CN108516575A - 一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于塑料填料的技术领域，提供了一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法。该方法以天冬氨酸溶液的羧基与氢氧化钡溶液的钡离子发生螯合，提供成核位点，再加入硫酸铵溶液，控制反应条件，合成粒径更小、球形度更高的球形碳酸钡。与传统方法相比，本发明的制备的球形碳酸钡的方法，通过控制天冬氨酸溶液的浓度，使得制备的球形硫酸钡粒径小，球形度高，粒径分布范围窄，显著改善了球形硫酸钡的应用范围和对塑料的润滑改性效果。

Description

一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法
技术领域
本发明属于塑料填料的技术领域，提供了一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法。
背景技术
塑料母料对推动塑料工业的迅猛发展起了很大作用，其主要特点是：可以简化生产工艺过程；原料混合方便，混炼质量均匀，提高生产效率及制品性能指标；减少粉尘飞扬及对设备的磨损；降低制品在换色时清洗螺杆的用料量；延长原料储存的保质期等。母料的核心部分为无机粉末填料。一般要求粉末具有较细的粒度，平添加量为70~85%，其决定着母料的特殊性能。
通常用于塑料母料中的无机填料有：碳酸钙、硫酸钡、滑石粉、高岭土、硅灰石、粉煤灰、玻璃微珠等。其中，硫酸钡在橡胶、塑料、油墨、涂料、造纸等许多行业有广泛的应用。纳米硫酸钡具有量子效应、尺寸效应、表面效应等重要的结构特性，其物理特性与普通材料不同，是一种新型高档功能性填充材料，不仅在橡胶、塑料、油墨、涂料、造纸等诸多工业领域具有广阔的应用前景。而且在医学、陶瓷、复合材料等方面更具有广阔应用前景。
在现有技术中，硫酸钡的生产工艺一般分为天然矿石加工制粉、芒硝法化学合成及硫酸法合成等主要几种。天然矿石制粉颗粒粒径粗，且粒径分布宽；芒硝法硫酸钡含有硫化钠，且粒径分布较宽，其颗粒形貌为无定型，在部分行业应用受到限制。因此，对硫酸钡进行改性，改善其形貌和粒径分布特征的研究受到广泛重视。
目前国内外在硫酸钡制备技术，尤其是用于塑料母料的纳米球形硫酸钡方面已取得了一定成效。其中华东等人发明了一种近球形硫酸法硫酸钡的制备方法（中国发明专利申请号200910103013.0），具体包括以下步骤：（1）用煤煅烧重晶石生成硫化钡的步骤；（2）用水溶解硫化钡配制成浓度为70~130g/L的硫化钡溶液，并调节温度至45~85℃，将该硫化钡溶液和过量硫酸同时加入连续反应器中反应生成硫酸钡浆和硫化氢，硫化钡溶液的加入速度为500L/h~7000L/h；（3）在该硫酸钡浆中通入热空气以排出硫化氢；（4）将硫酸钡浆脱水、洗涤、烘干、粉碎得近球形硫酸钡成品；通过该制备方法能得到球型或近拟球型且连续可调的粒径分布的硫酸钡。另外，姜志光等人发明了一种高白度球形纳米硫酸钡的制备方法（中国发明专利申请号201210153790.8），包括如下步骤：将氢氧化钡溶液与硫酸铵溶液分别处理后，进行并流连续反应，反应后进行固液分离，得到滤饼和滤液；将上步得到的滤饼分散到水中制成料浆，加入硫酸调整溶液pH后加入双氧水反应，反应结束后固液分离得到滤饼及滤液；以及将上步得到的滤饼分散到水中形成料浆，调整pH后洗涤，固液分离得到滤饼，经蒸发、烘干后得到球形纳米硫酸钡产品。
可见，现有技术中的硫酸钡存在颗粒粒径大，比表面积小，颗粒形貌不定型，粒径分布宽等问题，影响了其在很多领域的应用发展。
发明内容
针对这种情况，本发明提出一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法，可有效调控硫酸钡晶体颗粒的形貌、粒径、比表面积单元尺寸，提高其在母料中的填充效果，拓宽其应用范围。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，以天冬氨酸溶液的羧基与氢氧化钡溶液的钡离子发生螯合，提供成核位点，再加入硫酸铵溶液，控制反应条件，合成粒径更小、球形度更高的球形碳酸钡，制备的具体步骤如下：
（1）配制一定浓度的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至5-6；
（2）向天冬氨酸溶液中加入氢氧化钡的水溶液，制成料浆，通过天冬氨酸的羧基与钡离子的螯合，可提供成核位点；
（3）向步骤（2）的料浆中加入硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下用酸液或碱液调节溶液的pH值至7~7.5；
（4）向步骤（3）的溶液中通入氨气，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣进行洗涤和烘干，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
优选的，所述天冬氨酸溶液的质量浓度为3~5%，所述氢氧化钡的水溶液的质量浓度为3.2~3.8%，所述硫酸铵溶液的质量浓度为5~8%。
优选的，步骤（1）所述调节溶液的pH值用盐酸溶液、氢溴酸溶液、氢碘酸溶液、硫酸溶液中的至少一种。
优选的，各原料的重量份分别为，天冬氨酸溶液15~20重量份、氢氧化钡的水溶液35~45重量份、硫酸铵溶液35~50重量份。
优选的，步骤（4）所述氨气的流动速度为2~5mL/s。
优选的，步骤（4）所述反应温度为170~190℃，时间为6~8h。
优选的，步骤（4）所述洗涤方式为先用丙酮洗涤2~3次，再用去离子水洗涤1~2次。
优选的，步骤（4）所述干燥为真空干燥，温度为60~80℃，真空度为5~10Pa，时间为18~24h。
天冬氨酸是一种α-氨基酸，分子结构式为HOOC－CH2－CH(NH2)－COOH，可见分子中含有一个氨基和两个羧基。而羧基可与钡离子发生螯合，提供成核位点，因此，本发明在加入硫酸铵溶液前，先将氢氧化钡溶液与天冬氨酸混合，提前在体系中形成成核点。一方面，可通过天冬氨酸的加入量控制成核点的数量，进一步控制生成的硫酸钡的粒径、形貌和比表面积单元尺寸。另一方面，在硫酸钡生成时，通过对反应条件的控制，如温度、氨气通入速度等，可控制硫酸钡生成的速度，既可实现对粒径、球形度的控制，还可提高硫酸钡的形貌均匀度。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
该方法以天冬氨酸溶液的羧基与氢氧化钡溶液的钡离子发生螯合，提供成核位点，再加入硫酸铵溶液，控制反应条件，合成粒径更小、球形度更高的球形碳酸钡。与传统方法相比，本发明的制备的球形碳酸钡的方法，通过控制天冬氨酸溶液的浓度，使得制备的球形硫酸钡粒径小，球形度高，粒径分布范围窄，显著改善了球形硫酸钡的应用范围和对塑料改性效果。
本发明提供了一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的球形硫酸钡，可广泛用于塑料润滑母料中，提高塑料的加工和力学性能。
2.本发明的制备方法，利用天冬氨酸通过羧基与钡离子鳌合，提供成核位点，有效调控球形硫酸钡的生成，制得的球形硫酸钡的粒径小，比表面积大，球形度高。
3.本发明的制备方法，可通过调节天冬氨酸溶液的浓度实现对所得球形硫酸钡晶体颗粒的形貌等调控，制得的硫酸钡粉末形貌定型规则，粒径分布范围小。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
先配制18kg质量浓度为4%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下用盐酸溶液调节溶液的pH值至5；向天冬氨酸溶液中加入42kg质量浓度为3.6%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入40kg质量浓度为7%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7；向溶液中以流动速度为4mL/s通入氨气，加热到185℃反应7h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤2次，再用去离子水洗涤1次，在温度为72℃、真空度为7Pa下真空干燥21h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法：
（1）粒度及粒径分析：设备为Mastersizer3000激光粒度分析仪，取1g制得的球形硫酸钡粉末作为样品，置于粒度分析仪的分散装置，采用干法测试，对得到激光散射数据进行分析，得到粒径分析图表，进而得到平均粒径（计为d）及粒径分布特征；
（2）球形度：设备为颗粒图像分析工作站，取1g制得的球形硫酸钡粉末作为样品，通过显微颗粒图像分析系统，直接测得硫酸钡粉末的球形度，表示其形貌定型特征；
所得数据如表1所示。
实施例2
先配制15kg质量浓度为3%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下用氢溴酸溶液调节溶液的pH值至5；向天冬氨酸溶液中加入35kg质量浓度为3.2%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入50kg质量浓度为5%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7.5；向溶液中以流动速度为2mL/s通入氨气，加热到170℃反应8h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤3次，再用去离子水洗涤2次，在温度为60℃、真空度为5Pa下真空干燥24h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例3
先配制20kg质量浓度为5%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至5.5；向天冬氨酸溶液中加入45kg质量浓度为3.8%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入35kg质量浓度为8%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7；向溶液中以流动速度为5mL/s通入氨气，加热到190℃反应6h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤2次，再用去离子水洗涤2次，在温度为80℃、真空度为10Pa下真空干燥18h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例4
先配制16kg质量浓度为3%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至5；向天冬氨酸溶液中加入37kg质量浓度为3.2~3.8%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入47kg质量浓度为6%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7；向溶液中以流动速度为3mL/s通入氨气，加热到175℃反应7.5h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤2次，再用去离子水洗涤2次，在温度为65℃、真空度为6Pa下真空干燥21h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例5
先配制18kg质量浓度为5%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下用氢溴酸溶液调节溶液的pH值至6.5；向天冬氨酸溶液中加入33kg质量浓度为3.3%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入39kg质量浓度为7%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下用氢氧化钾溶液调节溶液的pH值至7.5；向溶液中以流动速度为4mL/s通入氨气，加热到185℃反应6.5h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤3次，再用去离子水洗涤1次，在温度为75℃、真空度为7Pa下真空干燥21h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例6
先配制18kg质量浓度为4%的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至5；向天冬氨酸溶液中加入40kg质量浓度为3.5%的氢氧化钡的水溶液，制成料浆；向料浆中加入42kg质量浓度为6%的硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7；向溶液中以流动速度为4mL/s通入氨气，加热到180℃反应7h，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣先用丙酮洗涤2次，再用去离子水洗涤2次，在温度为70℃、真空度为8Pa下真空干燥20h，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例1
硫酸钡制备过程中，未使用天冬氨酸溶液，其他制备条件与实施例6一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
表1：
性能指标 平均粒径（nm） 粒径分布特征（nm） 球形度（%）
实施例1 16 12～18 97.5
实施例2 18 15～20 96.8
实施例3 9 6～11 98.2
实施例4 16 13～18 96.9
实施例5 10 7～12 97.2
实施例6 18 15～21 95.5
对比例1 125 32～180 52.3
将实施例1-6、对比例1得到的硫酸钡、市售沉淀硫酸钡65％加入熔融指数为2.2g/min的聚乙烯LLDPE7042，共混造粒，制备塑料润滑母粒。测试在同等喂料和设备条件下，设备的扭矩极易得到塑料润滑母粒的熔融指数，以衡量润滑性。如表2所示。
表2
性能指标 设备扭矩负荷（%） 熔融指数（g/10min）
实施例1 36.5 11.1
实施例2 41.2 10.7
实施例3 38.9 11.4
实施例4 37.3 11.5
实施例5 39.0 11.3
实施例6 40.2 11.3
对比例1 69.6 2.2
市售沉淀硫酸钡 73.8 1.5

Claims (9)

1.一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于，以天冬氨酸溶液的羧基与氢氧化钡溶液的钡离子发生螯合，提供成核位点，再加入硫酸铵溶液，控制反应条件，合成粒径更小、球形度更高的球形碳酸钡，制备的具体步骤如下：
（1）配制一定浓度的天冬氨酸溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至5-6；
（2）向天冬氨酸溶液中加入氢氧化钡的水溶液，制成料浆，通过天冬氨酸的羧基与钡离子的螯合，提供成核位点；
（3）向步骤（2）的料浆中加入硫酸铵溶液，然后在搅拌状态下调节溶液的pH值至7~7.5；
（4）向步骤（3）的溶液中通入氨气，反应完成后进行抽滤，然后对滤渣进行洗涤和烘干，即可制得用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
2.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：所述天冬氨酸溶液的质量浓度为3~5%，所述氢氧化钡的水溶液的质量浓度为3.2~3.8%，所述硫酸铵溶液的质量浓度为5~8%。
3.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：步骤（1）调节溶液的pH值用盐酸溶液、氢溴酸溶液、氢碘酸溶液、硫酸溶液中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：各原料的重量份分别为，天冬氨酸溶液15~20重量份、氢氧化钡的水溶液35~45重量份、硫酸铵溶液35~50重量份。
5.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述氨气的流动速度为2~5mL/s。
6.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述反应温度为170~190℃，时间为6~8h。
7.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述洗涤方式为先用丙酮洗涤2~3次，再用去离子水洗涤1~2次。
8.根据权利要求1所述一种用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述干燥为真空干燥，温度为60~80℃，真空度为5~10Pa，时间为18~24h。
9.权利要求1~8任一项所述制备方法制备得到的用于塑料润滑母料中的球形硫酸钡。
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