專利名稱：對凹凸棒石進行表面處理的方法
技術領域：
本發明屬于無機/有機納米復合材料，特別涉及對凹凸棒石(ATP)進行表面 處理的方法。用本發明進行處理的ATP可用于制備高性能的聚合物納米復合 材料。
背景技術：
凹凸棒石在礦物學上隸屬于海泡石族，是一種具有特殊的層鏈狀分子結 構的含水富鎂鋁硅酸鹽礦物，1982年發現于前蘇聯烏拉爾礦區的熱液蝕變產 物中而得名。1935年法國學者巴朗特在美國佐治亞州凹凸堡和法國莫摩隆沉 積巖層中也曾發現這一礦物，并命名為凹凸棒石，英文縮寫為ATP (以下簡稱 ATP) 。 ATP的晶體結構呈長寬比很高的纖維狀或窄帶狀，依產地不同而有所 差異。ATP的顯微結構包括3個層次(l)ATP的基本結構單元為棒晶，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納米材料，但通常情況下容易聚集， 導致ATP與聚合物復合只能起到填充增量作用，不能充分發揮其應有的作用。 為了解決這一缺陷，需要對ATP進行預處理，PP / ATP納米復合材料的制備 與性能研究(王平華，工程塑料應用，2003年，12 (31) 12)中提到用偶聯 劑KH—570對ATP進行預處理，再用處理后的ATP與聚丙烯(以下簡稱PP) 共混后，復合材料的力學、結晶性能均有所提高。而聚丙烯接枝馬來酸酐對 聚丙烯/凹凸棒石復合材料力學性能的影響(呂召勝，塑料工業，2005年，5 (33) 174)中提到用聚丙烯接枝馬來酸酐對復合體系進行增容，對ATP在 PP分散狀態沒有顯著影響，力學性能改善也不明顯。 一種納米纖維增強劑的 制備方法(中國發明專利，ZL02159287.X,公告號1195009C)中描述了包覆 隔離得到納米纖維增強劑的方法，用于針狀硅酸鹽中的有機表面隔離劑為天 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。
發明內容
本發明的目的是提供一種對ATP進行表面處理的方法，以解決ATP與聚合 物復合只能起到填充增量作用，不能充分發揮其應有的納米效應。
本發明是制備聚烯烴/ATP納米復合材料的前期準備工作對ATP的表面 處理。經氧化聚乙烯處理的ATP對聚丙烯/ATP納米復合材料的力學性能有突 出地貢獻，其優越性更突出表現在對復合材料缺口沖擊強度的顯著提高。
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復合物，進而在和PP熔融共混時，有利于增強ATP 和聚丙烯的界面結合作用力，提高材料的力學、結晶等性能。
本發明的對ATP進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
合物；
(3) .將步驟(2)得到的復合物在具有強機械剪切作用力的設備上施加 反復的剪切作用；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP復合物，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復合物中進一步加入沉降劑，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復合物在具有強機械剪切作用力的設備上反復 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復合物在粉碎機中粉碎成粒徑為0.01 0.1mm的顆粒。
所述的超聲分散時間是5 100分鐘。 所述的反復研磨時間是10 100分鐘。 所述的干燥時間是10 1 OO小時。
所述的具有強機械剪切作用力的設備是三輥研磨機或開放式煉膠機等。
所述的超聲波的功率是50Hz。
本發明的原理是超聲條件下ATP在氧化聚乙烯乳液中進行分散復合， 形成氧化聚乙烯ATP復合物，或加入沉降劑破壞介質中的pH值使氧化聚乙 烯ATP復合物得以沉降。在具有強機械剪切作用力的設備上對復合物實施反 復的機械剪切作用。干燥后得到經氧化聚乙烯處理的ATP可直接用于聚合物 復合，其最優條件是在高速粉碎機中粉碎成微米級別的ATP顆粒。
本發明得到的ATP填充在聚丙烯中，對PP有很明顯的增強、增韌效果 (見圖l)。且ATP在PP中的分散效果好。
圖l.本發明實施例1、 2、 3、 5得到的ATP/PP納米復合材料缺口沖擊強
度圖。 附圖標記
■ PP/ATP (未處理)令實施例1 A實施例2 V實施例具體實施方式
實施例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;或將3ml磷酸加入到經超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復合物中，攪拌，靜置待復合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的氧化聚乙烯ATP復合物或沉降后得到的ATP復 合物在三輥研磨機上反復研磨45分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的ATP復合物，在溫度為ll(TC的真空 干燥箱中抽真空干燥16小時，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm;
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復合物在高速粉碎機中粉碎成粒徑為0.01 O.lmm的ATP顆粒，得到經氧化聚乙烯處理的ATP。
實施例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;或將3ml磷酸加入到經超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復合物中，攪拌，靜置待復合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的氧化聚乙烯ATP復合物或沉降后得到的ATP復 合物在三輥研磨機上反復研磨50分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的ATP復合物，在溫度為ll(TC的真空 干燥箱中抽真空干燥14小時，得到的凹凸棒石粒徑為0.01 1 mm;
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復合物在高速粉碎機中粉碎成粒徑為0.01 O.lmm的ATP顆粒，得到經氧化聚乙烯處理的ATP。
實施例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;或將3ml磷酸加入到經超聲分散 后得到的氧化聚乙烯ATP復合物中，攪拌，靜置待復合物體系沉降；
(3) .將步驟(2)得到的ATP復合物或沉降后得到的ATP復合物在三輥 研磨機上反復研磨60分鐘；
(4) .將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯ATP復合物，在溫度為110 'C的真空干燥箱中抽真空干燥12小時；
(5) .將步驟(4)干燥后的ATP復合物在高速粉碎機中粉碎成微米級別 的ATP顆粒，得到經氧化聚乙烯處理的ATP。
實施例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復合物在開放式煉膠機上反復 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復合物，在溫度為105。C的千燥 箱中干燥10小時，得到經氧化聚乙烯處理的ATP。
實施例5.
分別稱取實施例l、 2、 3所處理的lg、 3g、 8gATP和未經過處理的ATPlg、 3g、 8g作為參照，分別與100g的PP熔融共混。測試其對力學性能的影 響如下
1. 拉伸試驗
拉伸強度最高提高10.68% (實施例2)，彈性模量最高提高8.15% (實施 例2)。
2. 缺口沖擊試驗
缺口沖擊強度最高提高82.51% (實施例2)。
3. 彎曲試驗
彎曲強度最高提高35.65% (實施例3)。
4. 力學性能小結
經氧化聚乙烯處理的ATP與PP熔融共混得到的ATP/PP納米復合材料， 在ATP含量為3時力學性能提高到最大，隨著ATP含量的增加，力學性能呈 現下降趨勢，ATP與氧化聚乙烯固含量之比為2: l時力學性能最好。為增強 增韌提供了很好的數據支持。
實施例l、 2、 3、 5得到的ATP/PP納米復合材料缺口沖擊強度見圖1。
權利要求
1. 一種對凹凸棒石進行表面處理的方法，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合物；(3). 將步驟(2)得到的復合物在具有強機械剪切作用力的設備上施加反復的剪切作用；(4). 將步驟(3)得到的研磨后的氧化聚乙烯凹凸棒石復合物，在溫度為100～114℃的條件下干燥備用。
2. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征是在超聲分散后得到的氧化 聚乙烯凹凸棒石復合物中進一步加入沉降劑，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. 根據權利要求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. 根據權利要求4所述的方法，其特征是所述的沉降劑是酸或路易斯酸。
7. 根據權利要求4所述的方法，其特征是所述的沉降后得到的凹凸棒石復合物，在具有強機械剪切作用力的設備上反復研磨后，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. 根據權利要求1或7所述的方法，其特征是所述的干燥后的凹凸棒石復合物在高速粉碎機中粉碎成粒徑為0.01 0.1mm的顆粒。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(2)所述的超聲分散時間 是5 100分鐘。
10. 根據權利要求1或7所述的方法，其特征是所述的研磨時間是10 100分鐘。
全文摘要
本發明屬于無機/有機復合材料，特別涉及對凹凸棒石(ATP)進行表面處理的方法。將凹凸棒石和氧化聚乙烯乳液在超聲條件下進行分散復合，得到凹凸棒石分散在氧化聚乙烯乳液中的復合物。將復合物直接或加入沉降劑沉降后，在具有強機械剪切作用力的設備上對其施加反復的剪切作用，得到可用于聚合物復合的經氧化聚乙烯處理的凹凸棒石。用本發明處理的凹凸棒石可直接用于制備高性能聚合物納米復合材料。
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 優先權日2007年9月3日
發明者官建國, 李麗坤, 馬永梅 申請人:中國科學院化學研究所