CN1559974A

CN1559974A - 插层改性高岭土的制备方法

Info

Publication number: CN1559974A
Application number: CNA2004100264379A
Authority: CN
Inventors: 刘雪宁; 杨治中; 韩世瑞; 胡南
Original assignee: Guangzhou Institute of Chemistry of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Chemistry of CAS
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: CN1246249C

Abstract

本发明涉及一种层插改性高岭土的制备方法。该方法是先将要插层改性的高岭土分散于插层剂溶液中形成均匀的悬浮浆液，然后进行超声处理，最后分离、洗涤、干燥、研磨得到产品，其中超声处理是所述悬浮浆液置于超声反应器中，以30～60℃的水为介质，将超声频率调整到15～40KHz，混频超声处理3～4个小时。是一种节省能源，有利环保的方法，而且层插效率高，所需时间短，在缓和的操作与环境条件下便可使层插率达到90％以上，具有效率高，而能耗低，效果好的特点，应用前景广阔。

Description

插层改性高岭土的制备方法

技术领域

本发明涉及一种层插改性高岭土制备方法。

技术背景

高岭土是一种重要的非金属矿产资源，它具有许多可贵的实用价值和工艺性能，如可塑性，粘结性，分散性，耐火性，绝缘性和化学稳定性等，因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、耐火材料及化工等部门不可缺少的矿物原料。我国已经探明高岭土的储量为14.32亿吨，主要集中在广东(3.09亿吨)，福建(1.11亿吨)，江西(0.77亿吨)，湖南(0.54亿吨)，江苏(0.37亿吨)，另外有煤系高岭土16.7亿吨，集中分布在内蒙古，山西，山东，安徽，辽宁和陕西等省区。但由于成矿过程和风化原因，我国目前开采加工的高岭土粘度低，白度不高，产品只能处于低价值状态，因此对高岭土改性与功能化，提高其附加价值，并开发以高岭土为基础的新型功能材料，是我国高岭土工业当前一项急需解决的任务。利用高岭土特殊的层状结构，对其进行有机化层插，是改性的一种重要方法。

高岭土的化学式为Al₄(Si₄O₁₀)(OH)₈，是一种1∶1型层状硅酸盐，每一个晶层单元由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体通过共同的氧互相连接而形成。高岭土层间不含可交换离子，而且晶层之间被氢键紧紧地连接在一起，客体分子的插层作用比较困难，只有少数极性的小分子如二甲基亚砜(DMSO)、甲酰胺(FA)、二甲基甲酰胺(DMF)等可以直接插入高岭土层间，其他有机分子则通过取代的方式与高岭土形成插层复合物。

二甲基亚砜(DMSO)被广泛用作制备高岭土有机层插复合物的前驱剂。传统上往往采用加压，加热，搅拌，浸泡等方法对高岭土进行层插，这样都需要很长的时间，而且层插率较低。J.J.Tunney等的方法，若层插率达到90％，需将高岭土在DMSO中浸泡至少2个月，或者在80℃下搅拌40小时。二次层插物多采用有机小分子，例如乙二醇，油酸，硬脂酸，丙稀酰胺等；传统采用方法也是加压，加热，搅拌，浸泡等方法，同样需要很长的时间。

高岭土的有机化主要用来改善高岭土和聚合物分子的亲和性和在高聚物中的均匀分散能力，赋予其某些特定的功能，提高其应用性能，用于塑料、橡胶填料，在造纸行业中提高其白度，而高岭土结构的层间可以插入许多种化合物，改变其层间距和性质，可以使高岭土的许多性质得到特殊的改善，因此有机化层插是高岭土深加工的一种新技术。

高岭土有机层插复合物具有许多特有的性质，例如阻隔性，绝缘性，耐高温性等，同时作为新型矿物材料，在催化剂，功能载体和吸附剂等方面具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的层插改性高岭土的制备方法，能够在较低温度下，较短时间的处理就能达到或超过传统方法的效果，具有高效、低耗的特点。

本发明提供的层插改性高岭土的制备方法是先将要插层改性的高岭土分散于插层剂溶液中形成均匀的悬浮浆液，然后进行超声处理，最后分离、洗涤、干燥、研磨得到产品，其中超声处理是所述悬浮浆液置于超声反应器中，以30～60℃的水为介质，将超声频率调整到15～40KHz，混频超声处理3～4个小时。

其中超声处理前可先调整超声频率为15～18.5KHz，先脱泡10～20分钟，使其工作处于稳定状态。

本发明提供的方法可用于高岭土的一次或二次插层改性处理。

高岭土一次插层改性时，一般插层剂为二甲基亚砜(DMSO)。

二次插层改性时，插层剂可以是现有技术通常采用的十六烷基溴化铵，油酸，硬脂酸，乙二醇，丙烯酰胺等，根据不同的需求采用不同的改性剂，例如油性体系多选用油酸，硬脂酸，丙稀酰胺，而水性体系多选用乙二醇，十六烷基溴化铵。

高岭土可以是干粉或含水率在35wt％以内的滤饼。

超声频率优选为30～40KHz。

一次层插改性高岭土的制备可按以下步骤操作：

1.将高岭土在室温～50℃下分散于2～4倍(重量比)的DMSO溶液中，捏合、搅拌使其分散为均匀悬浮浆液；

2.将经步骤1中的高岭土浆液置于超声反应器中，以30～60℃的水为介质，调整频率15～18.5KHz，功率根据实验量的大小可调，在此条件下先脱泡10～20分钟；

3.将经步骤2中的高岭土浆液继续在超声设备中，以15～40KHz混合频率，功率根据实验量的大小可调，超声处理3～4个小时；

4.将经步骤3得到的浆料离心，分离，以去离子水洗涤多次，除去表面过量物理吸附的DMSO；，真空干燥至衡重，并磨碎至200～300目，得到产品。

二次层插改性高岭土的制备可按以下步骤操作：

1.将一次插层改性过的高岭土分散于指定浓度所需二次层插试剂/溶剂配成的溶液中，搅拌均匀；

2.超声设备中注入30～60℃的水作为超声波传递介质，调整频率15～40KHz，功率根据实验量的大小可调，在此条件下先脱泡10分钟左右，使其工作处于稳定状态；

3.将步骤2中的分散好的高岭土置于超声设备中，超声3～4个小时；

4.将步骤3中得到的浆料离心，分离，以去离子水洗涤多次；

5.将步骤4中得到的滤饼经真空干燥至衡重，并磨碎至200～300目，得到产品。

该产品为白色粉末状，其中杂质钙、钠、钾、镁、铁等元素的含量都大幅度降低，锰、磷检测不到，因此也解决了高岭土工业中除铁、除锰难的技术问题。得到的产品因改性物的不同而颜色略有不同，粒径的分布更集中也更小，同时因表面极性的不同可适用于不同的高分子体系。选用了不同极性和分子链长短的小分子作为二次层插物来取代DMSO，这种不同的二次层插物可以部分取代二甲基亚砜进入高岭土的层间，在调控高岭土层间距的同时，对其表面实施表面荷电性、亲/疏水性及活性的改性，使粘土矿物的表面酸性，极性，及流变性发生改变，能更好的分散于不同的高聚物中，达到改善高聚物物理机械性能的目的。同时，它具有的多变功能团和反应活性，作为新型矿物材料，在催化剂、功能载体和吸附性等方面具有广阔的应用前景。

本发明所采用的超声设备，是根据实际需要与生产厂家联合研制的适合实验条件的特殊功率与频率的大型装置，频率在15～40KHz，功率250W～4.8KW可调，每次的处理量可达到几十公斤。而且这种设备具有相位差聚焦、单频与混频的功能，可以根据不同的实验需求进行调节。

本发明采用超声化学法对高岭土进行层插和有机化处理。超声作为一种特殊的能量作用形式，与热能，光能和离子辐射能有显著的区别，其在作用时间、压力及每个分子可获取的能量等方面与传统能源不同。同时在特定的超声条件，特别是“空化”(cavitation)条件下，可提供局部超高温，超高压，超高温度与压力降梯度的特殊反应条件和“活性种”。超声作用于化学反应，不仅来源于分子间的相互作用，更主要的是来源于超声空化现象。不同频率，功率的超声产生的能量，局部高温，高压及空化作用，可以起到清洗结构单元层间杂质及提供层插能量的作用，是一种节省能源，有利环保的方法，而且层插效率高，所需时间短，在缓和的操作与环境条件下只需3～4个小时，便可使层插率达到90％以上，具有效率高，而能耗低，效果好的特点，应用前景广阔。

本发明提供了一种新型，高效的高岭土层插改性方法。该方法采用二甲基亚砜(DMSO)作为前驱剂，具有设定亲油/亲水比和空间尺寸的有机物和单体作为二次层插、改性剂，在选定波长、功率聚焦/谐振的超声波能量作用和诱导的物理化学作用下，制备了层插率达到90％以上的超微细、有机化改性粉体。此种方法解决了以前高岭土改性时间长，能耗高的难题，改性时间是传统浸泡方法的1/360，搅拌方法的1/10，且不需要高温和压力条件，反应不需要高温高压，只要常压、30～50℃左右即可实现，大大减少了能耗。本发明可使改性后的高岭土粒径分布更小、形态更为均匀、更有利于有机物的二次层插与改性。而不同的二次层插物则赋予高岭土不同的表面特性和物理化学活性，使之能很好的分散于不同结构、极性的高聚物基材中，并形成强界面结合。平均粒径可由原来的4.5μm减小到2μm左右，同时粒径分布的宽度变窄，小于0.6μm粒径的粒子含量增多。

具体实施方式

实施例1

取20g高岭土在捏合、分散机中均匀分散于50g的DMSO中，得到稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声反应器中，先脱泡15分钟，在35KHz，功率4.5KW混频的条件下超声处理4小时，将得到的产物离心分离，并以去离子水洗涤多次后，真空60℃干燥至衡重，粉碎即得白色粉末产品。测得其层间距由原来的0.724874nm扩大到1.126742nm，同时结合DTA的曲线分析，得到高岭土的层间DMSO含量约为5％(重量比)。同时粒径由原来的4.5μm减小到3μm，而且分布变窄。

实施例2

取DMSO改性的高岭土，分散于乙二醇/甲苯溶剂中，搅拌均匀成稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声仪器中，先脱泡10分钟，在20KHz，功率4.5KW混频的状态下超声处理4小时，将得到的产物离心分离，并以去离子水洗涤多次后，真空70℃干燥至衡重，粉碎即得白色粉末产品。测的其层间距为1.136023nm，同时粒径由原来的3μm减小到2μm左右，而且分布变窄。

实施例3

取DMSO改性的高岭土，分散于十六烷基溴化铵/甲苯溶剂中，搅拌均匀成稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声仪器中，在35KHz，功率4.5KW混频的状态下超声处理4小时，将得到的产物离心分离，并以去离子水洗涤多次后，真空60℃干燥至衡重，粉碎即得白色粉末产品。测的其层间距为1.126523nm，在高层间距位置4.012562nm也有少量插入，但粒径分布没有改善。

实施例4

取DMSO改性的高岭土，分散于油酸/苯溶剂中，搅拌均匀成稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声仪器中，先脱泡15分钟，在40KHz，功率3.0KW混频的状态下超声处理4小时，将得到的产物离心分离，并以去离子水洗涤多次后，真空60℃干燥至衡重，粉碎即得淡黄色粉末产品。测的其层间距为1.124503nm，粒径分布没有改善。

实施例5

取DMSO改性的高岭土，分散于硬脂酸/甲苯溶剂中，搅拌均匀成稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声仪器中，在30KHz，功率4.0KW混频的状态下超声处理4小时，将得到的产物离心分离，并以去离子水洗涤多次后，真空60℃干燥至衡重，粉碎即得淡黄色粉末产品。测的其层间距为1.201803nm，粒径分布没有改善。

实施例6

取DMSO改性的高岭土，分散于丙烯酰胺的水溶液中，搅拌均匀成稳定悬浮液后置于50℃的恒温水的超声仪器中，先脱泡15分钟，在35KHz，功率3.5KW混频的状态下超声处理4小时，并以去离子水洗涤多次后，真空80℃干燥至衡重，粉碎即得白色粉末产品。测的其层间距为1.138562nm，粒径分布没有改善。

Claims

1、一种层插改性高岭土的制备方法，是先将要插层改性的高岭土分散于插层剂溶液中形成均匀的悬浮浆液，然后进行超声处理，最后分离、洗涤、干燥、研磨得到产品，其中超声处理是所述悬浮浆液置于超声反应器中，以30～60℃的水为介质，将超声频率调整到15～40KHz，混频超声处理3～4个小时。

2、权利要求1的方法，其中超声处理前先调整超声频率为15～18.5KHz，先脱泡10～20分钟，使其工作处于稳定状态。

3、权利要求1或2的方法，用于高岭土的一次或二次插层改性处理。

4、权利要求3的方法，其中高岭土一次插层改性时，插层剂为二甲基亚砜。

5、权利要求3的方法，其中高岭土二次插层改性时，插层剂选自十六烷基溴化铵，油酸，硬脂酸，乙二醇，丙烯酰胺。

6、权利要求5的方法，其中高岭土二次插层改性时，对油性体系，插层剂选自油酸，硬脂酸，丙稀酰胺；对水性体系插层剂选自乙二醇，十六烷基溴化铵。

7、权利要求1或2的方法，其中高岭土是干粉或含水率在35wt％以内的滤饼。

8、权利要求1或2的方法，其中超声频率为30～40KHz。