專利名稱：對凹凸棒石進(jìn)行表面處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合材料，特別涉及對凹凸棒石(ATP)進(jìn)行表面 處理的方法。用本發(fā)明進(jìn)行處理的ATP可用于制備高性能的聚合物納米復(fù)合 材料。
背景技術(shù)：
凹凸棒石在礦物學(xué)上隸屬于海泡石族，是一種具有特殊的層鏈狀分子結(jié) 構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽礦物，1982年發(fā)現(xiàn)于前蘇聯(lián)烏拉爾礦區(qū)的熱液蝕變產(chǎn) 物中而得名。1935年法國學(xué)者巴朗特在美國佐治亞州凹凸堡和法國莫摩隆沉 積巖層中也曾發(fā)現(xiàn)這一礦物，并命名為凹凸棒石，英文縮寫為ATP (以下簡稱 ATP) 。 ATP的晶體結(jié)構(gòu)呈長寬比很高的纖維狀或窄帶狀，依產(chǎn)地不同而有所 差異。ATP的顯微結(jié)構(gòu)包括3個(gè)層次(l)ATP的基本結(jié)構(gòu)單元為棒晶，棒晶 呈棒狀，長約lym，直徑約20nm; (2)由棒晶緊密平行聚集而成的棒晶束； (3)由晶束(也包括棒晶)間相互聚集而形成的各種聚集體(粒徑通常為0.01 0.1 mm)。棒晶是一種天然的一維無機(jī)納米材料，但通常情況下容易聚集， 導(dǎo)致ATP與聚合物復(fù)合只能起到填充增量作用，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 為了解決這一缺陷，需要對ATP進(jìn)行預(yù)處理，PP / ATP納米復(fù)合材料的制備 與性能研究(王平華，工程塑料應(yīng)用，2003年，12 (31) 12)中提到用偶聯(lián) 劑KH—570對ATP進(jìn)行預(yù)處理，再用處理后的ATP與聚丙烯(以下簡稱PP) 共混后，復(fù)合材料的力學(xué)、結(jié)晶性能均有所提高。而聚丙烯接枝馬來酸酐對 聚丙烯/凹凸棒石復(fù)合材料力學(xué)性能的影響(呂召勝，塑料工業(yè)，2005年，5 (33) 174)中提到用聚丙烯接枝馬來酸酐對復(fù)合體系進(jìn)行增容，對ATP在 PP分散狀態(tài)沒有顯著影響，力學(xué)性能改善也不明顯。 一種納米纖維增強(qiáng)劑的 制備方法(中國發(fā)明專利，ZL02159287.X,公告號1195009C)中描述了包覆 隔離得到納米纖維增強(qiáng)劑的方法，用于針狀硅酸鹽中的有機(jī)表面隔離劑為天 然橡膠乳液、丁苯橡膠乳液、丁腈橡膠乳液、羥基丁腈橡膠乳液、聚丙烯酸 乳液等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對ATP進(jìn)行表面處理的方法，以解決ATP與聚合 物復(fù)合只能起到填充增量作用，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的納米效應(yīng)。
本發(fā)明是制備聚烯烴/ATP納米復(fù)合材料的前期準(zhǔn)備工作對ATP的表面 處理。經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP對聚丙烯/ATP納米復(fù)合材料的力學(xué)性能有突 出地貢獻(xiàn)，其優(yōu)越性更突出表現(xiàn)在對復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的顯著提高。
氧化聚乙烯處理ATP的原理ATP和氧化聚乙烯乳液在超聲的條件下混 合，形成氧化聚乙烯ATP復(fù)合物，進(jìn)而在和PP熔融共混時(shí)，有利于增強(qiáng)ATP 和聚丙烯的界面結(jié)合作用力，提高材料的力學(xué)、結(jié)晶等性能。
本發(fā)明的對ATP進(jìn)行表面處理的方法包括以下步驟
(1) .將氧化聚乙烯乳液置于容器中，然后將該容器放置超聲器中；
(2) .將ATP置于步驟(1)的容器中，超聲分散得到氧化聚乙烯ATP復(fù)
合物；
(3) .將步驟(2)得到的復(fù)合物在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上施加 反復(fù)的剪切作用；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物，在溫度為100 114i:的條件下干燥備用。
所述的ATP與氧化聚乙烯固含量的重量比為0.5: 1 10: 1。 所述的氧化聚乙烯乳液的濃度是10 40wto^ 。
在超聲分散后得到氧化聚乙烯ATP復(fù)合物中進(jìn)一步加入沉降劑，攪拌， 靜置，等待體系沉降后得到凹凸棒石復(fù)合物；其中沉降劑與氧化聚乙烯乳液 的體積比是l: 5 1: 100。
所述的沉降劑與氧化聚乙烯乳液的體積比是l: 20、 1: 25或1: 30。
所述的沉降劑是酸或路易斯酸。 所述的酸為鹽酸、硫酸或磷酸等。
所述的沉降后得到的ATP復(fù)合物在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上反復(fù) 研磨后；在溫度為100 11fC的條件下干燥后得到的ATP粒徑為0.01 1 mm。 所述的干燥后的ATP復(fù)合物在粉碎機(jī)中粉碎成粒徑為0.01 0.1mm的顆粒。
所述的超聲分散時(shí)間是5 100分鐘。 所述的反復(fù)研磨時(shí)間是10 100分鐘。 所述的干燥時(shí)間是10 1 OO小時(shí)。
所述的具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備是三輥研磨機(jī)或開放式煉膠機(jī)等。
所述的超聲波的功率是50Hz。
本發(fā)明的原理是超聲條件下ATP在氧化聚乙烯乳液中進(jìn)行分散復(fù)合， 形成氧化聚乙烯ATP復(fù)合物，或加入沉降劑破壞介質(zhì)中的pH值使氧化聚乙 烯ATP復(fù)合物得以沉降。在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上對復(fù)合物實(shí)施反 復(fù)的機(jī)械剪切作用。干燥后得到經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP可直接用于聚合物 復(fù)合，其最優(yōu)條件是在高速粉碎機(jī)中粉碎成微米級別的ATP顆粒。
本發(fā)明得到的ATP填充在聚丙烯中，對PP有很明顯的增強(qiáng)、增韌效果 (見圖l)。且ATP在PP中的分散效果好。


圖l.本發(fā)明實(shí)施例1、 2、 3、 5得到的ATP/PP納米復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)
度圖。 附圖標(biāo)記
■ PP/ATP (未處理)令實(shí)施例1 A實(shí)施例2 V實(shí)施例具體實(shí)施方式
實(shí)施例1.
(1) .用燒杯量取濃度為20wt% 100ml氧化聚乙烯乳液，置于超聲波功率 為50Hz的超聲器中；
(2) .稱取ATP20g，置于步驟(l)的容器中，攪拌并超聲分散20分鐘， 其中ATP與聚乙烯固含量的重量比為1: 1;或?qū)?ml磷酸加入到經(jīng)超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物中，攪拌，靜置待復(fù)合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物或沉降后得到的ATP復(fù) 合物在三輥研磨機(jī)上反復(fù)研磨45分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的ATP復(fù)合物，在溫度為ll(TC的真空 干燥箱中抽真空干燥16小時(shí)，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm;
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復(fù)合物在高速粉碎機(jī)中粉碎成粒徑為0.01 O.lmm的ATP顆粒，得到經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP。
實(shí)施例2.
(1) .用燒杯量取濃度為20wt% 100ml氧化聚乙烯乳液，置于超聲波功率 為50Hz的超聲器中；
(2) .稱取ATP40g，置于步驟(l)的容器中，攪拌并超聲分散30分鐘，
其中ATP與聚乙烯固含量的重量比為2: 1;或?qū)?ml磷酸加入到經(jīng)超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物中，攪拌，靜置待復(fù)合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物或沉降后得到的ATP復(fù) 合物在三輥研磨機(jī)上反復(fù)研磨50分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的ATP復(fù)合物，在溫度為ll(TC的真空 干燥箱中抽真空干燥14小時(shí)，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm;
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復(fù)合物在高速粉碎機(jī)中粉碎成粒徑為0.01 O.lmm的ATP顆粒，得到經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP。
實(shí)施例3.
(1 ).用燒杯量取濃度為20wt% 100ml氧化聚乙烯乳液，置于超聲波功率 為50Hz的超聲器中；
(2) .稱取ATP60g，置于步驟(l)的容器中，攪拌并超聲分散50分鐘， 其中ATP與聚乙烯固含量的重量比為1: 1;或?qū)?ml磷酸加入到經(jīng)超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物中，攪拌，靜置待復(fù)合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的ATP復(fù)合物或沉降后得到的ATP復(fù)合物在三輥 研磨機(jī)上反復(fù)研磨60分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物，在溫度為110 'C的真空干燥箱中抽真空干燥12小時(shí)；
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復(fù)合物在高速粉碎機(jī)中粉碎成微米級別 的ATP顆粒，得到經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP。
實(shí)施例4.
(1) .用燒杯量取濃度為15wt% 100ml氧化聚乙烯乳液，置于超聲波功率 為50Hz的超聲器中；
(2) .稱取ATP30g，置于步驟(l)的容器中，攪拌并超聲分散30分鐘， 其中ATP與聚乙烯固含量的重量比為2: 1;
(3) .將步驟(2)得到的氧化聚乙烯ATP復(fù)合物在開放式煉膠機(jī)上反復(fù) 研磨40分鐘，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm;
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的ATP復(fù)合物，在溫度為105。C的千燥 箱中干燥10小時(shí)，得到經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP。
實(shí)施例5.
分別稱取實(shí)施例l、 2、 3所處理的lg、 3g、 8gATP和未經(jīng)過處理的ATPlg、 3g、 8g作為參照，分別與100g的PP熔融共混。測試其對力學(xué)性能的影 響如下
1. 拉伸試驗(yàn)
拉伸強(qiáng)度最高提高10.68% (實(shí)施例2)，彈性模量最高提高8.15% (實(shí)施 例2)。
2. 缺口沖擊試驗(yàn)
缺口沖擊強(qiáng)度最高提高82.51% (實(shí)施例2)。
3. 彎曲試驗(yàn)
彎曲強(qiáng)度最高提高35.65% (實(shí)施例3)。
4. 力學(xué)性能小結(jié)
經(jīng)氧化聚乙烯處理的ATP與PP熔融共混得到的ATP/PP納米復(fù)合材料， 在ATP含量為3時(shí)力學(xué)性能提高到最大，隨著ATP含量的增加，力學(xué)性能呈 現(xiàn)下降趨勢，ATP與氧化聚乙烯固含量之比為2: l時(shí)力學(xué)性能最好。為增強(qiáng) 增韌提供了很好的數(shù)據(jù)支持。
實(shí)施例l、 2、 3、 5得到的ATP/PP納米復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度見圖1。
權(quán)利要求
1. 一種對凹凸棒石進(jìn)行表面處理的方法，其特征是，該方法包括以下步驟(1). 將氧化聚乙烯乳液置于容器中，然后將該容器放置超聲器中；(2). 將凹凸棒石置于步驟(1)的容器中，超聲分散得到氧化聚乙烯凹凸棒石復(fù)合物；(3). 將步驟(2)得到的復(fù)合物在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上施加反復(fù)的剪切作用；(4). 將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯凹凸棒石復(fù)合物，在溫度為100～114℃的條件下干燥備用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的凹凸棒石與氧化聚乙烯 固含量的重量比為0.5: 1 10: 1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的氧化聚乙烯乳液的濃 度是10 40wt^。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是在超聲分散后得到的氧化 聚乙烯凹凸棒石復(fù)合物中進(jìn)一步加入沉降劑，攪拌，靜置，等待體系沉降后 得到凹凸棒石復(fù)合物；其中沉降劑與氧化聚乙烯乳液的體積比是1:5 1: 100。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的沉降劑與氧化聚乙烯乳 液的體積比是l: 20、 1: 25或1: 30。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的沉降劑是酸或路易斯酸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的沉降后得到的凹凸棒石復(fù)合物，在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上反復(fù)研磨后，在溫度為100 114 X:的條件下干燥，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的方法，其特征是所述的干燥后的凹凸棒石復(fù)合物在高速粉碎機(jī)中粉碎成粒徑為0.01 0.1mm的顆粒。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(2)所述的超聲分散時(shí)間 是5 100分鐘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的方法，其特征是所述的研磨時(shí)間是10 100分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料，特別涉及對凹凸棒石(ATP)進(jìn)行表面處理的方法。將凹凸棒石和氧化聚乙烯乳液在超聲條件下進(jìn)行分散復(fù)合，得到凹凸棒石分散在氧化聚乙烯乳液中的復(fù)合物。將復(fù)合物直接或加入沉降劑沉降后，在具有強(qiáng)機(jī)械剪切作用力的設(shè)備上對其施加反復(fù)的剪切作用，得到可用于聚合物復(fù)合的經(jīng)氧化聚乙烯處理的凹凸棒石。用本發(fā)明處理的凹凸棒石可直接用于制備高性能聚合物納米復(fù)合材料。
文檔編號C08K9/04GK101381530SQ20071012127
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月3日
發(fā)明者官建國, 李麗坤, 馬永梅 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所