CN102321396A - 高性能环保型pal阻燃材料解聚提纯工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阻燃材料技术领域，尤其是涉及一种高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺。它解决了现有不够合理等技术问题。本工艺包括下述步骤：A、解聚；B、提纯。与现有的技术相比，本高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺的优点在于：充分发挥了高速水介质与物质的水化作用而产生的水化膨胀力和层间阳离子充分水化形成的扩散双电层排斥力的动力作用，促进解体分散，与杂质分离而实现提纯(介质水可循环利用)，避免了传统药剂浮选引入化学杂质和污染环境的危害，创制出高纯、微纳米PAL材料粉体，为制造高性能、环保阻燃材料提供了材料基础。

Description

高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺

技术领域

本发明涉及阻燃材料技术领域，尤其是涉及一种高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺。

背景技术

阻燃对于人类的健康和安全、社会经济的发展事关重大，其重要意义不言而喻。在建筑、化工、军事及交通等领域的自身消防需求和具易燃性高分子材料的领域，阻燃材料在降低火灾危险性方面的比例高达70％以上。实践证明，阻燃材料在减少火灾人员伤亡，避免重大经济损失和保护生态环境方面，都发挥着重大作用，因而，阻燃剂及阻燃材料的研究、生产和应用，对于社会经济发展“人类和环境”的意义重大。目前，常见的阻燃剂主要有卤系阻燃剂、硅系阻燃剂、磷系阻燃剂、三嗪系阻燃剂和无机阻燃剂。我国以溴系、氯系等含卤阻燃剂为主，虽然含卤阻燃材料具有良好的阻燃效果，但是一般含卤阻燃材料发生火灾时会释放出大量烟雾和有毒、有害腐蚀性气体，对人员和精密仪器带来极大损害。随着全球环境法规的严格，我国对阻燃技术要求力度的加强，人们对防火安全及制品的阻燃要求越来越高，无卤、低烟、低毒、高性能环保型阻燃剂已成为社会经济发展与环境和谐追求的目标。

PAL材料是性能优异的绿色阻燃助剂，具有干扰支持燃烧要素的可插层、剥离层、链阻燃结构功能，以及含多种阻燃元素(Si、P、S、B)与抑烟元素(Mo、Fe、Mg、Zn、Cn)。PAL材料的结构构造为层、链、纤维状晶体结构和纳米级孔穴通道的构造。其为单斜晶系，晶体结构属2：1型非金属矿物，即两层硅氧四面体夹一层镁(铝)八面体，其四面体与八面体的排列方式为层状结构。在每个2：1层中，四面体边角顶隔一定距离方向颠倒，形成层、链状结合特征。在四面体条带间形成与链平行，贯穿骨架的通道，通道截面约为0.37nm×0.63nm，通道为水分子填充，为平行于纤维的沸石水(H2O)和与镁离子配位的结晶水(OH2)，具有表面吸附水(H2O)和与八面体阳离子配位的结构水(OH)。其晶体结构为针状，由细长中空管组成。PAL材料表面微形貌表现结构表面的不平坦起伏，尤其解理面极为粗糙，有1-2nm的台阶出现，呈现扭曲和螺旋的复杂微形貌。平行纤维隧道孔隙占纤维体积的1/2以上，内外比表面积可观，孔道效应显著。PAL材料层之间以分子键结合，即使有K+、Na+，K-O，Na-O键的结合力也远小于Si-O或Mg-O的键合力，水分子、金属原子、有机分子可进入层间，使层间距离(层间域)有可变性。PAL材料所具有独特的层、链状晶体结构，赋予了PAL材料独特的性能。

天然纳米矿物通常相互吸附或镶嵌，呈聚合体状态产出，还混有不同数量杂质，从而使矿物材料纳米效应无法发挥。而且，目前大多使用的无机阻燃颗料一般为微米级，阻燃填充量大，阻燃效率不高，所引起的工艺及产品性能的问题都比较严重。其机制性原因在于微米材料无法实现纳米微粒在聚合物基体中形成纳米复合材料的结构与形态，而直接影响着复合材料的阻燃、增强力学特性等整体性能。更重要的是影响着与聚合物基体的相容性，和在聚合物基体中的分散性。目前通常使用采用化学浮选剂(药剂)或以非水溶液为介质实现分散。以上任何方式，均引入了化学品，给产品(原料)带入新的杂质，对环境造成新的污染，需采取处置技术工艺和增加投入。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种能够拆散高纯PAL材料之间的聚合，使之形成分散的纳米或亚微米单体，且不会造成环境污染的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺，其特征在于，本工艺包括下述步骤：

A、解聚：采用靶板式液流粉碎机进行解聚分散，即以高速液流为介质携带高纯PAL材料，与设置的固定靶板相撞，物料与靶板在高速碰撞、撞击中，液流的高速功能最终转变为物料的破碎能，使物料破碎；

B、提纯：采用螺旋推进离心机实现纯化，即在螺旋离心机螺杆高速推进过程中，利用物料颗粒大小的重力作用，螺旋将不同粒径的物料进行分离，控制解聚分散的浆体浓度，前端可获得从＜100nm-10μm的不同粒径的微细颗粒。

PAL材料原料中混生有绿泥石、伊利石、长石和碳酸盐等杂质，在基体中充分相容和均匀分散也需要一定纯度和微纳米级的PAL材料，因此需要通过解聚而分散、经与杂质分离而纯化的技术工艺制备高纯PAL材料。此外，PAL材料虽然是天然非金属纳米矿物，有着纳米微粒物质特征，但由于其存在着层间距离(层间域)，微粒特征和层间域结构，易呈聚合体，因而需要通过解聚，并使其在介质中充分解离与高度分散，才能实现聚合物基体中的相容性好、分散性高，从而增强其阻燃、力学特性等整体性能。因此，纯化与解聚技术和工艺的稳定化稳定化，流程的优化是保证层状纳米PAL阻燃材料阻燃性能和实现产业化的最基础、最重要的技术工艺。

微纳米粉体制备技术较先进的是高速流能法，其分为气流和液流两种形式。就高速流能法而言，液流粉碎具有比气流粉碎更高的细度，对于气流粉碎力场很难实现的微纳米的某些物质，以液流动力为粉碎力场时，则有可能实现微纳米化。另外，以液流动力为粉碎力场的过程中，可以避免静电、火花及局部的温度过高，因而粉碎过程相对安全。流体介质对物料具有很好的浸润作用，能大幅降低颗粒的表面能，减小断裂所需的应力；而从颗粒断裂的过程来看，依据裂纹扩展条件，流体介质分子吸附在新生表面，可以减小裂纹扩展所需的外应力，促进裂纹的扩展，并防止新生裂纹的重新闭合。若为水介质，物质与水的水化(吸水膨胀)作用，使物质颗粒体积膨胀、硬度降低，降低解聚分散所需冲击力，颗粒纳米层间阳离子水化脱离形成扩散双电层而强化解聚分散，实现与杂质的分离而得到提纯。药剂的加入，产生泡沫，破环了水化作用和阳离子扩散双电层，因此，除引入杂质和损伤环境外，反而阻遏了物质颗粒的解聚、降低分散效果，使分离提纯的目的难以实现。本发明充分利用PAL材料在水介质中高度分散的禀赋性特点，采用水为流体介质、无药剂添加，整合流程合理性、无二次污染和资源循环经济性特征于一体，制备得到高纯PAL材料。

PAL材料的原料为海相(半封闭咸湖)沉积的天然非金属硅酸盐类矿物，是极性物质，遇水会发生水化膨胀作用，进入水中后形成扩散双电层，进一步膨胀，使矿物体积增大8-20倍。水化作用削弱与破坏了颗粒间的联结，使颗粒沿着已有的结合薄弱部分(如未开裂的层理、片理、壁理、矿物颗粒的集合面以及矿物解离面等)，形成新的裂隙，使颗粒破碎，降低颗粒的力学强度，为进一步的液流粉碎降低了能耗。

基于水动力学原理的无药剂的高速液流法制备高纯、微细PAL材料粉体的技术工艺，由于高速液流与物料的水化作用产生的水化膨胀与双电排斥的解聚力，使物料高度分散，完成微细化。利用与杂质的重力不同，通过螺旋离心装置实现与杂质分离而纯化。本发明工艺过程无废气、废水排放，废渣可加工为农用硅肥和高分子材料补强剂白炭黑，实现了“对环境友好”、资源利用率几近100％的“资源节约”。

本发明应用基于水动力学原理的无药剂高速液流法技术和解聚分散与提纯分离工艺，充分发挥了高速水介质与物质的水化作用而产生的水化膨胀力，和层间阳离子充分水化形成的扩散双电层排斥力的动力作用，促进解体分散，与杂质分离而实现提纯(介质水可循环利用)，避免了传统药剂浮选引入化学杂质和污染环境的危害，创制出高纯、微纳米PAL材料粉体，为制造高性能、环保阻燃材料提供了材料基础。

在上述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺中，在上述的步骤A中，解聚分散后的浆体浓度为15％-20％。

在上述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺中，在上述的步骤B中，螺旋离心机的转速控制在1500r/min-2500r/min。

在上述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺中，所述的高纯PAL材料中的PAL材料含量为90％-98％。

与现有的技术相比，本高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺的优点在于：充分发挥了高速水介质与物质的水化作用而产生的水化膨胀力和层间阳离子充分水化形成的扩散双电层排斥力的动力作用，促进解体分散，与杂质分离而实现提纯(介质水可循环利用)，避免了传统药剂浮选引入化学杂质和污染环境的危害，创制出高纯、微纳米PAL材料粉体，为制造高性能、环保阻燃材料提供了材料基础。

具体实施方式

本高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺包括下述步骤：

A、解聚：采用靶板式液流粉碎机进行解聚分散，即以高速液流为介质携带高纯PAL材料，与设置的固定靶板相撞，物料与靶板在高速碰撞、撞击中，液流的高速功能最终转变为物料的破碎能，使物料破碎。解聚分散后的浆体浓度为15％-20％。所述的高纯PAL材料中的PAL材料含量为90％-98％。

B、提纯：采用螺旋推进离心机实现纯化，即在螺旋离心机螺杆高速推进过程中，利用物料颗粒大小的重力作用，螺旋将不同粒径的物料进行分离，控制解聚分散的浆体浓度，获得小于100nm-10μm的不同粒径的微细颗粒。螺旋离心机的转速控制在1500r/min-2500r/min。

PAL材料原料中混生有绿泥石、伊利石、长石和碳酸盐等杂质，在基体中充分相容和均匀分散也需要一定纯度和微纳米级的PAL材料，因此需要通过解聚而分散、经与杂质分离而纯化的技术工艺制备高纯PAL材料。此外，PAL材料虽然是天然非金属纳米矿物，有着纳米微粒物质特征，但由于其存在着层间距离(层间域)，微粒特征和层间域结构，易呈聚合体，因而需要通过解聚，并使其在介质中充分解离与高度分散，才能实现聚合物基体中的相容性好、分散性高，从而增强其阻燃、力学特性等整体性能。因此，纯化与解聚技术和工艺的稳定化稳定化，流程的优化是保证层状纳米PAL阻燃材料阻燃性能和实现产业化的最基础、最重要的技术工艺。

微纳米粉体制备技术较先进的是高速流能法，其分为气流和液流两种形式。就高速流能法而言，液流粉碎具有比气流粉碎更高的细度，对于气流粉碎力场很难实现的微纳米的某些物质，以液流动力为粉碎力场时，则有可能实现微纳米化。另外，以液流动力为粉碎力场的过程中，可以避免静电、火花及局部的温度过高，因而粉碎过程相对安全。流体介质对物料具有很好的浸润作用，能大幅降低颗粒的表面能，减小断裂所需的应力；而从颗粒断裂的过程来看，依据裂纹扩展条件，流体介质分子吸附在新生表面，可以减小裂纹扩展所需的外应力，促进裂纹的扩展，并防止新生裂纹的重新闭合。若为水介质，物质与水的水化(吸水膨胀)作用，使物质颗粒体积膨胀、硬度降低，降低解聚分散所需冲击力，颗粒纳米层间阳离子水化脱离形成扩散双电层而强化解聚分散，实现与杂质的分离而得到提纯。药剂的加入，产生泡沫，破环了水化作用和阳离子扩散双电层，因此，除引入杂质和损伤环境外，反而阻遏了物质颗粒的解聚、降低分散效果，使分离提纯的目的难以实现。本发明充分利用PAL材料在水介质中高度分散的禀赋性特点，采用水为流体介质、无药剂添加，整合流程合理性、无二次污染和资源循环经济性特征于一体，制备得到高纯PAL材料。

PAL材料的原料为海相(半封闭咸湖)沉积的天然非金属硅酸盐类矿物，是极性物质，遇水会发生水化膨胀作用，进入水中后形成扩散双电层，进一步膨胀，使矿物体积增大8-20倍。水化作用削弱与破坏了颗粒间的联结，使颗粒沿着已有的结合薄弱部分(如未开裂的层理、片理、壁理、矿物颗粒的集合面以及矿物解离面等)，形成新的裂隙，使颗粒破碎，降低颗粒的力学强度，为进一步的液流粉碎降低了能耗。

巨大的表面水化能及膨胀压力表明，PAL材料良好的湿润性(极性)使流体介质的水化作用得以充分发挥。此外，PAL材料晶层间仅有较弱的范德华力，不足以抗衡该矿物的水化能，因此，PAL材料晶层及外表面能发生水化，PAL材料吸水易膨胀，在流体介质下易解离。补偿阳离子的水化能(越大，水膨胀性越强)、扩散双电层厚度(扩散双电层越厚、水化膨胀性越强)、流体介质PH值的含盐量(PH值越高，表面电位越大，水化膨胀性增强；含盐量大，水化作用减弱)，这些因素也影响着水化离解。PAL材料的亲水性、高水化能、弱层间力及7.8-9.3的高PH值，使其在流体介质中高度分散，是便于解聚分散和分离提纯的禀赋性特征与基础。

基于水动力学原理的无药剂的高速液流法制备高纯、微细PAL材料粉体的技术工艺，由于高速液流与物料的水化作用产生的水化膨胀与双电排斥的解聚力，使物料高度分散，完成微细化。利用与杂质的重力不同，通过螺旋离心装置实现与杂质分离而纯化。本发明工艺过程无废气、废水排放，废渣可加工为农用硅肥和高分子材料补强剂白炭黑，实现了“对环境友好”、资源利用率几近100％的“资源节约”。

本发明应用基于水动力学原理的无药剂高速液流法技术和解聚分散与提纯分离工艺，充分发挥了高速水介质与物质的水化作用而产生的水化膨胀力，和层间阳离子充分水化形成的扩散双电层排斥力的动力作用，促进解体分散，与杂质分离而实现提纯(介质水可循环利用)，避免了传统药剂浮选引入化学杂质和污染环境的危害，创制出高纯、微纳米PAL材料粉体，为制造高性能、环保阻燃材料提供了材料基础。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺，其特征在于，本工艺包括下述步骤：

A、解聚：采用靶板式液流粉碎机进行解聚分散，即以高速液流为介质携带高纯PAL材料，与设置的固定靶板相撞，物料与靶板在高速碰撞、撞击中，液流的高速功能最终转变为物料的破碎能，使物料破碎；

B、提纯：采用螺旋推进离心机实现纯化，即在螺旋离心机螺杆高速推进过程中，利用物料颗粒大小的重力作用，螺旋将不同粒径的物料进行分离，控制解聚分散的浆体浓度，获得小于100nm-10μm的不同粒径的微细颗粒。

2.根据权利要求1所述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺，其特征在于，在上述的步骤A中，解聚分散后的浆体浓度为15％-20％。

3.根据权利要求1所述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺，其特征在于，在上述的步骤B中，螺旋离心机的转速控制在1500r/min-2500r/min。

4.根据权利要求1或2或3所述的高性能环保型PAL阻燃材料解聚提纯工艺，其特征在于，所述的高纯PAL材料中的PAL材料含量为90％-98％。