有机膨润土的制备及其在涂料中的应用
・试验研究・ IM &P化工矿物与加工 2005年第11期
文章编号:1008-7524(2005) 11-0015-03
有机膨润土的制备及其在涂料中的应用
罗太安, 刘晓东, 陈泉水
(东华理工学院材料科学与工程系, 江西抚州 344000)
Ξ
摘要:以内蒙古某地天然膨润土为原料, 探讨了有机膨润土制备的最佳工艺并用红外光谱仪对产品进行了表征。流变性实验表明, 有机膨润土是一种非牛顿型触变体系, 对改善涂料的使用性能非常有效。
关键词:有机膨润土; 流变性; 涂料中图分类号:TD975 文献标识码:A
0 引言化学组成(%) :SiO 2, 69. 17; Al 2O 3, 14. 43; Fe 2O 3, 3. 12; MgO , 3. 31; CaO , 1. 29; Na 2O , 1. 95; K 2O ,0. 83; Ti 2O ,0. 13FeO ,0. 02; MnO , 0. 04; ,5. 有机膨润土是用天然铝硅酸盐矿物经活化处理后加入有机表面活性剂改性制备而成的一种新型原料。由于有机膨润土疏水而亲油, 在有机溶剂中具有优良的溶胀性、高分散性和触变性等特点, 因此, 有利于有机悬浮液的形成和稳定, 有良好的增稠增粘效果, 料、化妆品、稠剂。目前, 备方法分为三种[1], 即湿法、, 其中湿法生产流程比较简单, 对原料品位要求较低。因此, 本文以内蒙古某矿的膨润土为原料, 选用湿法制备有机膨润土, 并初步探讨该产品对涂料性能的影响。1 实验样品的特性
:,74. 05, >100/15g ; 膨胀容,29. 25; ,49. 11mL/3g ; p H ,9. 14。2 实验2. 1 制备原理
有机膨润土的制备就是用有机季铵盐阳离子与蒙脱石层中可交换阳离子(主要是钠离子) 发生离子交换反应, 使有机基团覆盖于蒙脱石矿物表面, 使它的表面性能发生变化, 由原来的亲水性转变为亲油性。2. 2 制备过程
对经破碎、过200目筛的天然膨润土进行了X —射线衍射分析, 结果如图1
。
具体过程:原料土先浸泡一个星期, 然后浮选; 再将浮选出的土浆过200目, 滤浆经抽滤干燥后, 用球磨机将其研碎, 再过200目筛; 筛下的土放入反应器中, 加入一定量蒸馏水, 搅拌至浆状, 加入8%NaCl改性剂, 在70℃±2℃、p H 为7～8下钠化改性2h [2]; 反应完后加入一定量有机改性剂, 在一定改性条件下反应完毕, 过滤、干燥后研磨, 过200目筛, 即得有机改性土。然后通过测试
图1 试样的X —衍射图
结果表明:蒙脱石是该矿物的主要矿物组成。
反应过程中的粘度变化来评价改性效果。3 结果与讨论
Ξ收稿日期:2005-06-08
项目来源“:十五”国防预先研究项目(编号41602301)
) , 男, 讲师, 硕士, 主要从事材料学的教学、 作者简介:罗太安(1975—科研工作。
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・试验研究・ IM &P化工矿物与加工 2005年第11期3. 1 季铵盐种类的选取
70℃,p H 值7。3. 3 产品性能检测
3. 3. 1 产品红外吸收光谱分析
根据碳链的不同, 常用的季铵盐[2]有十八烷基三甲基氯化铵(1831) , 十六烷基三甲基氯化铵(1631) , 十二烷基三甲基氯化铵(1231) , 十二烷基
用Perkin -Elmer1752X 型红外光谱仪测定产品的红外特性, 结果如图2。
二甲基苄基氯化铵(1227) 等, 本文选用1831、1631和1231三种季铵盐对膨润土进行了有机改
性, 以粘度作为评价指标, 测定结果见表1。
表1 三种季铵盐对膨润土有机改性结果
改性剂粘度/mPa ・s
18311108. 3
16311062. 13
12311048. 6
图2 红外光谱图
由表1知,1831的有机改性效果最好。因此, 本文后续实验采用1831为有机改性剂。3. 2 最佳工艺的确定
1-原土;2-改性膨润土
图2看出, 与原土相比, 有机膨润土的红外光谱图上增加了三个强吸:2927. 67cm -1、2851. 06-1、。其中1480. 85,2851. 06-2, 2927. 67CH 伸缩振动吸收谱带, 这表明了有机基
影响有机改性的因素主要有:每100g 膨润土(干质量) 季铵盐用量、反应时间、反应温度和p H
值。参考已有成果[3], 选用L 9(34) 正交表, 水平四因素表。表2 列号
季铵盐用量
-1
团已经进到膨润土的层间, 取代了K +、Na +、Ca 2+、Mg 2+等离子, 形成了有机膨润土。3. 3. 2 产品流变性的测定
]
(100g 膨润土) 实验号/[g・123456789
[***********]3289. 23622. 73545. 6333. 5
间/h
[1**********]21. 53439. 63536. 4114. 9
度/℃
[***********]3426. 83517. 53453. 290. 7
p H 值[**************]13. 63431. 981. 7
粘度
/mPa ・s 10641120. 81104. 41198. [1**********]58. 81128. 81198
为了研究有机膨润土的流变性, 将有机膨润土按粘度测试的要求调成凝胶, 后用NDJ —1型旋转粘度计以不同的转速使其受到不同的剪切应力的作用, 得出粘度与剪切应力的关系曲线图和在固定转速的条件下, 得出粘度与时间的关系曲线图。结果如图3、4所示。
从图3可以看出, 当剪切应力增加时, 泥浆的粘度急剧下降, 这是由于膨润土胶体结构受到破坏的原故, 且剪应力越大, 粘度下降也越甚。图4说明, 在固定转速下, 粘度开始时迅速下降, 然后趋于稳定。这说明有机基膨润土泥浆是一种非牛顿型触变体系, 它在有机溶剂中膨胀、触变形成空间立体结构的网络体。这种胶体在搅拌时变成低粘滞性的悬浮液, 静止时又恢复到初始胶体的结构状态。显然, 有机膨润土的这种优异的流变性对改善涂料使用性能非常有利, 涂刷时涂料的粘滞性降低, 易于操作。涂刷后系统又重新获得原
ⅠⅡⅢ
R
由表2极差分析可得, 影响1831有机改性效果的因素主次顺序为:季铵盐加入量, 反应时间, 反应温度,p H
值。实验的最优化条件为:季铵盐用量25g/100g 膨润土, 反应时间3h , 反应温度・16・
・试验研究・ IM &P化工矿物与加工 2005年第11期有的结构, 使粘度提高, 防止了涂料的流挂。此外涂料静置时, 胶体出现分层现象, 只要稍一搅动, 分散于胶体中的物质及其集合体又恢复到原有的悬浮状态, 因而有利于涂料的贮存和施工
。
a. 利用内蒙古某地膨润土可以生产优质的有机膨润土。其工艺条件为:1831作有机改性剂, 季铵盐用量25g/100g 膨润土, p H 值7, 反应时间3h , 反应温度60℃。
b. 红外光谱分析表明, 改性后有机基团已经
进到膨润土的层间, 取代了K +、Na +、Ca 2+、Mg 2+等离子, 形成了有机膨润土。
c. 流变性实验说明, 有机膨润土在有机介质
中是一种非牛顿型触变体系。
d. 有机膨润土能改善涂料的性能和施工条
图3 粘度与剪切应力(转速)
的关系
件, 在涂料工业中将有广阔的应用前景。5 参考文献
[1] 刘福生, 彭同江, 等. 膨润土有机化、纳米复合研究及利用
进展[J].中国非金属矿工业导报, 2001, 24, (6) .
[2] 罗太安, 刘晓东. [J].非金属矿, 2004, (3) :3637.
[3]. [J].化学与粘合, 6-图4 粘度与时间的关系
3. 4 [4]等. 改性膨润土在涂料中的应用及其研究[J].防腐
,2003(2) :10-11.
, 充分搅拌后混合, , 其结果如表3。
表3 有机膨润土改善涂料性能指标
未加有机膨润土的涂料添加有机膨润土的涂料
外观沉淀
结皮有沉淀
均匀无沉淀
Preparation of organic bentonite and its application in coating
L UO Tai 2an ,L IU Xiao 2dong ,CHEN Quan 2shui
(Department of Material Science and Engineering ,
East China Institute of Technology , Fuzhou Jiangxi 344000, China )
Abstract :Organic
bentonite was prepared by taking natural ben 2
tonite as raw material. The major factors on synthetic process of the organic bentonite such as p H value , reaction time and temperature ,
由表3可知, 有机膨润土的加入可以较好地改善涂料的结皮和沉淀现象, 其原因主要在于[4]:有机膨润土加入涂料中, 其片状晶体吸附长链化合物, 片状晶体边缘含有的氧和氢氧基团能在涂料中形成氢键, 从而改善了涂料的沉淀性。4 结论
adding quantity of quaternary ammonium salt , were discussed and the optimum coversion conditions were obtained. And the product of organic bentonite was analyzed by means of FT 2IR. The results of the rheological property showed that organic bentonite was a kind of non 2Newtonian fluid system and it would be used extensively in coat 2ing.
K eyw ords :organic bentonite ;
rheologic property ; coating
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