CN105800626A - 一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述合成方法，由以下步骤制得：首先对蒙脱石进行酸化和焙烧；然后加入水溶性锂盐和水溶性钠盐调节配比以使反应体系中各元素的物质的量满足比例关系：0.2<m(Li)/m(蒙脱石)<0.8、1<m(Na)/m(蒙脱石)<3；最后于60~95℃下反应1~3h，最后在110~150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂，本发明目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种安全、绿色、环保、高效、低廉的纳米级硅酸镁锂的合成方法，该合成方法以自然界中储量极大的蒙脱石（高纯度）为起始反应原料，通过优化生产工艺参数和反应原料的配比，生产得到透光率高、增稠和触变性优异、吸附力大的纳米级硅酸镁锂。

Description

一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法

技术领域

本发明涉及蒙皂石族矿物硅酸镁锂合成技术领域，具体涉及具体涉及一种流变性能优异、水化分散速度快、透光率高的纳米级硅酸镁锂合成方法。

背景技术

矿物学中，蒙皂石族矿物（smectite）含有二八面体亚族和三八面体亚族；其中，蒙脱石（montmorillonite，又称“蒙脱土”；虽然可以人工合成，但主要是从膨润土中提取得到）属于二八面体亚族，而硅酸镁锂（hectorite，俗称“锂皂石”）属于三八面体亚族。蒙脱石和硅酸镁锂结构都呈现出强缺电子和强电负性结构，因此层间都需要吸收一定量的Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子以弥补电荷平衡；又由于层间阳离子可以吸收较多的水分子，因此导致蒙脱石和硅酸镁锂可以在水中膨胀，直至剥离，最后形成类似于“卡片房子”的凝胶结构。

尽管蒙脱石和硅酸镁锂都能够水化膨胀，但是硅酸镁锂相关性能比蒙脱石优异数十倍。硅酸镁锂具有极其优异的增稠性、触变性以及吸附能力，因此作为悬浮体、膏体触变剂、乳胶及油墨稳定剂、增稠剂而广泛地应用于牙膏、化妆品、乳胶漆、油墨等日用化工等行业中。比如，能够有效提高化妆品的粘度和悬浮性、保稠性、保湿性、润滑性，并可增强化妆品、护肤品的附着力，以及不裂、不脱、灭菌性能。

但非常遗憾地是，地球上天然硅酸镁锂矿产极其稀缺，目前仅有美国Hector地区和我国新疆榆树沟地区发现了硅酸镁锂矿床，但只有前者被成功工业化开采利用，而后者目前仍旧没有被工业化开采。由于天然硅酸镁锂矿产极度缺乏，因此必须依靠人工合成才能获取大量的硅酸镁锂。目前人工合成技术最为先进的是英国Laponite公司，其生产的硅酸镁锂由于具备增稠、触变、吸附、纯度等指标都相当优异而享誉全球，其相关售价非常昂贵（高达150元/kg左右）。

当前国内也有几家生产硅酸镁锂的企业，不少高校和科研机构也在积极研究开发相关生产技术，但国内现有工艺存在不少缺陷和不足：

（1）基本都是采用高温高压工艺，因此不仅能耗高，而且生产操作风险极大。

（2）生产过程中使用毒性大的氟盐，极不利于人员身体健康和生态环保。

（3）产品中杂质较多，尤其是硅酸镁锂结构电负性不强，因此增稠、触变以及吸附等指标较差，应用范围受到极大限制。

因此，如何能够通过水热合成方法安全、绿色环保、高效率、低能耗地制备应用性能优异的硅酸镁锂是当前国内相关行业亟需解决和克服的关键技术难题。

发明内容

本发明提出了一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种安全、绿色、环保、高效、低廉的纳米级硅酸镁锂的合成方法，该合成方法以自然界中储量极大的蒙脱石（高纯度）为起始反应原料，通过优化生产工艺参数和反应原料的配比，生产得到透光率高、增稠和触变性优异、吸附力大的纳米级硅酸镁锂。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述合成方法，由以下步骤制得：

1）对蒙脱石进行酸化和焙烧；

2）将步骤1制得的物料加入水溶性锂盐和水溶性钠盐调节配比以使反应体系中各元素的物质的量满足比例关系：0.2<m(Li)/m(蒙脱石)<0.8、1<m(Na)/m(蒙脱石)<3；

3）将步骤2制得的物料于60~95℃下反应1~3h，最后在110~150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂。

本发明进一步解决的技术改进方案是：

所述水溶性锂盐为氯化锂、氢氧化锂、硫酸锂中的一种或几种任意组合。

本发明进一步解决的技术改进方案是：

所述水溶性钠盐为碳酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、氯化钠中的一种或几种任意组合。

本发明进一步解决的技术改进方案是：

所述的蒙脱石含量不低于95%。

本发明进一步解决的技术改进方案是：

所述蒙脱石为钠基蒙脱石。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

1、本发明采用水热反应温度低，反应条件温和，不仅节能减耗，而且生产安全风险极低。

2、本发明在合成过程中摈弃使用毒性大的氟盐，符合当今绿色环保诉求。

3、本发明以来源广泛、价格低廉的蒙脱石为起始反应原料，而且生产工艺流程简单，因此生产成本低，市场竞争力强。

4、本发明的反应物直接干燥即可制得硅酸镁锂，不需要过滤和洗涤，不仅节约了大量的水资源，更重要的是无废污水排放，减轻了当前国内环保压力。

具体实施方式

本发明首先对含量不低于95%的钠基蒙脱石进行酸化和焙烧，然后加入水溶性锂盐和水溶性钠盐调节配比以使反应体系中各元素的物质的量满足比例关系：0.2<m(Li)/m(蒙脱石)<0.8、1<m(Na)/m(蒙脱石)<3；然后再于80～100℃下反应1～3h，最后在100～150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂。

对蒙脱石进行酸化时，H⁺首先迅速取代蒙脱石层间的Na⁺，然后较快地进入蒙脱石晶格中的Al-O二八面体，H⁺与O的结合力大于Al³⁺和O的结合力，因此部分Al³⁺被H⁺迫使而快速溶出晶格，从而在Al-O二八面体留下较多的空穴。这些空穴只有一部分被H⁺占据，其余的仍旧处于空穴状态。酸化处理时，如果酸性太弱，则空穴太少；而如果酸性太强，H⁺会腐蚀蒙脱石晶格，导致层间结构坍塌，彻底破坏了晶格结构。

酸化处理完毕后，再对酸化处理过的蒙脱石进行焙烧处理，其目的是使Al-O二八面体畸变为向三八面体过渡的状态。焙烧处理时，如果焙烧温度过低，则无法畸变；而焙烧温度过高，则层间结构会由于严重脱水而坍塌，蒙脱石晶格结构将彻底被破坏。

焙烧处理之后，加入水溶性锂盐和水溶性钠盐调节反应体系中的物料配比。本发明中，所述的水溶性锂盐为氯化锂、氢氧化锂、硫酸锂中的一种或几种任意组合；所述的水溶性钠盐为碳酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、氯化钠中的一种或几种任意组合。水溶性锂盐和水溶性钠盐分别电离出Li⁺和Na⁺，其中大部分Li⁺进入二八面体，其余的Li⁺和Na⁺停留在层间。

然后再于80～100℃下反应1～3h，主要目的是使Li⁺占据二八面体中空穴，并且层间的Li⁺和Na⁺取代层间的H⁺。在取代的过程中，Al-O二八面体会逐渐畸变成Al/Li三八面体。最后在100～150℃下充分干燥，以使得三八面体更加成熟，硅酸镁锂晶格结构更加稳定。

不同于常规的硅酸镁锂（Mg-O三八面体中，部分Mg2⁺被Li⁺所取代），采用本方法合成的硅酸镁锂不含Mg，而是含有Al/Li-O三八面体中；三八面体中部分Al³⁺被低价的Li⁺和H⁺所取代，从而造成结构现出强缺电子和强电负性结构，从而宏观上表现出优异的增稠、触变、吸附等性能，可广泛应用于化妆品、洗涤剂、医药等行业中。因此，本技术具有非常广阔的商业应用前景。

以下给出部分实施例并结合相关测试数据，对本发明作进一步说明。

实施例一：

1、首先将高纯钠基蒙脱石（内蒙古宁城天宇膨润土科技有限公司提供，纯度为98%；下同）加入到浓度为0.01mol/L的稀盐酸中浸渍10mim；然后过滤（无需洗涤），将滤饼于150℃下焙烧15mim。

2、先将硫酸锂和碳酸钠溶于水中，再加入焙烧后的酸化蒙脱石粉体，于60℃下反应1h。该步骤中控制：m(Li)/m(蒙脱石)=0.3、m(Na)/m(蒙脱石)=1.1。

3、最后无需过滤和洗涤，直接将反应物在110～150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂1#。

实施例二：

1、首先将高纯钠基蒙脱石加入到浓度为0.01mol/L的稀硫酸中浸渍5mim；然后过滤（无需洗涤），将滤饼于130℃下焙烧10mim。

2、先将硫酸锂、一水氢氧化锂、硫酸钠和碳酸钠溶于水中，再加入焙烧后的酸化蒙脱石粉体，于95℃下反应3h。该步骤中控制：m(Li)/m(蒙脱石)=0.7、m(Na)/m(蒙脱石)=2.8。

3、最后无需过滤和洗涤，直接将反应物在110～150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂2#。

实施例三：

1、首先将高纯钠基蒙脱石加入到浓度为0.01mol/L的稀硫酸中浸渍10mim；然后过滤（无需洗涤），将滤饼于180℃下焙烧10mim。

2、先将硫酸锂、一水氢氧化锂、一水氯化锂、氢氧化钠、硫酸钠和碳酸钠溶于水中，再加入焙烧后的酸化蒙脱石粉体，于70℃下反应2h。该步骤中控制：m(Li)/m(蒙脱石)=0.6、m(Na)/m(蒙脱石)=2.0。

3、最后无需过滤和洗涤，直接将反应物在110～150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂3#。

实施例四：

1、首先将高纯钠基蒙脱石加入到浓度为0.01mol/L的稀盐酸中浸渍15mim；然后过滤（无需洗涤），将滤饼于150℃下焙烧15mim。

2、先将硫酸锂、一水氢氧化锂、一水氯化锂、氯化钠、氢氧化钠、硫酸钠和碳酸钠溶于水中，再加入焙烧后的酸化蒙脱石粉体，于90℃下反应2h。该步骤中控制：m(Li)/m(蒙脱石)=0.5、m(Na)/m(蒙脱石)=1.6。

3、最后无需过滤和洗涤，直接将反应物在110～150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂4#。

将所制备的硅酸镁锂1#~4#及进口产品RD（英国Laponite公司生产）加入去离子水中，高速搅拌数小时直至完全充分水化分散，从而配制成固含量为2%的水分散液；静置24h后进行流变学测试，结果如下表所示。

表硅酸镁锂2wt%水分散液测试数据

测试样品	粘度（cP）	触变值	透光率（%）	吸蓝量（g/100g）
					1#	91	10.8	98	60.1
2#	92	11.0	96	55.4
					3#	90	10.3	96	58.1
4#	93	10.6	97	60.2
					RD	23	10.4	95	53.7

由测试数据结果可知，采取本发明技术所制备的硅酸镁锂的应用性能已经达到国外同类商品，水化分散速度快，透光率高，粘度、稠度以及吸附力性能优异，可以被广泛应用于化妆品、洗涤剂、食品、药品等行业中，应用前景十分光明。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同替换或替代，均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述合成方法，由以下步骤制得：

1）对蒙脱石进行酸化和焙烧；

2）将步骤1制得的物料加入水溶性锂盐和水溶性钠盐调节配比以使反应体系中各元素的物质的量满足比例关系：0.2<m(Li)/m(蒙脱石)<0.8、1<m(Na)/m(蒙脱石)<3；

3）将步骤2制得的物料于60~95℃下反应1~3h，最后在110~150℃下充分干燥至含水量不高于2%即制得硅酸镁锂。

2.根据权利要求1所述的一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述水溶性锂盐为氯化锂、氢氧化锂、硫酸锂中的一种或几种任意组合。

3.根据权利要求1所述的一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述水溶性钠盐为碳酸钠、氢氧化钠、硫酸钠、氯化钠中的一种或几种任意组合。

4.根据权利要求1所述的一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述的蒙脱石含量不低于95%。

5.根据权利要求1或4所述的一种高透光率纳米级硅酸镁锂的水热合成方法，其特征在于：所述蒙脱石为钠基蒙脱石。