CN115232361A - 一种蛭石红外阻隔材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蛭石红外阻隔材料及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：将蛭石进行膨胀处理，然后经水洗除去膨胀蛭石中的杂质；将处理后的膨胀蛭石粉碎，加入一定浓度的氯化钨和磷酸钾，在100‑280℃的条件下，晶化反应1‑56h，然后水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末；将得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末超声分散于水溶液中，加入硝酸铁，再加入吸收红外线的有机化合物，最后加入尿素，在80‑200℃反应12‑24h，离心分离，干燥，即得到蛭石红外阻隔材料。该蛭石红外阻隔材料的制备方法简单，易操作，制备的材料红外阻隔能力强。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料合成技术领域，更具体的说是涉及一种蛭石红外阻隔材料及其制备方法和应用。
背景技术
蛭石是我国有较好资源远景和潜在优势的非金属矿产之一，是一种重要的非金属矿物，也是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物，属层状硅酸盐，价廉易得。蛭石能耐高温，是热的不良导体，具有良好的电绝缘性；膨胀蛭石有优异的吸水性和吸湿性；高温下膨胀，易于剥离。蛭石具有较好的层间阳离子交换能力、膨胀能力、吸附能力、隔音性、隔热性、耐火性、耐冻性等特点，并且化学性质稳定，不溶于水，无毒、无味，无副作用，工业上主要是利用其良好的吸附性能和离子交换性能处理含重金属和有机阳离子的废水、制备抗菌材料和保温材料、蛭石助滤剂、净化剂和有机蛭石等。
白天太阳光到达地球表面的能量98％集中在波长0.3-3.0μm范围内，而夜晚从地球表面向大气散失的辐射能量90％集中在7-25μm波长范围内，峰值9-11μm。为了保证农作物生长所需气候条件，使用PE，PVC，EVA等薄膜材料来覆盖农作物，起到保温保墒的作用；为了提高农用薄膜的保温能力，采用加入具有红外吸收性能的无机填料的方法，以阻隔夜间地面和农作物释放的红外辐射，减少热能散失，提高保温效果。我国目前作为红外吸收剂应用于聚乙烯农膜的无机填料主要有碳酸钙、高岭土、石灰石、滑石粉、白炭黑、叶蜡石、云母粉、硅藻土、绢云母、氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸镁、硅酸镁等。将以上无机填料作为红外吸收材料应用于PE塑料薄膜中，对其保温性能起到了一定的提高作用。但由于上述天然无机矿物本身的红外吸收性能不佳，且存在结构不完整、伴生杂晶相等缺点，尤其是高的杂质含量，加速了PE塑料农膜的老化。这些无机矿物的颗粒尺寸大且粒径分布不均匀，将其应用到农膜中，添加量少保温效果不明显，添加量大对农膜的保温效果提高有限，且对农膜的可见光透过性能、力学性能、抗老化性能有严重影响。此外天然矿物质杂质多、硬度高，在加工过程中对挤出机的螺杆、机筒等磨损大。因此，红外吸收阻隔材料一直是科研工作者的研究重点和热点之一。
而蛭石是一种层状材料，主要由硅镁铝等元素组成，同时，还含有钛，利用层板的反射，通过合成方法构建新型的红外吸收阻隔材料。因此，开展蛭石红外吸收阻隔材料制备的研究具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种蛭石红外阻隔材料及其制备方法和应用，其制备工艺简单，易于推广，具有明显的经济价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将蛭石进行膨胀处理，然后经水洗除去膨胀蛭石中的杂质；
2)将步骤1)处理后的膨胀蛭石粉碎，加入一定浓度的氯化钨和磷酸钾，在100-280℃的条件下，晶化反应1-56h，然后水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末；
3)将步骤2)得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末超声分散于水溶液中，加入硝酸铁，再加入吸收红外线的有机化合物，最后加入尿素，在80-200℃反应12-24h，离心分离，干燥，即得到蛭石红外阻隔材料。
优选的，所述步骤2)中膨胀蛭石粉碎的目数为400-3500目。
优选的，所述步骤2)添加的氯化钨的浓度为0.00001-0.001mol/L，磷酸钾的浓度为0.00001-0.001mol/L。
优选的，所述氯化钨、磷酸钾与膨胀蛭石的(体积质量比)比例为：1：1:5-50。
优选的，所述步骤3)中加入的硝酸铁的浓度为0.00001-0.001mol/L，尿素浓度为0.001-10mol/L。
优选的，所述步骤3)中硝酸铁、尿素与步骤2)制备的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾的添加比例(质量体积比)为1：1：5-50。
优选的，所述步骤3)中加入的有机化合物包括2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸、亚氨基二乙酸阴离子、N,N-双(膦羟甲基)甘氨酸阴离子、氨基三亚甲基膦酸阴离子中的一种或多种混合物，浓度为0.00001-0.001mol/L。
本发明还公开了上述所述的蛭石红外阻隔材料在制备耐红外塑料制品、纺织品、木材、染料、涂料、沥青、橡胶中的应用。
优选的，上述所述的蛭石红外阻隔材料在制备耐红外塑料制品中的应用，包括以下步骤：将蛭石红外阻隔材料加入到丙酮溶液中，经搅拌超声辅助离心洗涤3～5次后，再加入丙酮经搅拌超声辅助分散后，加入有机塑料材料中，再经搅拌超声辅助分散，获得均一悬浮液，离心分离得到蛭石复合红外阻隔料和有机塑料材料的混合料，干燥，得到均匀的固体混合料；加热成型，即得到耐红外塑料制品。
优选的，所述的有机塑料材料为聚乙烯、聚丙烯粉或PVC，所述蛭石红外阻隔材料与有机塑料的添加质量比为1：0.1-70。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1)蛭石廉价易得，且具有层状结构，层板有羟基，易于与有机物通过氢键结合，形成稳定的有机无机复合材料；2)蛭石本身有强的红外吸收能力，易于构建红外吸收材料；3)通过合成构建的蛭石基红外吸收材料，具有结构稳定，易于应用；4)插层的有机分子具有改性的作用，有利于在有机物中使用，达到了有机改性的目的；5)除了具有红外阻隔的作用，还有紫外阻隔的作用，同时力学性能和气体阻隔性能也明显提高，6)通过合成实现了蛭石表面的修饰，全面提高性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在蛭石层板或层间插入有机和无机阻隔剂，实现了细颗粒蛭石表面的修饰和制备，构建全红外波长的红外阻隔材料；通过蛭石本身的层板结构，实现红外的反射吸收，除具有红外阻隔外，还具有一定的紫外阻隔能力；本发明的制备工艺步骤简单，易操作，应用范围广，实现了对蛭石的深加工利用，对本领域的发展具有深远影响。
实施例1
膨胀蛭石水洗，除去杂质，剪切粉碎至1000目，取蛭石粉末250g，将50mL浓度为0.001mol/L氯化钨和50mL浓度为0.0005mol/L磷酸钾的混合，然后放入蛭石粉末，放入水热釜中，在200℃下，反应24h，取出水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾。将得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末粉碎，再超声分散于水溶液中，加入0.001mol/L硝酸铁，再加入0.0001mol/L2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸，最后加入0.1mol/L尿素(其中硝酸铁、尿素以及蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末的体积质量比为1:1:5，蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末与2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸的添加比例为5-50:1)，在180℃反应，22h，取出离心分离，水洗干燥，得到蛭石复合红外阻隔材料。
将蛭石复合红外阻隔材料放入乙醇溶液中，超声均匀，分离，再重复5次，再加入乙醇经搅拌超声辅助分散后，加入聚乙烯树脂中(蛭石复合红外阻隔材料与聚乙烯树脂的比例为1:1)，经搅拌超声辅助分散，获得均一悬浮液，进行真空干燥，除去多余乙醇，得到蛭石复合红外阻隔材料。在红外区具有明显的红外吸收，比未加蛭石复合红外阻隔材料的，红外吸收提高了35％，力学拉伸性能提高30％，气体氧气阻隔提高7％，可以应用于大棚膜的农业生产中。
实施例2
膨胀蛭石水洗，除去杂质，剪切粉碎至1500目，取蛭石粉末280g，将60mL浓度为0.001mol/L氯化钨和60mL浓度为0.0005mol/L磷酸钾的混合，然后放入蛭石粉末，放入水热釜中，在180℃下，反应20h，取出水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾。将得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末粉碎，再超声分散于水溶液中，加入0.0005mol/L硝酸铁，再加入0.0001mol/L2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸，最后加入0.05mol/L尿素(其中硝酸铁、尿素以及蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末的体积质量比为1:1:10，蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末与2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸的添加比例为5-50:1)，在200℃反应，20h，取出离心分离，水洗干燥，得到蛭石复合红外阻隔材料。
将蛭石复合红外阻隔材料放入乙醇溶液中，超声均匀，分离，再重复5次，再加入乙醇经搅拌超声辅助分散后，加入聚乙烯树脂中(蛭石复合红外阻隔材料与聚乙烯树脂的比例为1:1)，经搅拌超声辅助分散，获得均一悬浮液，进行真空干燥，除去多余乙醇，得到蛭石复合红外阻隔材料。在红外区具有明显的红外吸收，比未加蛭石复合红外阻隔材料的，红外吸收提高了37％，可以应用于大棚膜的农业生产中。
实施例3
膨胀蛭石水洗，除去杂质，剪切粉碎至2000目，取蛭石粉末270g，将65mL浓度为0.001mol/L氯化钨和65mL浓度为0.0005mol/L磷酸钾的混合，然后放入蛭石粉末，放入水热釜中，在170℃下，反应20h，取出水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾。将得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末粉碎，再超声分散于水溶液中，加入0.0005mol/L硝酸铁，再加入0.0001mol/L2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸，最后加入0.05mol/L尿素(其中硝酸铁、尿素以及蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末的体积质量比为1:1:20，蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末与2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸的添加比例为5-50:1)，在200℃反应，25h，取出离心分离，水洗干燥，得到蛭石复合红外阻隔材料。
将蛭石复合红外阻隔材料放入乙醇溶液中，超声均匀，分离，再重复5次，再加入乙醇经搅拌超声辅助分散后，加入聚乙烯树脂中(蛭石复合红外阻隔材料与聚乙烯树脂的比例为1:1)，经搅拌超声辅助分散，获得均一悬浮液，进行真空干燥，除去多余乙醇，得到蛭石复合红外阻隔材料。在红外区具有明显的红外吸收，比未加蛭石复合红外阻隔材料的，红外吸收提高了41％，可以应用于大棚膜的农业生产中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将蛭石进行膨胀处理，然后经水洗除去膨胀蛭石中的杂质；
2)将步骤1)处理后的膨胀蛭石粉碎，加入一定浓度的氯化钨和磷酸钾，在100-280℃的条件下，晶化反应1-56h，然后水洗干燥，得到蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末；
3)将步骤2)得到的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾固体粉末超声分散于水溶液中，加入硝酸铁，再加入吸收红外线的有机化合物，最后加入尿素，在80-200℃反应12-24h，离心分离，干燥，即得到蛭石红外阻隔材料。
2.根据权利要求1所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中膨胀蛭石粉碎的目数为400-3500目。
3.根据权利要求1或2所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)添加的氯化钨的浓度为0.00001-0.001mol/L，磷酸钾的浓度为0.00001-0.001mol/L。
4.根据权利要求3所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述氯化钨、磷酸钾与膨胀蛭石的体积质量比为：1：1:5-50。
5.根据权利要求4所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加入的硝酸铁的浓度为0.00001-0.001mol/L，尿素浓度为0.001-10mol/L。
6.根据权利要求5所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中硝酸铁、尿素与步骤2)制备的蛭石磷酸根离子插层的钨酸钾的质量体积比为1：1：5-50。
7.根据权利要求6所述的一种蛭石红外阻隔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加入的有机化合物包括2-丙烯酰胺-甲基丙磺酸、亚氨基二乙酸阴离子、N,N-双(膦羟甲基)甘氨酸阴离子、氨基三亚甲基膦酸阴离子中的一种或多种混合物，浓度为0.00001-0.001mol/L。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的蛭石红外阻隔材料。
9.如权利要求8所述的蛭石红外材料在制备耐红外塑料制品、纺织品、木材、染料、涂料、沥青、橡胶中的应用。
10.根据权利要求9所述的蛭石红外阻隔材料在制备耐红外塑料制品中的应用，其特征在于，包括以下步骤：将蛭石红外阻隔材料加入到丙酮溶液中，经搅拌超声辅助离心洗涤3～5次后，再加入丙酮经搅拌超声辅助分散后，加入有机塑料材料中，再经搅拌超声辅助分散，获得均一悬浮液，离心分离得到蛭石复合红外阻隔料和有机塑料材料的混合料，干燥，得到均匀的固体混合料；加热成型，即得到耐红外塑料制品；所述的有机塑料材料为聚乙烯、聚丙烯粉或PVC，所述蛭石红外阻隔材料与有机塑料的添加质量比为1：0.1-70。
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