CN110527141B - 一种改性黑硅石粉体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性黑硅石粉体，按重量百分比计，包括以下成分组成：二氧化硅60%‑70%；三氧化二铝7%‑20%；氧化钙1%‑20%；碳6%‑16%；三氧化二铁1%‑5%；硫2%‑4%；氧化钾1%‑3%；氧化镁1%‑3%；改性黑硅石粉体中混有花岗岩将二氧化硅占比补充至60‑70%。改性黑硅石粉体的成分是通过扫描X射线荧光光谱仪及C/S测试仪测得，先采用扫描X射线荧光光谱仪对黑硅石样品进行检测，得到各成分含量值，再计算得到花岗岩的用量，按照配比将黑硅石与花岗岩一同投入粉碎机中粉碎，再经环辊研磨机研磨得到改性黑硅石粉体。通过添加花岗岩将粉体中的二氧化硅含量控制达到60‑70%之间，可以使改性热塑性树脂达到所需的稳定的增刚效果。

Description

一种改性黑硅石粉体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别是涉及一种改性黑硅石粉体及其制备方法和应用。

背景技术

由于滑石矿日渐枯竭，需要一种新型矿石来代替滑石。黑硅石是一种具有特殊工程地质特性的粉砂质炭质层石，富含有二氧化硅、氧化铁及游离碳元素，在桂林地区大面积分布，氧化较好，品位较高，天然纯黑色。黑硅石是片状结构其分子含量及性能特征相似于滑石粉，且矿石本身为纯黑色，耐高温，含铝量高于其它黑滑石矿。

原生黑硅石经过机械加工粉碎至一定的粒度之后可以作为塑料、橡胶和涂料的填充材料使用；但由于不同矿场产出的黑硅石所富含的二氧化硅成分跨度较大，比例不一致导致很难充分、有效的进行大规模的直接使用。多数黑硅石矿中开采出的黑硅石中二氧化硅含量偏低，不足50%，经试验发现，这样会导致改性热塑性树脂的增刚效果差且不稳定。因此，低二氧化硅含量的黑硅石现阶段通常只能够作为烧制砖块的用途。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种改性黑硅石粉体，通过在粉碎、研磨前添加一定比例的花岗岩，使得改性黑硅石粉体的二氧化硅含量高达60%-70%，而且含量稳定；通过改性后的粉体具有更稳定的增刚效果。

本发明的目的在于，提供上述改性粉体的制备方法与应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种改性黑硅石粉体，按重量百分比计，包括以下成分组成：

二氧化硅60-70%；

三氧化二铝7-20%；

氧化钙1-20%；

碳6-16%；

三氧化二铁1-5%；

硫2-4%；

氧化钾1-3%；

氧化镁1-3%；

改性黑硅石粉体中混有花岗岩将二氧化硅占比补充至60-70%。

上述各元素成分为最主要的成分，可能还含有0.1-0.5%的其他元素杂质，根据产地的不同也会有所不同。

改性黑硅石粉体的成分是通过扫描X射线荧光光谱仪及C/S测试仪测得。

添加花岗岩改性前的黑硅石中二氧化硅含量仅为40%~60%

所述的改性黑硅石粉体的粒径范围是800-1500目（约5-15um）。

所述的改性黑硅石粉体具有片状结构。

所述的改性黑硅石粉体的制备方法，包括以下步骤：先采用扫描X射线荧光光谱仪及C/S测试仪对黑硅石样品进行检测，得到各成分含量值，再计算得到花岗岩的用量，按照配比将黑硅石与花岗岩投入粉碎机中粉碎，再研磨得到改性黑硅石粉体。

通过添加花岗岩，在粉碎与研磨的过程中，受到高温的影响，一部分花岗岩粉末富集在黑硅石粉体表面，高浓度的二氧化硅含量，带来了相比于本身就具有高二氧化硅含量的黑硅石粉体更稳定的增强性能。

所述的改性黑硅石粉体的应用，作为粉体改性剂用于改性热塑性树脂。

所述的热塑性树脂包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯等。

本发明的目的在于，采用改性黑硅石粉体来代替滑石粉，滑石粉可用于聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯等热塑性树脂中，经试验验证，本发明所用的改性黑硅石粉体也可用于上述的热塑性树脂进行增刚。本发明具体实施方式中，主要针对聚丙烯树脂的增刚改性效果来对本发明的创新点（通过添加一定量的花岗岩来调整黑硅石粉体中的二氧化硅含量，使增刚效果更好且更稳定）进行说明。

在粉碎和研磨过程中，推测是由于摩擦导致的局部高温使粉体颗粒表面产生了细微的形态变化（研磨之后，一小部分添加的花岗岩附着包裹在黑硅石粉体颗粒表面），并且占粉体重量将近一半的花岗岩粉体通过复配改性后的黑硅石粉体，相比于纯花岗岩，对于增刚效果也得到保证。然而如果在研磨过程中加入大量的水来进行降温，改性粉体颗粒的表面形态不会有变化也就是两种粉体的简单共混，几乎不会有改性的效果。

但是，也会存在一定的缺陷，因为花岗岩比重较大，因此需要控制花岗岩的加入量，或者使用在对于低密度要求较低的树脂用途中。

在改性试验过程中也有尝试通过添加高纯度石英（硅石）来进行改性，但是可能是由于其硬度极高，性态稳定，且石英及黑硅石两种矿物的硬度差别大，添加研磨后对于低二氧化硅含量的黑硅石也几乎达不到改性的效果。

改性黑硅石粉体的应用，用于制备改性聚丙烯复合材料，按重量份计，包括以下组分：

聚丙烯树脂 60-100份；

改性黑硅石粉体 1-40份。

改性黑硅石粉体改性的聚丙烯树脂，其中还可以添加偶联剂、抗氧剂、润滑剂等助剂。也可以添加一定量的玻纤进行增强。

改性聚丙烯复合材料的制备方法可以是直接添加改性黑硅石粉体进行制备，也可以通过添加混合有改性黑硅石粉体的高填充聚丙烯母粒进行制备。

改性黑硅石粉体的应用，将改性黑硅石粉体制备成改性黑硅石粉体高填充的聚丙烯改性母粒，按重量份计，包括改性黑硅石粉体100份，聚丙烯树脂1-25份。

粉体在加工过程中，因为粒径小，很容易造成烟尘污染，给没有特定设备的厂家生产带来一定的困难。并且，大量细小的粉末在螺杆中容易聚团，分散不均匀，甚至有与树脂基体不相容的问题，界面结合力薄弱使得增刚效果无法表现出来。将改性黑硅石粉体制备成母粒，这样便于运输以及生产时的共混，不会产生烟尘。

母粒中，也可以加入一定量的偶联剂、润滑剂、抗氧剂、除味剂、增韧剂等。

对于其他热塑性树脂的应用可以参照改性增刚聚丙烯树脂的方法，具体工艺参数、配方的调整以实际性质、性能目标变化。

本发明具有如下有益效果

本发明是通过添加常见的花岗岩以对黑硅石进行改性，通过复配一定量的花岗岩进行混合研磨到一定的目数，达到调整整体粉体中二氧化硅稳定比例（60%~70%）的目的。该种改性后的黑硅石粉末由于二氧化硅的比例成分较高且稳定可以达到所需的热塑性树脂的增刚效果。

高填充的改性黑硅石粉体通过混合载体聚丙烯树脂，制备成功能型母粒，对于普通黑产品或是对黑度要求不那么苛刻的产品，可以省掉炭黑色母粒的添加，节约了炭黑着色/染色成本，在橡塑制品、土工格栅制品、黑色增刚需求的树脂制品如PP体系的汽车系列零部件、PE体系的排污排水管（波纹管制品）以及其他黑色涂料系列等可以进行大规模的应用。

具体实施方式

下面用实施例来进一步对本发明进行说明，但是，以下实施例不对本发明的范围进行限制。

本发明所用原料如下：

黑硅石A：二氧化硅42%；氧化钙18%；三氧化二铝14%；三氧化二铁3%；氧化钾2%；氧化镁1%；碳14%；硫6%；

黑硅石粉体B：二氧化硅62%；氧化钙7%；三氧化二铝16%；三氧化二铁2%；氧化钾2%；氧化镁1%；碳8%；硫2%；粒径：1250目（约10um）；

黑硅石粉体C：二氧化硅42%；氧化钙18%；三氧化二铝14%；三氧化二铁3%；氧化钾2%；氧化镁1%；碳14%；硫6%；粒径：1250目（约10um）。

上述各成分含量是近似值，有可能还含有极少的其他物质，这些物质可能会占0.1-0.5%左右，不列出。

滑石粉：粒径：1250目（约10um）；

花岗岩：二氧化硅含量75%；

聚丙烯： PP PDI078；

POE： POE LC565；

抗氧剂：抗氧剂168；

润滑剂：TMP-6。

改性黑硅石粉末A的制备方法：根据黑硅石A的各成分含量值，再计算得到花岗岩的用量（黑硅石A：花岗岩粉体的重量比例=4：6，调整过的二氧化硅含量约为62%），按照配比将黑硅石与花岗岩投入粉碎机中粉碎得到粒度≤20mm的材料，再输送到环辊磨粉机中进行研磨得到改性黑硅石粉体A，通过选粉装置后得到的产品细度可达到粒径：1250目（10um）。

改性黑硅石粉体填充的聚丙烯改性母粒（以下简称母粒）的制备方法：按照配比将粉末（改性黑硅石粉体A或黑硅石粉体B或黑硅石粉体C）、聚丙烯、增韧剂、其他辅料（抗氧剂、润滑剂、除味剂等，也可以不加）投入110L的加压式密炼机中进行充分混合，随后再通过150的单螺杆挤出机及风冷模面的热切造粒机得到80%高填充比例的母粒。

滑石粉不需要进行如本发明的改性，其滑石粉母粒的制备方法参考上述方法。

改性聚丙烯填充材料的制备方法：按照配比，将聚丙烯、母粒、抗氧剂、润滑剂加入高速混料机中混合均匀，再投入双螺杆挤出机中挤出造粒，得到改性聚丙烯填充材料（挤出机料筒温度：一段210℃，二段215℃，三段210℃；螺杆长径比为25：1；螺杆转速为120-1600r/min）。

各项性能测试方法：

（1）熔体流动速率：参照ISO1133标准执行，230℃、2.16Kg。

（2）拉伸强度：参照ISO 527标准执行。

（3）弯曲强度：参照ISO178标准执行。

（4）热变形温度：参照ISO75标准执行。

表1：母粒的配方重量份

	改性母粒A	母粒B	母粒C
				聚丙烯	20	20	20
改性黑硅石粉体A	80	0	0
				黑硅石粉体B	0	80	0
黑硅石粉体C	0	0	80

表2：实施例和对比例聚丙烯复合材料的配方（重量份）

	实施例1	实施例2	对比例1	对比例2
					聚丙烯（共聚PP）	72	72	72	72
改性母粒A	13	-	-	-
					母粒B	-	13	-	-
母粒C	-	-	13	-
					滑石粉母粒	-	-	-	13
POE	14	14	14	14
					抗氧剂	0.5	0.5	0.5	0.5
润滑剂	0.3	0.3	0.3	0.3
					其他小料	0.5	0.5	0.5	0.5

表3：实施例和对比例聚丙烯复合材料的各项性能测试结果

测试项目	实施例1	实施例2	对比例1	对比例2
					密度，g/cm<sup>3</sup>	0.977	0.968	0.963	0.984
熔体流动速率，g/10min	16	17	15	16
					拉伸强度，MPa	22.0	22.1	21.3	21.9
弯曲强度，MPa	30.2	30.7	28.4	30
					热变形温度，℃	96	97	93	95

从实施例1和2可以看出，将低二氧化硅含量的黑硅石通过本发明的方法进行改性后，其性能相比于高二氧化硅含量的黑硅石粉体B，强度略低一些，密度稍微大一些，但是影响不大。

从实施例1和对比例1可以看出，改性后的黑硅石粉体，力学强度得到了不小的提升。

从对比例2可知，高二氧化硅含量的黑硅石粉体在增强方面要略优于滑石粉，通过本发明方法改性后的黑硅石粉体，也能够达到替换滑石粉的作用。

综上，本发明的改性技术，在一定程度上弥补了低二氧化硅含量的黑硅石的增强性能不足的缺陷，虽然密度会上升一些（约提升1.4%），但是其有益处远远大于密度增加带来的缺点，具有很好的工业应用价值。

Claims (9)

1.一种改性黑硅石粉体，其特征在于，按重量百分比计，包括以下成分组成：

二氧化硅60-70%；

三氧化二铝7-20%；

氧化钙1-20%；

碳6-16%；

三氧化二铁1-5%；

硫2-4%；

氧化钾1-3%；

氧化镁1-3%；

改性黑硅石粉体中混有花岗岩将二氧化硅占比补充至60-70%；

所述的改性黑硅石粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先采用扫描X射线荧光光谱仪及C/S测试仪对黑硅石样品进行检测，得到各成分含量值，再计算得到花岗岩的用量，按照配比将黑硅石与花岗岩投入粉碎机中粉碎，再研磨得到改性黑硅石粉体。

2.根据权利要求1所述的改性黑硅石粉体，其特征在于，改性黑硅石粉体的成分是通过扫描X射线荧光光谱仪及C/S测试仪测得。

3.根据权利要求1所述的改性黑硅石粉体，其特征在于，添加花岗岩改性前的黑硅石中二氧化硅含量仅为40%~60%。

4.根据权利要求1所述的改性黑硅石粉体，其特征在于，所述的改性黑硅石粉体的粒径范围是800-1500目。

5.根据权利要求1所述的改性黑硅石粉体，其特征在于，所述的改性黑硅石粉体具有片状结构。

6.权利要求1所述的改性黑硅石粉体的应用，其特征在于，作为粉体改性剂用于改性热塑性树脂。

7.根据权利要求6所述的改性黑硅石粉体的应用，其特征在于，所述的热塑性树脂包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的改性黑硅石粉体的应用，其特征在于，用于制备改性聚丙烯复合材料，按重量份计，包括以下组分：

聚丙烯树脂 60-100份；

改性黑硅石粉体 1-40份。

9.根据权利要求6所述的改性黑硅石粉体的应用，其特征在于，将改性黑硅石粉体制备成改性黑硅石粉体聚丙烯改性母粒，按重量份计，包括改性黑硅石粉体100份，聚丙烯树脂1-25份。