本發(fā)明涉及無機(jī)功能材料領(lǐng)域,特別涉及一種用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石及其制備方法。
背景技術(shù):
水滑石也稱為層狀雙金屬氫氧化物,是一種陰離子粘土,具有層狀結(jié)構(gòu)、層板元素可調(diào)以及層間陰離子可調(diào)控性等特點(diǎn),在熱穩(wěn)定劑、阻燃劑、吸附劑和催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。水滑石對PVC具有熱穩(wěn)定性,原因在于水滑石可與PVC降解過程中產(chǎn)生的HCl發(fā)生反應(yīng),有效抑制HCl對PVC進(jìn)一步降解的催化作用。
水滑石的制備方法包括共沉淀法、尿素水解法和成核/晶化分離法等。其中,共沉淀法具有工藝流程簡單、設(shè)備投資小、產(chǎn)量大和成本低等優(yōu)勢,最早應(yīng)用于生產(chǎn)水滑石,也是目前工業(yè)生產(chǎn)水滑石的主要方法。然而,共沉淀法制備的水滑石具有粒徑大的缺陷,使其在PVC等塑料制品中的應(yīng)用受到限制。近年來,研究人員發(fā)現(xiàn)采用有機(jī)物對水滑石表面進(jìn)行改性,可改善水滑石作為PVC熱穩(wěn)定劑的性能。文獻(xiàn)報(bào)道的改性劑包括脂肪酸及其鹽(CN105295250、CN105295246)、鈦酸酯(CN1287967)、油酸鈉(CN101544783)、陰離子表面活性劑(李先銘等,中國塑料,2015,3,39)、超分散劑(CN101735532)和聚乙二醇(CN101747534)等。然而,采用單一表面改性劑對共沉淀法制備的水滑石進(jìn)行改性,產(chǎn)品性能仍不能滿足高效PVC熱穩(wěn)定劑的要求。
因此,開發(fā)新的表面改性水滑石的制備方法,以顯著提升水滑石PVC熱穩(wěn)定劑的性能,仍然是本領(lǐng)域的技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石的制備方法,該方法得到的改性水滑石可顯著改善PVC制品的熱穩(wěn)定性能,制備過程簡單,無需特殊設(shè)備,適合于工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石的制備方法,包括以下步驟:
(1)將聚乙二醇、可溶性的鎂鹽及水混合配成鹽溶液,將NaAlO2、NaOH、Na2CO3及水混合配成堿溶液;
(2)將鹽溶液和堿溶液混合,并在混合液中加入氰尿酸鹽,將反應(yīng)得到的沉淀物脫水干燥后,得到改性水滑石。
所述步驟(1)聚乙二醇的濃度為0.4~1.0 wt%,鎂鹽中的[Mg2+]=0.5~2.0 mol/L。
在進(jìn)一步的技術(shù)方案中,
n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.25~0.5;
n(NaOH)/n(Mg2+)=0.8~1.0;
n(Na2CO3)/n(Mg2+)= 0.4~0.6。
所述將鹽溶液和堿溶液混合具體為:將鹽溶液和堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持反應(yīng)溫度為20~90℃,持續(xù)攪拌反應(yīng)0.5~2 h,保持混合液pH=9~11。
所述氰尿酸鹽與聚乙二醇的質(zhì)量比為0.6~2。
所述在混合液中加入氰尿酸鹽后還包括步驟:升溫至80~150℃,晶化4~20 h。
所述鎂鹽為氯化鎂、硫酸鎂或硝酸鎂。
所述氰尿酸鹽為氰尿酸鋅、氰尿酸鈣、氰尿酸鑭或氰尿酸鈰。
本發(fā)明的另一個(gè)目的還提供一種用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石,所述改性水滑石由鎂鹽與NaAlO2、NaOH和Na2CO3通過共沉淀法制成,所述改性水滑石上還附著有聚乙二醇和氰尿酸鹽。
所述氰尿酸鹽為氰尿酸鋅、氰尿酸鈣、氰尿酸鑭或氰尿酸鈰。
本發(fā)明采用聚乙二醇和氰尿酸鹽對水滑石進(jìn)行復(fù)合改性。聚乙二醇對水滑石具有較好的親和性,成核過程中形成的水滑石粒子經(jīng)聚乙二醇包覆后,可避免水滑石粒子之間的聚集,從而達(dá)到控制其粒徑的目的。然而,聚乙二醇具有一定的乳化能力,使水滑石生產(chǎn)工序中的脫水相對困難,濾餅含水量較高,從而導(dǎo)致干燥工序中的能耗升高,且在干燥過程中容易引發(fā)水滑石的粒徑增大。
此外,由于本發(fā)明的氰尿酸鹽也能吸附在水滑石粒子的表面,與水滑石的表面羥基存在相互作用,并可抑制聚乙二醇的乳化能力,使水滑石的脫水變得容易,從而顯著降低干燥能耗,并避免水滑石粒徑的過度增大。此外,氰尿酸鹽自身對PVC也具有較好的熱穩(wěn)定性。通過聚乙二醇和氰尿酸鹽的協(xié)同作用,經(jīng)復(fù)合改性的水滑石能顯著改善PVC的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明的制備過程簡單,無需任何特殊設(shè)備,采用常規(guī)設(shè)備即可制備出對PVC制品具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的水滑石產(chǎn)品,具有易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言,從對本發(fā)明的詳細(xì)說明中,本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
本發(fā)明提供一種用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石的制備方法,該方法制備得到的改性水滑石用于作為PVC熱穩(wěn)定劑的組分。一般情況下,現(xiàn)有技術(shù)中用于PVC熱穩(wěn)定劑的水滑石的結(jié)構(gòu)通式為Mg2+1-xAl3+x(OH)2(CO32-)x/2?mH2O,其中,0.2 ≤ x ≤ 0.33,m為結(jié)晶水?dāng)?shù)目,1 ≤ m ≤ 4。
前述制備方法包括以下步驟:
(1)將聚乙二醇、可溶性的鎂鹽及水混合配成鹽溶液,將NaAlO2、NaOH、Na2CO3及水混合配成堿溶液;
(2)將鹽溶液和堿溶液混合,并在混合液中加入氰尿酸鹽,將反應(yīng)得到的沉淀物脫水干燥后,得到改性水滑石。
在步驟(1)中,聚乙二醇可以選用聚乙二醇400、聚乙二醇300、聚乙二醇200或聚乙二醇600等,鎂鹽優(yōu)選為氯化鎂、硫酸鎂或硝酸鎂。鹽溶液中,優(yōu)選聚乙二醇的濃度為0.4~1.0 wt%,鎂鹽中的[Mg2+]=0.5~2.0 mol/L,以便于反應(yīng)快速且完全進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)清楚,本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以配備其它濃度的鹽溶液。
優(yōu)選配備的堿溶液與鹽溶液的體積相同。此外,根據(jù)前述水滑石結(jié)構(gòu)通式中的x值,選擇相應(yīng)劑量的NaAlO2、NaOH及Na2CO3。
優(yōu)選n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.25~0.5;n(NaOH)/n(Mg2+)=0.8~1.0;以及n(Na2CO3)/n(Mg2+)= 0.4~0.6。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以配備其它濃度的堿溶液。
步驟(2)中將鹽溶液和堿溶液混合具體為:將鹽溶液和堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持反應(yīng)溫度為20~90℃,持續(xù)攪拌反應(yīng)0.5~2 h,保持混合液pH=9~11。鹽溶液和堿溶液可在大體相同的流速下加入反應(yīng)釜中,并可通過控制滴定的流速來控制混合液的PH值。
所述氰尿酸鹽優(yōu)選為氰尿酸鋅、氰尿酸鈣、氰尿酸鑭或氰尿酸鈰等?;旌弦褐屑尤氲那枘蛩猁}與聚乙二醇的質(zhì)量比為0.6~2,并可在加入氰尿酸鹽后繼續(xù)攪拌反應(yīng)0.2~1 h。
此外,混合液中加入氰尿酸鹽后,還包括升溫晶化的步驟,即升溫至80~150℃,晶化4~20 h,使水滑石的晶體結(jié)構(gòu)生長完善。此后,可將沉淀物脫水,洗滌至濾液pH=7~8,所得固體經(jīng)干燥、粉碎后即為改性水滑石。
本發(fā)明采用聚乙二醇和氰尿酸鹽對水滑石進(jìn)行復(fù)合改性。聚乙二醇對水滑石具有較好的親和性,成核過程中形成的水滑石粒子經(jīng)聚乙二醇包覆后,可避免水滑石粒子之間的聚集,從而達(dá)到控制其粒徑的目的。然而,聚乙二醇具有一定的乳化能力,使水滑石生產(chǎn)工序中的脫水相對困難,濾餅含水量較高,從而導(dǎo)致干燥工序中的能耗升高,且在干燥過程中容易引發(fā)水滑石的粒徑增大。
此外,由于本發(fā)明的氰尿酸鹽也能吸附在水滑石粒子的表面,與水滑石的表面存在相互作用,并可抑制聚乙二醇的乳化能力,使水滑石的脫水變得容易,從而顯著降低干燥能耗,并避免水滑石粒徑的過度增大。通過聚乙二醇和氰尿酸鹽的協(xié)同作用,經(jīng)復(fù)合改性的水滑石能顯著改善PVC的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明的制備過程簡單,無需任何特殊設(shè)備,采用常規(guī)設(shè)備即可制備出對PVC制品具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的水滑石產(chǎn)品,具有易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
下面將以幾個(gè)典型實(shí)施例和比較例來說明本發(fā)明用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石的制備方法。
實(shí)施例1
將0.3 mol氯化鎂與2.1 g聚乙二醇400溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=1.0 mol/L,聚乙二醇400的濃度為0.7 wt%;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)0.5 h,加入與聚乙二醇相同質(zhì)量的氰尿酸鋅,繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
實(shí)施例2
將0.3 mol硫酸鎂與1.5 g聚乙二醇400溶于水中配制成150 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=2 mol/L,聚乙二醇400的濃度為1 wt%;將0.1 mol NaAlO2、0.3 mol NaOH和0.18 mol Na2CO3溶于水中配制成150 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=1/3,n(NaOH)/n(Mg2+)=1,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.6;在恒溫90℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)1 h,加入3 g氰尿酸鋅,使氰尿酸鋅與聚乙二醇的質(zhì)量比為2,繼續(xù)反應(yīng)1 h,在150℃晶化4 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
實(shí)施例3
將0.4 mol硝酸鎂與3.2 g聚乙二醇400溶于水中配制成800 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=0.5 mol/L,聚乙二醇400的濃度為0.4 wt%;將0.1 mol NaAlO2、0.32 mol NaOH和0.16 mol Na2CO3溶于水中配制成800 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.25,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.8,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.4;在恒溫20℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)2 h,加入1.92 g氰尿酸鋅,使氰尿酸鋅與聚乙二醇的質(zhì)量比為0.6,繼續(xù)反應(yīng)0.2 h,在80℃晶化20 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
實(shí)施例4
將0.3 mol氯化鎂與2.1 g聚乙二醇300溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=1.0 mol/L,聚乙二醇300的濃度為0.7 wt%;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)0.5 h,加入與聚乙二醇相同質(zhì)量的氰尿酸鈣,繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
實(shí)施例5
將0.3 mol氯化鎂與2.1 g聚乙二醇200溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=1.0 mol/L,聚乙二醇200的濃度為0.7 wt%;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)0.5 h,加入與聚乙二醇相同質(zhì)量的氰尿酸鑭,繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
實(shí)施例6
將0.3 mol氯化鎂與2.1 g聚乙二醇600溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=1.0 mol/L,聚乙二醇600的濃度為0.7 wt%;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)0.5 h,加入與聚乙二醇相同質(zhì)量的氰尿酸鈰,繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到復(fù)合改性水滑石。
比較例1
將0.3 mol氯化鎂與4.2 g聚乙二醇400溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,其中,[Mg2+]=1.0 mol/L,聚乙二醇400的濃度為0.7 wt%;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)1 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到聚乙二醇改性的水滑石。
比較例2
將0.3mol氯化鎂溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,使[Mg2+]=1.0 mol/L;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)0.5 h,加入4.2 g氰尿酸鋅,繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到氰尿酸鋅改性的水滑石。
比較例3
將0.3 mol氯化鎂溶于水中配制成300 mL的鹽溶液,使[Mg2+]=1.0 mol/L;將0.15 mol NaAlO2、0.27 mol NaOH和0.15 mol Na2CO3溶于水中配制成300 mL的堿溶液,其中,n(NaAlO2)/n(Mg2+)=0.5,n(NaOH)/n(Mg2+)=0.9,n(Na2CO3)/n(Mg2+)=0.5;在恒溫75℃且持續(xù)攪拌的條件下,將鹽溶液與堿溶液加入反應(yīng)釜中,保持混合液pH=9~11,反應(yīng)1 h,在120℃晶化15 h;經(jīng)過濾,洗滌,干燥,粉碎后,得到未改性的水滑石。
性能測試實(shí)驗(yàn):
將制備的水滑石與其它助劑配混合,攪拌均勻制成PVC用復(fù)合熱穩(wěn)定劑,其具體組成為:40%水滑石,20%硬脂酸鋅,17%硬脂酸鈣,15%潤滑
劑(5%單甘脂和10%PE蠟),5%硬脂酰苯甲酰甲烷、3%抗氧劑(1010和168各1.5%)。
PVC復(fù)合熱穩(wěn)定劑的性能采用哈普RM-200A轉(zhuǎn)矩流變儀測試,測試條件:料溫190℃,實(shí)驗(yàn)載荷5 kg,轉(zhuǎn)速35 rpm。測試樣品組成:54份PVC(SG-3型)樹脂,1.6份復(fù)合熱穩(wěn)定劑,12份CaCO3,5份CPE,1.6份鈦白粉,0.2份季戊四醇硬脂酸酯,0.2份PE蠟,1份ACR。測試方法:在轉(zhuǎn)矩流變儀中混煉15分鐘后取出樣品,采用色差儀測試初期白度,并另外取樣測試動態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間。采用英國Malvern Mastersizer2000 型激光粒度儀檢測水滑石樣品的平均粒徑。測試結(jié)果見表1。
從表1結(jié)果可知,采用聚乙二醇和氰尿酸鹽復(fù)合改性,水滑石產(chǎn)品的粒徑為0.3~0.8 μm,明顯小于采用聚乙二醇或氰尿酸鹽單獨(dú)改性以及未改性的水滑石。在測試條件相同,僅改變復(fù)合熱穩(wěn)定劑配方中的水滑石,PVC樣品的熱穩(wěn)定性具有較大的差別。采用聚乙二醇和氰尿酸鹽復(fù)合改性的水滑石時(shí),PVC樣品的初期白度為89~92,動態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間為32~39分鐘;采用聚乙二醇或氰尿酸鹽單一改性的水滑石時(shí),PVC樣品的初期白度為83~85,動態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間為23~26分鐘;采用未改性的水滑石時(shí),PVC樣品的初期白度為80,動態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間為27分鐘。上述結(jié)果表明聚乙二醇和氰尿酸鹽具有較好的協(xié)同作用,是一種優(yōu)異的水滑石PVC熱穩(wěn)定劑用復(fù)合改性劑。采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案制備的改性水滑石具有較小的粒徑,對PVC制品即具有較高的初期白度,又具有較長的動態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間,綜合性能非常優(yōu)異。
前述實(shí)施例主要以包括改性水滑石、硬脂酸鋅、硬脂酸鈣,潤滑劑、硬脂酰苯甲酰甲烷及抗氧劑的PVC熱穩(wěn)定劑為基礎(chǔ)進(jìn)行說明。由于本發(fā)明PVC熱穩(wěn)定劑的組分及微觀結(jié)構(gòu)上的改變,在其應(yīng)用于其它組分的PVC熱穩(wěn)定劑時(shí),同樣能起到提高熱穩(wěn)定性的作用。
需要說明的是,本發(fā)明還提供一種用于PVC熱穩(wěn)定劑的改性水滑石的新材料,該改性水滑石由鎂鹽與NaAlO2、NaOH和Na2CO3通過共沉淀法制成,且所述改性水滑石上還附著有聚乙二醇和氰尿酸鹽。該聚乙二醇可以選用聚乙二醇400、聚乙二醇300、聚乙二醇200或聚乙二醇600等,所述氰尿酸鹽優(yōu)選為氰尿酸鋅、氰尿酸鈣、氰尿酸鑭或氰尿酸鈰等。該改性水滑石產(chǎn)品的粒徑為0.1~2 μm。
該實(shí)施例的改性水滑石,由于附著有聚乙二醇和氰尿酸鹽。聚乙二醇對水滑石具有較好的親和性,可避免水滑石粒子之間的聚集,從而達(dá)到控制其粒徑的目的。此外,氰尿酸鹽也能吸附在水滑石粒子的表面,避免水滑石粒徑的過度增大,且兩者之間存在相互作用。
該改性水滑石可以采用前述實(shí)施例的制備方法制備,由于前文已經(jīng)進(jìn)行說明,在此不進(jìn)行贅述。
將該改性水滑石樣品進(jìn)行硝化處理后,分別采用液相色譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法檢測產(chǎn)品表面附著的聚乙二醇和氰尿酸鹽含量。結(jié)果表明,該改性水滑石上附著的聚乙二醇為改性水滑石總質(zhì)量的0.5~3%,氰尿酸鹽為改性水滑石總質(zhì)量的4~10%。
應(yīng)當(dāng)理解,本發(fā)明雖然已通過以上實(shí)施例進(jìn)行了清楚說明,然而在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下,所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的變化和修正,但這些相應(yīng)的變化和修正都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。