | 比表面积(m2/g) |
| 实例1 | 海泡石 | 0.28 | 98.6 | 40-70 | 156 |
| 实例2 | 凹凸棒石 | 0.46 | 99.0 | 20-50 | 203 |
| 实例3 | 水镁石 | 0.55 | 97.8 | 50-90 | 86.5 |
| 实例4 | 叶蜡石 | 0.53 | 98.6 | 40-90 | 105 |
| 实例5 | 蛇纹石 | 0.43 | 99.0 | 40-90 | 95.2 |
Claims (7)
1.一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为包括以下步骤：
第一步矿物粉体的提纯
将天然纤维矿物矿粉加入湿式球磨机中研磨，其中，物料比为每公斤矿粉加5～25升水，溢流矿浆经螺旋分级机分离，除去固体颗粒物杂质后的泥浆，用泵送入搅拌速度为500～1450转/分（rpm）搅拌桶中，同时加入矿粉质量0.05%～5%的分散剂，搅拌分散20～120分钟后，矿浆排放到沉淀池静置4小时；上层悬浮矿浆用转速为2000～3500rpm的离心机分离5～20分钟，丢弃沉沙，得到提纯后的悬浮矿浆；
第二步纤维束的分散与改性
提纯悬浮矿浆脱水，矿浆浓缩后，用酸或碱溶液调节矿浆的pH值为3～10，在矿浆中加入浓度为5%的第一种改性剂的稀溶液，溶液中第一种改性剂的质量为提纯浆中所包含矿物固体质量的1%～5%，1000rpm搅拌10分钟，送入胶体磨进行循环研磨10分钟，第一次分散后的矿浆经转速2500rpm的离心机离心分离5分钟，弃去溶液，沉淀物用于二次改性；
第三步再分散与二次改性
第二步分散改性后的矿浆沉淀物再次用酸或碱溶液调节pH值为7～10，加入浓度为5%的第二种改性剂的稀溶液，溶液中改性剂的质量为提纯浆中所包含矿物固体质量的1%～5%，1450rpm搅拌10～30分钟后，送入超声波发生器，经超声波5～30分钟的超声空化分散后，再次用胶体磨进行二次循环研磨5分钟；
第四步成品加工
第三步二次研磨后的分散改性矿浆离心脱水后，固体物106℃～120℃烘干，经气流磨或雷蒙磨粉碎、200目筛分，称量，密封包装，就得到协同改性的多官能团有机改性纳米矿物纤维功能粉体。
2.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为上述第一种改性剂为含阳离子的表面活性剂，具体为十六烷基三甲基溴化胺、十六烷基溴化吡啶、十二烷基三甲基氯化胺或分子量800-1200万的阳离子聚丙烯酰胺中的一种。
3.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为上述第二种改性剂为硅烷偶联剂，钛酸酯偶联剂，铝酸酯偶联剂，锡酸酯偶联剂中的一种。
4.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为上述第一种和第二种改性剂溶液中的溶剂为无水乙醇、异丙醇、环己烷和醋酸乙酯中的一种或两种。
5.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为所述分散剂为：聚丙烯酸，聚乙烯醇，六偏磷酸钠，焦磷酸钠，十二烷基磺酸钠中的一种或两种。
6.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为上述调节矿浆pH值的酸为0.2mol/L盐酸，碱为0.2mol/L氢氧化钠。
7.如权利要求1所述的一步法制备表面有机化改性纳米矿物纤维的工艺，其特征为所述的天然纤维矿物为：海泡石、凹凸棒石、叶蜡石或水镁石等具有纤维结构的天然矿物，矿物在加入到球磨机前，通过颚式破碎机、对辊机粉碎至矿物颗粒的平均粒径小于5.0mm时。
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