CN107188192B - 一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法 - Google Patents

一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，是将凹凸棒石原矿经破碎处理，加入离子液体的乙醇/甲醇溶液中混合均匀后先进行辊压处理，再转至密闭容器内闷放6~24h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到水中，充分搅拌处理形成质量浓度5~20%的悬浮液，过400目筛后进行高压均质处理，得到的固体经分离，烘干，粉碎，得到纳米凹凸棒石。同时将液体回收循环利用。本发明生产工艺简单、效率高、无废液排放，产品性能优异、纯度高、质量稳定，可用于高分子材料补强、增稠和悬浮、功能载体等多个领域。

Description

一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石 的方法
技术领域
本发明涉及一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，属于纳米材料制备和非金属矿深加工技术领域。
背景技术
我国凹凸棒石黏土资源丰富，但利用水平和产品附加值不高，主要原因是天然形成的凹凸棒石棒晶以棒晶束形式聚集。凹凸棒石棒晶长约1~5 μm，直径约20~70 nm，是一种天然的一维纳米材料，但较强的氢键和静电作用力，使天然凹凸棒石棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集。多年来，主要采用高速搅拌、超声、对辊、碾磨和冷冻等传统处理方式对凹凸棒石棒晶束进行解离，但传统方法只能部分解离棒晶束，同时会损伤凹凸棒石晶体固有的长径比，影响凹凸棒石纳米性能的应用。如何在不损伤棒晶长径比前提下，高效解离棒晶束不仅是制约产业发展的关键共性问题，而且也是一个世界性的难题。
目前凹凸棒石晶束的解聚方法主要有干法和湿法两大类。干法工艺较简单，设备要求不高，但总体解离效果不佳，而且干法处理过程中较强的机械力对棒晶损伤严重。相比之下，湿法是对棒晶损伤较小，是一种解聚凹凸棒石棒晶束聚集体的有效方法。US 6130179以聚丙烯酸钠为分散剂，采用水化法对凹凸棒石实现有效分散，是颇具代表性的湿法工艺。近年来，用超声波、机械搅拌、湿法球磨等对凹凸棒石进行纳米化处理引起广泛关注。其中，由于超声波可以传递到晶束内部形成空穴，有利于棒晶束解离，所以超声波比其他方法解离效果要好，但仅用超声处理也仍然难以达到单晶分散，而且超声波很难规模化应用。因此，凹凸棒石棒晶束解离工艺一直受到学术和工业界的广泛关注。
离子液体是指全部由离子组成的液体，是一种环境友好型的溶剂，对无机物、有机物及聚合物均具备良好的溶解性或分散性，被称为“绿色溶剂”。高压均质技术是一种通过高压均质机来实现的细化分散技术。被均质物料通过高压均质机阀座与阀杆间大小可调的间隙时可形成空穴、剪切和碰撞效应，在晶束内部产生由内向外的作用力，克服棒晶间氢键和范德华力作用，从而使晶束和聚集体解聚，同时可以强化分散剂与凹凸棒石晶束的相互作用，是一种可连续生产的、适合于工业化的高效解离棒晶束的新技术。近年来，有用离子液体和凹凸棒石制备催化剂的专利公开（CN 104399527B），也有用离子液体改变凹凸棒石表面亲疏性质的专利公开（CN 101469145），但还没有利用离子液体特殊的电荷特性，协同高压均质解聚凹凸棒石晶束制备单晶分散纳米凹凸棒石的研究报道和技术应用先例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，通过离子液体和高压均质过程的有效结合，提高凹凸棒石晶束的解聚效率，同时有效防止解离棒晶的二次聚集，在室温条件下制备出单晶分散的纳米凹凸棒石，促进凹凸棒石在塑料、橡胶、膜、催化剂、功能复合材料等领域的高值化利用。
本发明的原理是：利用离子液体特殊的双离子特性使凹凸棒石棒晶间的作用力减弱，再利用高压均质作用产生的空穴和剪切作用在晶束内部产生由内向外的力使棒晶束拆开成纳米棒晶，由于力的方向平行于氢键和范德华力的方向，所以可以很温和地克服棒晶间的作用力，在保持原有长径比的前提下有效提高解离效率，得到具有较高长径比和较好分散性能的纳米凹凸棒石。
本发明的具体方法：是将凹凸棒石原矿经破碎处理，加入离子液体的乙醇/甲醇溶液中混合均匀后先进行辊压处理，再转至密闭容器内闷放6~24h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到水中，充分搅拌处理形成质量浓度5~20%的悬浮液，过400目筛后在5~40 MPa压力下进行高压均质处理，得到的固体经分离，烘干，粉碎，得到纳米凹凸棒石。
其中，离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、双-三氟甲磺酰基酰亚胺-1-甲基-3-辛基咪唑鎓、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、双-三氟甲磺酰基亚胺-1-甲基-3-十二烷基咪唑、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。离子液体总量为凹凸棒石质量的2.5~10%，离子液体在乙醇/甲醇溶液的质量浓度为6~25%。
所述烘干是在微波功率为5~10KW，微波频率2450 Hz的条件下烘干。
本发明产品的结构表征：通过X-射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）证实一维黏土矿物解聚前后结构和形态变化。图1为凹凸棒石原矿和本发明方法制备纳米凹凸棒石的XRD图谱。从图1可以看出，凹凸棒石黏土原矿中含有凹凸棒石晶相和石英伴生矿，经过本发明工艺处理后，凹凸棒石晶相的特征衍射峰强度没有变化，表明凹凸棒石棒晶结构没有被破坏。石英晶相的特征衍射峰明显减弱说明该工艺的筛分处理有效去除了石英杂质。图2为凹凸棒石原矿（a）、高压均质处理凹凸棒石（b）和离子液体协同高压均质处理解聚凹凸棒石（c）的SEM图片。从附图2a可以看出，凹凸棒石棒晶紧密地团聚在一起，以晶束和聚集体形式存在，原矿中没有单分散的棒晶。从附图2b可以看出，在不加离子液体进行处理后，虽然有独立分散的棒晶出现，但仍有较多未解聚的晶束和聚集体。从附图2c可以看出，经过本发明工艺处理后，凹凸棒石晶束和聚集体消失，有大量单分散的凹凸棒石棒晶出现。与原矿相比，凹凸棒石棒晶的长度解聚后没有明显变化，说明离子液体对棒晶解聚和分散具有重要作用。在本发明工艺制备纳米凹凸棒石的元素分布图上可以明显看到Si元素的特征信号，但没有C、N和S元素的信号出现，说明离子液体没有残留在产品中。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1. 本发明利用离子液体特殊的电荷性质，结合高压均质产生的空穴和剪切效应，将凹凸棒石晶束和聚集体高效解离成为单晶分散的纳米凹凸棒石；
2. 离子液体可以有效防止棒晶在分散过程中的二次团聚，但本身不会残留在凹凸棒石产品中，产品性能优异、纯度高、质量稳定，可用于高分子材料补强、增稠和悬浮、功能载体等多个领域；
3. 本发明的工艺简单易行，不需要加热，节能环保能，无废液排放；可连续生产，同时将液体回收循环利用，效率高。
附图说明
图1为凹凸棒石原矿和本发明方法制备纳米凹凸棒石的XRD图谱。
图2为凹凸棒石原矿和本发明方法制备纳米凹凸棒石的SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法及产品性能作进一步说明。
实施例1
将50 kg凹凸棒石原矿破碎处理后，加入19.5 kg含1.25 kg 1-乙基-3-甲基咪唑溴盐的乙醇/甲醇（v/v=1:1）溶液中，混合均匀后先经对辊处理压成片，再转至密闭容器内闷放24 h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到980 kg水中，充分搅拌处理形成约5%的悬浮液，过400目筛后，在5 MPa下进行高压均质处理，得到的悬浮液压滤处理，得到的滤饼在功率5 KW，频率为2450 Hz的微波作用下烘干，粉碎，得到米白色纳米凹凸棒石。其扫描电镜图见图2c。
实施例2
将50 kg凹凸棒石原矿破碎处理后，加入15 kg含5 kg 1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的乙醇/甲醇（v/v=1:1）溶液，混合均匀后先经对辊处理压成片，再转至密闭容器内闷放6 h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到250 kg水中，充分搅拌处理形成20%的悬浮液，过400目筛后，在30 MPa下进行高压均质处理，得到的悬浮液压滤处理，得到的滤饼在功率10 KW，频率为2450 Hz的微波作用下烘干，粉碎，得到米白色纳米凹凸棒石。其扫描电镜图见图2c。
实施例3
将50kg凹凸棒石原矿破碎处理后，加入18 kg含 2 kg 1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐的乙醇/甲醇（v/v=1:1）溶液，混合均匀后先经对辊处理压成片，再转至密闭容器内闷放12 h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到500kg水中，充分搅拌处理形成10%的悬浮液，过400目筛后，在40 MPa下进行高压均质处理，得到的悬浮液压滤处理，得到的滤饼在功率8 KW，频率为2450 Hz的微波作用下烘干，粉碎，得到米白色纳米凹凸棒石。其扫描电镜图同2c。
实施例4
将50kg凹凸棒石原矿破碎处理后，加入19.5 kg含1.25kg 1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐的乙醇/甲醇（v/v=1:1）溶液，混合均匀后先经对辊处理压成片，再转至密闭容器内闷放12 h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到500 kg水中，充分搅拌处理形成10%的悬浮液，过400目筛后，在20 MPa下进行高压均质处理，得到的悬浮液压滤处理，滤饼在功率10 KW，频率为2450 Hz的微波作用下烘干，粉碎，得到米白色纳米凹凸棒石。其扫描电镜图同图2c。
实施例5
将50kg凹凸棒石原矿破碎处理后，加入18kg含 2.2 kg 1-乙基-3-甲基咪唑氯盐的乙醇/甲醇（v/v=1:1）溶液，混合均匀后先经对辊处理压成片，再转至密闭容器内闷放16h，使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到300 kg水中，充分搅拌处理形成6%的悬浮液，过400目筛后，在40 MPa下进行高压均质处理，得到的悬浮液压滤处理，滤饼在功率5 KW，频率为2450 Hz的微波作用下烘干，粉碎，得到米白色纳米凹凸棒石。其扫描电镜图同图2c。

Claims (9)

1.一种离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，是将凹凸棒石原矿经破碎处理，加入离子液体的乙醇/甲醇溶液中混合均匀后先进行辊压处理，再转至密闭容器内闷放使离子液体与凹凸棒石充分作用；然后将凹凸棒石和离子液体混合物直接分散到水中，充分搅拌处理形成悬浮液，过400目筛后进行高压均质处理，得到的固体经分离，烘干，粉碎，得到纳米凹凸棒石。
2.根据权利要求1所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：所述的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、双-三氟甲磺酰基酰亚胺-1-甲基-3-辛基咪唑鎓、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、双-三氟甲磺酰基亚胺-1-甲基-3-十二烷基咪唑、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：所述的离子液体总量为凹凸棒石质量的2.5~10%。
4.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：离子液体的乙醇/甲醇溶液中，离子液体的质量百分比浓度为6~25%。
5.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：离子液体的乙醇/甲醇溶液中，乙醇与甲醇的体积比为1:1~1:2。
6.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：凹凸棒石和离子液体混合物在密闭容器内闷放时间为6~24h。
7.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：悬浮液的质量浓度为5~20%。
8.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于，所述的高压均质处理的压力为5~40 MPa。
9.根据权利要求1或2所述离子液体协同高压均质处理制备单晶分散纳米凹凸棒石的方法，其特征在于：所述烘干是在微波功率为5-10 KW，微波频率2450M Hz的条件下烘干。
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