CN115558228A - 一种无硼超轻粘土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无硼超轻粘土，由以下质量百分比的原料制备而成：聚乙烯醇8‑15%，木质纤维素3‑10%，含铝离子的交联剂1‑3%，可膨胀微球5‑15%，甘油3‑10%，PH调节剂0.5‑1%，余量为水。由于铝离子参与化学交联，形成离子键，其键能较高，强度大，使交联效果较好，产品稳定不黏手，不松散。而且，由于铝离子为3价正离子，可以形成多个交联点，形成交联的机会多，效果快速且明显。本发明还提供了一种无硼超轻粘土的制备方法。

Description

一种无硼超轻粘土及其制备方法

技术领域

本发明涉及儿童文教用品技术领域，具体涉及一种无硼超轻粘土及其制备方法。

技术背景

超轻粘土是近些年兴起的一种新型材料，也称为太空泥、弹跳泥，是橡皮泥的升级版，主要将有机高分子聚合物可膨胀微球（真空微球）进行发泡，再与聚乙烯醇（PVA）、交联剂、甘油、颜料等材料按照一定的比例混合制成，广泛应用于手工艺捏塑、美劳教育领域等。

目前市场上的超轻粘土，大多数都是采用硼砂、硼酸作为交联剂的。含有硼元素的轻质粘土强度高、手感细腻、具有较好的塑性能力，并且干燥后不易开裂松散，但是硼砂和硼酸毒性较高，人体若摄入过多的硼会引发多脏器的蓄积性中毒，世界各国多禁用为食品添加物，欧盟玩具安全标准对硼的迁移量有明确的标准，为1200mg/Kg。

专利CN106007478A提出以二氧化硅、硅藻土等无机材料，与聚乙烯醇、发泡剂、水、保湿剂、表面活性剂等制备超轻粘土，可以不含硼元素，达到完全安全无毒环保的目的；专利CN108192249A提出以中空发泡微球、聚乙烯醇、水、山梨糖醇和色素制备不含硼的超轻粘土，得到更安全更柔软的超轻粘土。但是，以上这些不含硼的超轻粘土，以无机材料、山梨糖醇等代替传统的硼砂硼酸作为交联剂，仅仅以物理键维持体系，聚乙烯醇分子链间的作用力弱，导致超轻粘土存在黏手、拉伸性能弱、强度低、干燥后易开裂、塑性差等问题。

发明内容

为解决现有技术无硼超轻粘土黏手、拉伸性能弱、强度低、干燥后易开裂、塑性差的问题，本发明目的是提供一种无硼超轻粘土及其制备方法。

本发明一方面提供一种无硼超轻粘土，由以下质量百分比的原料制备而成：聚乙烯醇8-15%，木质纤维素3-10%，含铝离子的交联剂1-3%，可膨胀微球5-15%，甘油3-10%，PH调节剂0.5-1%，余量为水。

进一步地，所述聚乙烯醇的分子量在80000-150000之间，醇解度为88%，纯度为98.5%以上。

进一步地，所述可膨胀微球为热塑性空心聚合物微球，由热塑性聚合物外壳包封挥发性膨胀剂液态烷烃气体内芯得到，平均直径在10-50µm之间；所述的外壳由聚合性单体混合物聚合而成，所述聚合性单体包括丙烯腈、丙烯酸酯类单体、丙烯酰胺类单体、丙烯酸类单体中的至少一种；所述内芯为低沸点的烃类，如正戊烷、异戊烷、新戊烷、丁烷、异丁烷、己烷、异己烷、新己烷、庚烷、异庚烷、辛烷、异辛烷和石油醚中的任意一种或几种。

进一步地，所述甘油为医用甘油。

进一步地，所述木质纤维素为纯白木质纤维素，纯度超过99.5%，纤维长度为300-800微米。

进一步地，所述PH调节剂，为碳酸氢钠、柠檬酸和磷酸二氢钠中的任意一种。

进一步地，所述含铝离子的交联剂为含有铝离子、偏铝酸根离子的化合物，为氯化铝、硫酸铝、聚合氯化铝、柠檬酸铝、偏铝酸钠和偏铝酸钾中的任意一种。

本发明另一方面提供一种制备无硼超轻粘土的方法：

S1.制备铝离子交联剂。按照质量百分比计，将一定百分比的含有铝离子、偏铝酸根离子的化合物，加入到15%的经过杀菌的水溶解备用；

S2. 将经过杀菌的水、聚乙烯醇粉分别加入反应釜中，搅拌10分钟，使聚乙烯醇充分溶胀，再开始加热到90℃，边加热边搅拌，在90℃持续30分钟，关闭加热，静置冷却；

S3. 将冷却后的上述胶状物质，及S1制备的交联剂溶液、上述比例的木质纤维素、可膨胀微球、甘油、PH调节剂加入到捏合机中，搅拌10分钟，使物料充分混合均匀，即可得到无硼超轻粘土。

得到的超轻粘土完全无硼，手感柔软舒适。取10g经过揉捏1分钟，手上完全不残留，不黏手。取5g揉成直径1cm圆柱形进行慢慢拉伸，其断裂伸长率达到2000%-2500%。

本发明的有益技术效果为：本发明提出了一种无硼超轻粘土及其制备方法，解决了目前无硼超轻粘土性能不佳的问题，具有安全无硼、环保安全，且粘土不粘手、细腻、塑形能力强、拉伸性能好、干燥后强度高的特点。可膨胀微球可以填充体积，作为基材，使整个粘土体系密度较低，手感柔软舒适，有一定的塑性能力；甘油作为保湿剂和润滑剂，使粘土保湿增加使用时间，也增加柔顺的手感；木质纤维素可以增加粘土风干之后整体的硬度，容易成形；由于铝离子交联剂对ph酸碱值敏感，根据铝的加入形式，选择相应的PH调节剂，使粘土整体稳定在5.5-7.0之间，使交联体系稳定；3价铝离子由于失去外层电子，带有正电，容易与其他的电负性强的基团结合，形成R--Al--R结构，在PVA体系中，容易与聚乙烯醇中的羟基结合，形成-C-O-Al-O-C-的结构，使PVA链分子内以及分子间交联形成稳定三维网状结构。

现有的无硼超轻粘土的技术，主要采用添加无机物或黏度较大的有机物成分，来替代硼砂硼酸的交联作用，但是这类物理键的分子间力相对比较弱，导致产品比较黏手、松散，不容易成型。

采用铝离子交联的超轻粘土相对这类产品，由于铝离子参与化学交联，形成离子键，其键能较高，强度大，使交联效果较好，产品稳定不黏手，不松散。而且，由于铝离子为3价正离子，可以形成多个交联点，形成交联的机会多，效果快速且明显。

具体实施方式

实施例1：

一种无硼超轻粘土，按照质量百分比计，包括：聚乙烯醇8%，纯白木质纤维素3%，氯化铝2%，可膨胀微球15%，甘油3%，碳酸氢钠0.5%，水68.5%。

其中：聚乙烯醇分子量为150000，醇解度为88%。纯度为99.8%。

可膨胀微球为从快思瑞科技（上海）有限公司采购，型号为DE1501。

PH调节剂采用碳酸氢钠。

上述粘土的制备步骤：

S1.制备铝离子交联剂。按照质量百分比计，将3%氯化铝，加入到15%的经过杀菌的水溶解备用；

S2. 将53.5%经过杀菌的水、8%聚乙烯醇粉分别加入反应釜中，搅拌10分钟，使聚乙烯醇充分溶胀，再开始加热到90℃，边加热边搅拌，在90℃持续30分钟，关闭加热，静置冷却；

S3. 将冷却后的上述胶状物质，及S1制备的交联剂溶液、上述比例的纯白木质素、可膨胀微球、甘油、碳酸氢钠加入到捏合机中，搅拌10分钟，使物料充分混合均匀，即可得到无硼无毒的玩具超轻粘土。

得到的超轻粘土完全无硼，手感柔软舒适。取10g经过揉捏1分钟，手上完全不残留，不黏手。取5g揉成直径1cm圆柱形进行慢慢拉伸，其断裂伸长率达到2000%。

实施例2：

一种无硼超轻粘土，按照质量百分比计，包括：聚乙烯醇15%，纯白木质纤维素4%，偏铝酸钠1%，可膨胀微球5%，甘油3%，柠檬酸1%，水71%。

其中：聚乙烯醇分子量为150000，醇解度为88%。纯度为99.8%。

可膨胀微球为从快思瑞科技（上海）有限公司采购，型号为DE1501。

PH调节剂采用柠檬酸。

上述粘土的制备步骤：

S1.制备铝离子交联剂。按照质量百分比计，将1%偏铝酸钠，加入到15%的经过杀菌的水溶解备用；

S2. 将56%经过杀菌的水、15%聚乙烯醇粉分别加入反应釜中，搅拌10分钟，使聚乙烯醇充分溶胀，再开始加热到90℃，边加热边搅拌，在90℃持续30分钟，关闭加热，静置冷却；

S3. 将冷却后的上述胶状物质，及S1制备的交联剂溶液、上述比例的纯白木质素、可膨胀微球、甘油、柠檬酸加入到捏合机中，搅拌10分钟，使物料充分混合均匀，即可得到无硼无毒的玩具超轻粘土。

得到的超轻粘土完全无硼，手感柔软舒适。取10g经过揉捏1分钟，手上完全不残留，不黏手。取5g揉成直径1cm圆柱形进行慢慢拉伸，其断裂伸长率达到2200%。

实施例3：

一种无硼超轻粘土，按照质量百分比计，包括：聚乙烯醇12%，纯白木质纤维素8%，硫酸铝2%，可膨胀微球12%，甘油8%，磷酸二氢钠2%，水56%。

其中：聚乙烯醇分子量为150000，醇解度为88%。纯度为99.8%。

可膨胀微球为从快思瑞科技（上海）有限公司采购，型号为DE1501。

PH调节剂采用磷酸二氢钠。

上述粘土的制备步骤：

S1.制备铝离子交联剂。按照质量百分比计，将2%磷酸二氢钠，加入到15%的经过杀菌的水溶解备用；

S2. 将41%经过杀菌的水、12%聚乙烯醇粉分别加入反应釜中，搅拌10分钟，使聚乙烯醇充分溶胀，再开始加热到90℃，边加热边搅拌，在90℃持续30分钟，关闭加热，静置冷却；

S3. 将冷却后的上述胶状物质，及S1制备的交联剂溶液、上述比例的纯白木质素、可膨胀微球、甘油、磷酸二氢钠加入到捏合机中，搅拌10分钟，使物料充分混合均匀，即可得到无硼无毒的玩具超轻粘土。

得到的超轻粘土完全无硼，手感柔软舒适。取10g经过揉捏1分钟，手上完全不残留，不黏手。取5g揉成直径1cm圆柱形进行慢慢拉伸，其断裂伸长率达到2500%。

对比例1：

与现有专利CN108192249A一种针对儿童的玩具粘土进行对比，该玩具粘土由以下的组份构成：中空发泡微球9-11份、聚乙烯醇27-33份、水43 .2-52 .8份、山梨糖醇9-11份和色素 1 .8-2 .2份。

使用该方法得到的玩具粘土虽然不含硼，手感细腻，但是极软、黏手、很难洗干净、无法成型，取5g揉成直径1cm圆柱形进行慢慢拉伸，其断裂伸长率为50%，可玩性不佳。

Claims (8)

1.一种无硼超轻粘土，其特征在于，由以下质量百分比的原料制备而成：聚乙烯醇8-15%，木质纤维素3-10%，含铝离子的交联剂1-3%，可膨胀微球5-15%，甘油3-10%，PH调节剂0.5-1%，余量为水。

2.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述可膨胀微球为热塑性空心聚合物微球，由热塑性聚合物外壳包封挥发性膨胀剂液态烷烃气体内芯得到，平均直径在10-50µm之间。

3.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述甘油为医用甘油。

4.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述木质纤维素为纯白木质纤维素。

5.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述PH调节剂，为碳酸氢钠、柠檬酸和磷酸二氢钠中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述含铝离子的交联剂为含有铝离子、偏铝酸根离子的化合物，为氯化铝、硫酸铝、聚合氯化铝、柠檬酸铝、偏铝酸钠和偏铝酸钾中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的无硼超轻粘土，其特征在于，所述挥发性膨胀剂为异辛烷、异戊烷、新戊烷、正己烷、庚烷、石油醚等低分子量烃、四甲基硅烷、三甲基乙基硅烷、三甲基异丙基硅烷、三甲基- 正丙基硅烷中的一种或几种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的无硼超轻粘土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制备铝离子交联剂，按照质量百分比计，将一定百分比的含有铝离子、偏铝酸根离子的化合物，加入到15%的经过杀菌的水溶解备用；

S2. 将一定量经过杀菌的水、聚乙烯醇粉分别加入反应釜中，搅拌10分钟，使聚乙烯醇充分溶胀，再开始加热到90℃，边加热边搅拌，在90℃持续30分钟，关闭加热，静置冷却；

S3. 将冷却后的上述胶状物质，及S1制备的交联剂溶液、上述比例的木质纤维素、可膨胀微球、甘油、PH调节剂加入到捏合机中，搅拌10分钟，使物料充分混合均匀，即可得到无硼超轻粘土。