專利名稱：纖蛇紋石納米纖維的制備方法
專利說明纖蛇紋石納米纖維的制備方法 本發明涉及到一種纖蛇紋石納米纖維的制備方法，屬于無機非金屬材料、礦物材料、超微細材料的制備及應用領域。自從1991年日本科學家飯島發現碳納米管以來，很多種類的一維納米纖維(包括納米線、納米管、納米棒等)被相繼制備出來。因為其特殊的結構、形貌特性，以及在許多領域潛在的廣泛應用前景，一維納米材料引起了越來越多的重視，相關的制備、性能和應用研究方興未艾。由于人工合成的一維納米材料存在成本較高、工序較繁等不足之處，因此利用廉價的天然礦物、生物原料制備納米纖維逐漸引起了人們的關注。纖蛇紋石就是一種引起我們重視的天然礦物。
纖蛇紋石通常稱為“溫石棉”，是一種應用極廣的工業礦物原料。從結構上說，纖蛇紋石是一種呈圓柱管狀構造的層狀硅酸鹽礦物，屬三八面體結構。由于結構中硅氧四面體片和氫氧鎂石八面體片尺寸在平面二維方向上的差異，在形成結構層(TO型)時，使其呈四面體片居內八面體片居外的結構層卷曲方式形成管狀結構。這種纖蛇紋石管的外徑一般為數十納米，內徑為數納米至數十納米。天然的纖蛇紋石纖維束就是由無數根這樣的纖蛇紋石納米管緊密集聚而成。因此，我們可以以纖蛇紋石為原料，采用“從上到下”的原理，通過完全開松分散宏觀領域的纖蛇紋石纖維束，得到介觀領域的纖蛇紋石納米纖維。纖蛇紋石納米纖維在無機-有機納米復合材料的制備、水中重金屬離子的吸附等領域有著廣泛地應用。
纖蛇紋石的分散在工業領域即為溫石棉的成漿，是石棉濕法加工的重要步驟。成漿的本質就是使用物理的或化學的方法使纖蛇紋石纖維束松解、纖維剝離分散。溫石棉工業成漿的方法有很多種，如循環泵法(中國專利，申請號85107137)、化學滲透法(中國專利，申請號90106728.8)等等。但是這些方法僅僅是將石棉中的大纖維束分散成小纖維束，并不能將纖蛇紋石纖維逐根剝離直至形成單根的納米纖維。
本發明的目的是提供一種成本低、設備及操作過程簡單、適合大規模生產直徑數十納米、長度十幾微米、純度高、尺寸分布均勻的纖蛇紋石納米纖維的方法。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下纖蛇紋石納米纖維的制備方法，包括(a)以溫石棉商品棉或石棉尾礦為原料，采用水洗提純法對溫石棉進行提純處理；(b)純化后的溫石棉與陰離子型表面活性劑、水進行混合，浸泡，溫石棉、表面活性劑、水混合比例為(1)體系中表面活性劑的濃度要超過其本身的臨界膠束濃度，(2)體系中表面活性劑的量要超過其在纖蛇紋石表面形成飽和吸附所需的量；(c)浸泡完成后，將混合液用高速攪拌器進行分散處理，攪拌速度為3000～6000轉/分鐘，反應完成后得到的均勻膠體溶液；(d)對得到的均勻膠體溶液進行離心處理，離心速度為3000～6000轉/分鐘，得到的上層乳白色液體經液固分離、洗滌之后，烘干即得白色的纖蛇紋石納米纖維成品。
所述陰離子型表面活性劑包括二異辛基磺化琥珀酸鈉(俗稱OT、快T等)、十二烷基苯磺酸鈉或十六烷基磺酸鈉等，優選二異辛基磺化琥珀酸鈉。經浸泡后可以使表面活性劑與石棉纖維充分接觸，有利于后期分散的進行。
混合液用高速攪拌器進行分散處理，可以對纖蛇紋石納米纖維形成速度及纖維長度進行控制。攪拌速度越高，形成納米纖維所需的時間就越短，得到的納米纖維長度也較短。反之，降低攪拌速度則耗時較多，但纖維長度有所增加。
對得到的均勻膠體溶液進行離心處理用于提高產物的純度，合適速度的離心處理可以除去殘留的少量雜質和未完全分散的石棉纖維束，同時不會使纖蛇紋石納米纖維沉淀。充分的洗滌可以除去溶液中未吸附和纖維表面物理吸附的表面活性劑。表面活性劑通過化學吸附在纖維表面形成的第一層吸附用水不會清洗掉，使纖蛇紋石纖維表面體現出憎水性。
本發明在常溫常壓下進行。
本發明經對原料提純處理，有效地除去了石棉商品棉或石棉尾礦中存在的大量雜質礦物，包括磁鐵礦、石英、碳酸鹽、粘土等，大大提高了石棉的純度，暴露出許多新鮮石棉表面，有利于陰離子型表面活性劑的滲透和吸附；本發明采用化學分散法制備纖蛇紋石納米纖維，操作方便、制備工藝簡單，有利于節約人力、物力和財力，可實現大規模生產；采用本發明所得到的產物為纖蛇紋石納米纖維，直徑一般為30～60nm，長度大于10um，純度高，結晶度好，形貌分布較為均勻，該納米纖維表面包覆了至少一層的有機物，屏蔽了纖蛇紋石纖維表面的活性基團Mg-OH，達到了表面改性的效果，有利于在有機物填料中的應用。
圖1FTIR分析圖譜，其中，a為分散劑二異辛基磺化琥珀酸鈉，b為提純后的纖蛇紋石，c為纖蛇紋石納米纖維；圖2XRD分析圖譜，其中，a為分散劑二異辛基磺化琥珀酸鈉，b為提純后的纖蛇紋石，c為纖蛇紋石納米纖維；圖3纖蛇紋石納米纖維的SEM圖譜；其中，a放大10000倍，其中，b放大100000倍。實施例1將某石棉礦6級溫石棉進行提純后，取10g加入到體積為1L、二異辛基磺化琥珀酸鈉濃度為2g/L的水溶液中，浸泡2h(注二異辛基磺化琥珀酸鈉的臨界膠束濃度約為1.08g/L；其在纖蛇紋石表面的飽和吸附量約為180mg/g)。然后用高速乳化分散機在轉速6000rpm對上述混合液高速攪拌分散60min。分散完成后將得到黃白色的均勻石棉膠體溶液，將該溶液在轉速4000rpm離心1min，以除去其中含有的少量的微細雜質。離心處理后的石棉膠體溶液色澤更白更亮，將其抽濾，并用蒸餾水反復洗滌6～8次，除去溶液中殘留的或是物理吸附在纖蛇紋石表面的二異辛基磺化琥珀酸鈉。洗滌干凈的濾餅經110℃干燥后，得到白色的纖蛇紋石納米纖維粉末。分散劑二異辛基磺化琥珀酸鈉、原料提純后的纖蛇紋石、產物纖蛇紋石納米纖維的FTIR和XRD分析的圖譜見圖1和圖2。產物纖蛇紋石納米纖維的SEM照片見圖3。由圖可知，纖蛇紋石納米纖維表面含有少量的二異辛基磺化琥珀酸鈉，但是晶體結構沒有受到影響。得到的纖蛇紋石納米纖維直徑一般為30～60nm，長度大于10um，形貌分布均勻，純度高，結晶度好。
實施例2將某石棉礦的石棉尾礦進行提純后，取10g加入到體積為1L、十二烷基苯磺酸鈉濃度為1.6g/L的水溶液中，浸泡2h(注十二烷基苯磺酸鈉的臨界膠束濃度約為557mg/L；其在纖蛇紋石表面的飽和吸附量約為141mg/g)。然后用高速乳化分散機在轉速6000rpm對上述混合液高速攪拌分散60min。分散完成后將得到灰白色的均勻石棉膠體溶液，將該溶液在轉速4000rpm離心1min，以除去其中含有的少量的微細雜質。離心處理后的石棉膠體溶液色澤更白更亮，將其抽濾，并用蒸餾水反復洗滌6～8次，除去溶液中殘留的或是物理吸附在纖蛇紋石表面的十二烷基苯磺酸鈉。洗滌干凈的濾餅經110℃干燥后，得到白色的纖蛇紋石納米纖維粉末，其直徑一般為40～60nm，長度大于10um，形貌分布均勻，純度高，結晶度好。
權利要求
1.纖蛇紋石納米纖維的制備方法，其特征在于包括(a)以溫石棉商品棉或石棉尾礦為原料，采用水洗提純法對原料進行提純處理；(b)純化后的原料與陰離子型表面活性劑、水進行混合，浸泡，溫石棉、表面活性劑、水混合比例為(1)體系中表面活性劑的濃度要超過其本身的臨界膠束濃度，(2)體系中表面活性劑的量要超過其在纖蛇紋石表面形成飽和吸附所需的量；(c)將浸泡后混合液用攪拌器進行分散處理，攪拌速度為3000～6000轉/分鐘，得到均勻膠體溶液；(d)對得到的均勻膠體溶液進行離心處理，離心速度為3000～6000轉/分鐘，得到的上層乳白色液體經液固分離、洗滌之后，烘干即得白色的纖蛇紋石納米纖維成品。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述陰離子型表面活性劑包括二異辛基磺化琥珀酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉或十六烷基磺酸鈉。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述陰離子型表面活性劑為二異辛基磺化琥珀酸鈉。
全文摘要
纖蛇紋石納米纖維的制備方法，包括以溫石棉商品棉或石棉尾礦為原料，采用水洗提純法對原料進行提純處理；純化后的原料與陰離子型表面活性劑、水進行混合，浸泡；浸泡后進行分散處理；離心處理，經液固分離得白色的纖蛇紋石納米纖維成品。本發明采用化學分散法制備纖蛇紋石納米纖維，操作方便、制備工藝簡單，有利于節約人力、物力和財力，可實現大規模生產；采用本發明所得到的產物為纖蛇紋石納米纖維，直徑一般為30～60nm，長度大于10um，純度高，結晶度好，形貌分布較為均勻。
文檔編號C03B37/00GK1850675SQ20061003163
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者馮其明, 劉琨, 楊艷霞, 張國范, 歐樂明, 盧毅屏 申請人:中南大學