CN101049942A - 一种蛭石水溶胶及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能在复合材料中均匀分散，可直接涂覆于各类材料表面，对材料形成有效保护的蛭石水溶胶及其制备方法和应用，蛭石水溶胶包括：蛭石颗粒，分散剂，水。蛭石水溶胶的制备方法包括：蛭石的研磨初选，加入分散剂后再进行研磨、微射流均质分散，制得水溶胶；本发明所得的蛭石水溶胶主要应用于：防火隔热材料，蔬菜水果的保鲜包装材料，印染废水、含重金属废水等废水的处理。

Description

一种蛭石水溶胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种水溶胶及其制备方法和应用，具体涉及一种灼烧时能急剧膨胀层解的云母矿物-蛭石水溶胶及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，国外许多国家对如何利用高效材料生产薄层膨胀防火隔热涂料进行了大量研究。研制薄层涂料之所以迫切，是因为它不会给结构增重，同时又能保证机械化生产出的材料具有高效的耐火性。上述这种涂料应具备导热系数小、隔热良好的特点，并且在化学物质的分解、脱水、产生惰性气体使材料表面含氧量减少、升华和幅射等情况下仍能显示出其防护特性。水化云母矿——蛭石即能满足上述大部分的要求。蛭石的熔点高达1370～1400℃，具有极好的耐高温性能。在高温作用蛭石能够发生膨胀，高温加热膨胀后的蛭石具有密度低的特点。由于蛭石层片间有空气间隔层、蛭石片层对辐射热具有良好的反射作用等，因此膨胀蛭石具有良好的隔热效果。

隔热性能是蛭石的一大优良性能，剥分蛭石在这方面的表现尤为突出。由剥分蛭石制备的蛭石保温、隔热板对人类健康绝对无害，它能对房屋进行隔热、隔音、保温，在受热时不放出任何气体，也不会老化。它可以用在以下诸多方面：如需耐高温的公共和生产用房的装饰；公共和生产设施的消防用防护板；同其它材料混合制成复合材料，如耐火隔板、门隔板、防火天花板；用作钢塔、钢结构保护套等。

蛭石涂层玻纤织物是用蛭石片状晶体制成的金色溶液(水基悬浮液)涂覆玻璃纤维织物而制成。蛭石涂覆织物后就像在玻璃纤维表面覆盖了一层铠甲，使玻璃纤维防护能力提高50％。蛭石的化学分散体提高了玻璃纤维的耐火耐温性，能更好地承受火焰直接辐射出来的热，不燃、不发烟，在815℃下保持稳定，并保持良好的柔曲性，导热系数低，提高蛭石/玻璃纤维织物的隔热性能。由蛭石在纤维表面形成保护膜，可减少纤维之间的相互磨蚀，提高制品耐磨性。除此之外，蛭石涂层玻纤织物还具有强度重量比高、耐大多数化学品等特性。由于这些优点，蛭石涂层玻璃纤维常可用作石英纤维和陶瓷纤维的经济型代用材料。

在炎热季节产出的水果、蔬菜等在成熟季节极易腐烂变质，例如油李，果实成熟于酷热的夏季高温季节，果皮薄，果肉多汁，贮藏寿命很短。如果保管不善，往往会因失鲜、腐烂等造成巨大损失。至今在贮运保管过程中使用的包装材料，仍然是木箱、纸板箱、瓦棱纸箱，筐、袋等，或再加以衬纸，或再加植物叶子或杂草等。因为这些材料只能保护苹果免受物理损伤，没有防腐保鲜作用，所以不能满足市场要求。为减少损失，开发保鲜包装材料成为必须。

保鲜包装材料是在普通包装材料的基础上加入保鲜剂或经特殊加工处理，赋予保鲜机能的包装材料。目前已经开发出来的保鲜包装材料有保鲜包装纸、保鲜箱、保鲜袋、保鲜薄片简易保冷容器等。保鲜纸是将长效防腐剂、触媒型乙烯脱除剂充填到造纸原料中或者侵涂在造好的纸上，使其具有保鲜性能。保鲜箱和保鲜纸的原理相同，可将箱体的全部或者一部分进行保鲜处理，亦可将保鲜纸贴在箱体内侧而得到。保鲜袋有硅橡胶窗气调袋，防结露薄膜袋，微孔薄膜袋和混入抗菌剂、乙烯脱涂剂、脱氧剂、脱臭剂等制成的塑料薄膜袋。保鲜包装材料由于具有许多优点，是深受用户欢迎的大有发展前途的包装材料，近年来被广泛用于果蔬的贮藏保鲜。

利用对环境和食用物品无害的包装材料对其进行包装将大大提高其好果率，且其失重率大大降低，同时可以有效地保持其果实原有的颜色、硬度、品质和风味，延长其贮藏和存放的时间。膨胀后的蛭石片具有优良的隔热性能，且直接接触果实表面对人体不会造成任何的危害，蛭石在保鲜包装材料的应用中大有施展的余地。

用海泡石、硅藻土等来处理重金属废水或印染废水的技术已有报道，而蛭石用于废水处理的报道相对较少。重金属废水中含有大量的重金属离子，如Cd、Cu、Fe、Pb、Ni等，这些重金属离子对人体会产生长期的危害。利用价廉和有效的吸附剂对污水进行处理是环保的一项重要内容。膨胀后的蛭石与海泡石、硅藻土、凹凸棒石相比较，具有质量轻、比表面积大、吸附容量大等优点，比蛭石原矿具有更大的比表面积，因此以膨胀蛭石作为吸附剂来脱除生活用水中的重金属及污水中的重金属离子将很有效。蛭石是2∶1型结构的层状铝硅酸盐矿物，其结构中的层电荷为0.6-0.9，比蒙皂石(0.2-0.6)要高，比云母低，且层电荷主要由四面体层中Al代替Si产生的剩余负电荷引起的，部分来源于八面体片的三价铁引起的剩余正电荷，两者抵消后的净负电荷即为层电荷数。蛭石具有高层电荷的特点，因此其不带电的硅氧面面积少，这是其缺点。但也正是其层电荷高，它可以通过离子交换吸附更多的重金属阳离子。

目前，国内将蛭石用于食品保存、废水处理、隔音隔热等方面，主要直接利用固体有机膨胀蛭石、剥分蛭石，这大大局限了蛭石的应用范围；而将固体有机膨胀蛭石/剥分蛭石同其它材料混合制成复合材料，很难保证蛭石在复合材料中的均匀分散，对材料自身的物理机械性能有一定负面影响。

近年来，我国生产蛭石涂覆玻璃纤维制品时，通常利用物理机械方法将蛭石粉碎到一定的细度后，加入少量合成树脂，混合制成蛭石悬浮液，这种悬浮液不稳定，静置后易分层，在涂覆前需再次搅拌才能使用。以这种方式制备的悬浮液，其中的蛭石呈颗粒状或近似球型颗粒，涂覆于玻璃纤维后，成膜性较差，因而对玻璃纤维织物不能充分地形成有效保护。此外由于使用了合成树脂作为成膜剂，在一定程度上影响了这种涂层制品的耐温性能。

本发明将蛭石通过化学膨胀结合物理剥分的方法制备成水溶胶，蛭石分散性大大提高，比表面积增加，并且溶胶体系中蛭石成片层状结构。蛭石水溶胶可以直接涂覆于各类材料表面，对材料形成有效保护，克服了固体有机膨胀蛭石、剥分蛭石、蛭石悬浮液等体系的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是克服了固体有机膨胀蛭石、剥分蛭石、蛭石悬浮液等体系在复合材料中不能均匀分散的缺点，提供了一种能在复合材料中均匀分散，可直接涂覆于各类材料表面，对材料形成有效保护的蛭石水溶胶；本发明所要解决的技术问题之二是提供了蛭石水溶胶的制备方法；该方法工艺简单，成本低。本发明所要解决的技术问题之三是提供了蛭石水溶胶的用途。

本发明将蛭石类矿物直接或通过有机插层的方法进行插层膨胀改性的蛭石通过物理方法制成亚微米级或纳米级的细小片状颗粒，然后选择合适的分散剂制成水溶胶。

本发明的蛭石水溶胶包括：

1.粒径在60-100nm的蛭石，优选60-80nm；

2.阳离子、阴离子和非离子分散剂；

3.水。

分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％，最好是20％-100％；

本发明的蛭石水溶胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)蛭石的初选：用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机等粉碎设备对蛭石原矿进行研磨，选取粒径小于1000um最好是小于10um的部分，自然干燥。

(2)蛭石水溶胶制备：在阳离子分散剂、非离子分散剂或阴离子分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％，最好是20％-100％)和水存在的条件下，将干燥的第(1)步制备的蛭石再用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机或高压微射均质设备进行二次粉碎，将蛭石粉碎成亚微米级或纳米级的细小颗粒，制成蛭石水溶胶。

本发明的蛭石水溶胶的第二种制备方法，包括如下步骤：

(1)蛭石的初选：用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机对蛭石原矿进行研磨，选取粒径小于1000um最好是小于10um的部分，自然干燥。

(2)蛭石的有机插层改性：选用碳链长度为4-44的烷基季铵盐化合物，最好是碳链长度为4-16的烷基季铵盐化合物，在1-100倍，最好是1-8倍的CEC用量(阳离子交换用量)和0℃-100℃最好是50℃-80℃下，对第①步制备的蛭石进行有机膨胀改性，干燥。

(3)蛭石水溶胶制备：将选用的阳离子、阴离子、非离子分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％，最好是20％-100％)加入经第②步阳离子插层改性的蛭石中，再用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机或高压微射流均质设备将阳离子插层改性蛭石粉碎，制成亚微米级或纳米级的细小颗粒，得到分散稳定的蛭石水溶胶。

本发明的蛭石水溶胶的第三种制备方法，包括如下步骤：

(1)蛭石的初选：用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机对蛭石原矿进行研磨，选取粒径小于1000um最好是小于10um的部分，自然干燥。

(2)蛭石的双氧水膨胀改性：选用浓度0.1％-50％最好20％-40％的双氧水，在1-100倍最好是2-10倍的用量和0℃-100℃最好是20℃-40℃下，对第(1)步制备的蛭石进行剥分改性，干燥。

(3)蛭石水溶胶制备：将选用的阳离子、阴离子、非离子分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％，最好是20％-100％)加入经第②步双氧水膨胀改性的蛭石中，再用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机或高压微射流均质设备将阳离子插层改性蛭石粉碎，制成亚微米级或纳米级的细小颗粒，得到分散稳定的蛭石水溶胶。

本发明的蛭石水溶胶的第四种制备方法，包括如下步骤：

(1)蛭石的初选：用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机对蛭石原矿进行研磨，选取粒径小于1000um最好是小于10um的部分，自然干燥。

(2)蛭石的双氧水膨胀改性：选用浓度5-50％最好是20-40％的双氧水，在1-100倍最好是2-10倍的用量和0℃-100℃最好是20℃-40℃下，对第①步制备的蛭石进行剥分改性，干燥。

(3)蛭石的有机插层改性：选用碳链长度为4-44的烷基季铵盐化合物，最好是碳链长度为4-16的烷基季铵盐化合物，在1-100倍最好是1-8倍的CEC用量(阳离子交换用量)和0℃-100℃最好是50℃-80℃下，对第①步制备的蛭石进行有机膨胀改性，干燥。

(4)蛭石水溶胶制备：将选用的阳离子、阴离子、非离子分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％，最好是20％-100％)加入经第③步改性的蛭石中，再用砂磨机、篮式研磨机、磨粉机、球磨机、棒磨机和高压微射流均质设备将阳离子插层改性蛭石粉碎，制成亚微米级或纳米级的细小颗粒，得到分散稳定的蛭石水溶胶。

本发明的蛭石水溶胶应用：包括如下：

1.防火隔热材料，用于钢构材料的防火隔热涂料、有机/无机材料的耐火隔热功能整理、高温设施的保温材料等；

2.蔬菜水果的保鲜包装材料；

3.印染废水、含重金属废水等废水的处理。

利用蛭石水溶胶对各类材料进行包覆改性，蛭石只集中在各类材料表面，对各类材料的物理机械性能影响较小，给结构增重较少，同时又能保证生产出的材料具有蛭石所具有的防火、隔热、隔音、保温、强吸附等特点。

由于蛭石水溶胶在水中具有良好的分散性，用于废水处理时，蛭石在废水中分散性能好，可充分发挥蛭石的作用。

附图说明

图1蛭石水溶胶制备方法一流程图

图2蛭石水溶胶制备方法二流程图

图3蛭石水溶胶制备方法三流程图

图4蛭石水溶胶制备方法四流程图

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

                         实施例一

1.用直径为2mm的氧化锆球在砂磨机中对蛭石原矿5g进行砂磨，时间6小时，用空气过滤器筛选得到粒径小于10um的蛭石颗粒。

2.在筛选的蛭石中加入分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的100％)后，用直径为1mm的氧化锆球在砂磨机中对筛选的蛭石进行砂磨，时间6小时，再用高压微射流均质设备对砂磨后的蛭石处理10次，得到蛭石粒径在60-100nm之间的水溶胶。

                         实施例二

1.用直径为2mm的氧化锆球在砂磨机中对蛭石原矿5g进行砂磨，时间6小时，用空气过滤器筛选得到粒径小于10um的蛭石颗粒。

2.在三颈瓶中加入200ml的二次蒸馏水，将筛选后的蛭石投入二次蒸馏水中，加入6倍CEC量(阳离子交换容量)的烷基季铵盐化合物(如十六烷基三甲基溴化铵，四甲基溴化铵，双十八烷基二甲基氯化铵)，在80℃下搅拌反应8小时，得到有机膨胀蛭石。

3.将有机膨胀蛭石反复洗涤，直到无Br^-、Cl^-存在(用AgNO₃进行检测)。

4.在有机膨胀蛭石中加入分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的100％)后，用直径为1mm的氧化锆球在砂磨机中对筛选的蛭石进行砂磨，时间6小时，再用高压微射流均质设备对砂磨后的蛭石处理10次，得到蛭石粒径在60-100nm之间的水溶胶。

                          实施例三

1.用直径为2mm的氧化锆球在砂磨机中对蛭石原矿进行砂磨，时间6小时，用空气过滤器筛选得到粒径小于10um的蛭石颗粒。

2.选用浓度30％的双氧水，在10倍用量和25℃下，对筛选的蛭石进行剥分改性，时间为24小时。

3.在剥分改性蛭石中加入分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的100％)后，用直径为1mm的氧化锆球在砂磨机中对筛选的蛭石进行砂磨，时间6小时，再用高压微射流均质设备对砂磨后的蛭石处理10次，得到蛭石粒径在60-100nm之间的水溶胶。

                         实施例四

1.用直径为2mm的氧化锆球在砂磨机中对蛭石原矿进行砂磨，时间6小时，用空气过滤器筛选得到粒径小于10um的蛭石颗粒。

2.选用浓度30％的双氧水，在10倍用量和25℃下，对筛选的蛭石进行剥分改性，时间为24小时。

3.在三颈瓶中加入200ml的二次蒸馏水，将剥分改性后的蛭石投入二次蒸馏水中，加入6倍CEC量(阳离子交换容量)的烷基季铵盐化合物(如十六烷基三甲基溴化铵，四甲基溴化铵，双十八烷基二甲基氯化铵)，在80℃下搅拌反应8小时，得到二次改性的蛭石。

4.在二次改性蛭石中加入分散剂(分散剂的用量占蛭石用量的100％)后，用直径为1mm的氧化锆球在砂磨机中对改性蛭石进行砂磨，时间6小时，再用高压微射流均质设备对砂磨后的蛭石处理10次，得到蛭石粒径在60-100nm之间的水溶胶。

Claims (12)

1.一种蛭石水溶胶，包括：粒径60-100nm的蛭石，分散剂，水。

2.如权利要求1所述的一种蛭石水溶胶，其特征在于：蛭石粒径为60-80nm，分散剂为阳离子、阴离子和非离子。

3.一种蛭石水溶胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)蛭石的初选：粉碎设备对蛭石原矿进行研磨，选取粒径小于1000um的部分，自然干燥。

(2)在分散剂和水存在的条件下，将上述蛭石进行二次粉碎，微射流均质分散，将蛭石粉碎成细小颗粒，制成蛭石水溶胶。

4.如权利要求3所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石初选，干燥后，进行蛭石的有机插层改性：用碳链长度为4-44的烷基季铵盐化合物，在1-100倍的阳离子交换用量和0℃-100℃，对初选干燥后的蛭石进行有机膨胀改性，干燥；再制备蛭石水溶胶。

5.如权利要求3所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石初选，干燥后，进行蛭石的双氧水膨胀改性：用浓度0.1％-50％双氧水，在1-100倍用量和0℃-100℃，对初选干燥后的蛭石进行剥分改性，干燥；再制备蛭石水溶胶。

6.如权利要求3所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石初选，干燥后，进行蛭石的双氧水膨胀改性：用浓度0.1％-50％双氧水，在1-100倍用量和0℃-100℃，对初选干燥后的蛭石进行剥分改性，干燥；再进行蛭石的有机插层改性：用碳链长度为4-44的烷基季铵盐化合物，在1-100倍的阳离子交换用量和0℃-100℃，对经双氧水膨胀改性的蛭石进行有机膨胀改性，干燥；再制备蛭石水溶胶。

7.如权利要求3-6所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石粒径取小于10um的部分。

8.如权利要求3-6所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的分散剂的用量占蛭石用量的0.1％-300％。

9.如权利要求3-6所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的分散剂的用量占蛭石用量的20％-100％。

10.如权利要求4或6所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石有机插层改性中，烷基季铵盐化合物的碳链长度为4-16，阳离子交换用量为1-8倍，温度为50℃-80℃。

11.如权利要求5或6所述的一种蛭石水溶胶制备方法，其特征在于：所述的蛭石的双氧水膨胀改性中，双氧水浓度为20％-40％，用量为2-10倍，温度为20℃-40℃。

12.一种蛭石水溶胶的应用，用于防火隔热材料、蔬菜水果的保鲜包装材料、和废水处理。

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