[发明专利]一种二氧化硅修饰层状硅酸盐粉体的方法

说明书

本发明提出一种二氧化硅修饰层状硅酸盐粉体的方法，通过制备稀原硅酸溶液、酸性活化原硅酸溶液、碱性原硅酸溶液、活性晶种溶胶、活性晶种/层状硅酸盐悬浮液、原位生长二氧化硅修饰层状硅酸盐和干燥二氧化硅修饰层状硅酸盐悬浮液最终得到二氧化硅修饰层状硅酸盐粉体。本发明能够在层状硅酸盐的表面和边缘同时制备二氧化硅颗粒，达到将层状硅酸盐的层状结构剥离开的目的又避免了使用长链季铵盐等有机插层剂原位插层或原位聚合的聚合物插层分子耐热性差，影响应用温度的问题。

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅修饰层状硅酸盐粉体的方法，属于化工技术领域。

背景技术

层状硅酸盐矿物在自然界中分布极为广泛，是构成地壳、上地幔的主要矿物，其基本结构单元是硅氧四面体与铝氧八面体。根据层状硅酸盐矿物晶层中四面体与八面体结合的方式不同，可分1：1型层状粘土和2：1型层状粘土。其中，1：1型层状粘土主要包括高岭石、蛇纹石等；2：1型层状粘土主要包括云母、蛭石、蒙脱土等，一般来说其片层平均厚度为1nm左右，片层尺寸在100-200nm。矿物形成时，低价阳离子对高价阳离子进行同晶置换则会产生剩余电荷，为使电荷平衡，矿物晶层之间会吸附一些阳离子。因其独特的结构、丰富的资源以及低廉的价格，层状硅酸盐在材料、机械、石油化工、皮革加工、医药、表面处理等多个行业中有着广泛的应用。离子交换能力较高的层状硅酸盐，如钠基蒙脱土在材料领域中作为橡胶、塑料的增强改性剂应用已为人们所熟知。加入少量的蒙脱土(质量分数小于5％)便可使复合材料的力学性能、热性能、阻隔性能得到明显提高。

早期，人们常采用未经改性的蒙脱土(如CN101633740A)与聚合物进行共混，但这种蒙脱土容易引起相分离和团聚，对材料性能产生不利的影响。目前，先要对层状硅酸盐进行相应的改性再将其应用于各个细分领域已成为其应用时的共识。层状硅酸盐其改性基本分为两大类：片层间的离子交换改性和片层边缘的偶联改性。利用层间有可交换阳离子这一特性，使用带有长链的烷基铵盐与之进行离子交换，能够有效地将层状硅酸盐进行剥离，创造一个良好的亲有机环境，是制备层状硅酸盐纳米复合材料简便有效的方法，但由于有机小分子受热分解，会降低材料体系的热稳定性，限制了材料的使用温度。用硅烷偶联剂对蒙脱土进行表面修饰也是较成熟的方法之一，采用硅烷偶联剂(硅烷、铝酸酯、钛酸酯)能够对硅酸盐边缘进行硅烷化修饰，提高其与有机基体的结合力，可直接应用与轮胎行业(如CN102850610A)，但由于层状硅酸盐边缘上的硅羟基很少，能够修饰上的硅烷偶联剂分子也较少，对层状结构的剥离程度不够，在其他领域通常还需要配合层间离子交换改性进一步提高其相容性。

专利CN102134363提供了一种聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的制备方法，其中使用了二氧化硅修饰蒙脱土粒子，将二氧化硅插层在蒙脱土片层之间或接枝于蒙脱土边缘上，既借助二氧化硅表面提供了大量的硅羟基，又利用二氧化硅的体积效应剥离了蒙脱土片层，使得复合材料的性能得到提高。专利CN102344699B利用类似的方法制备了二氧化硅修饰蒙脱土粒子粉体，并将其应用于原位法制备改性水性聚氨酯乳液，改善了皮革用水性聚氨酯树脂的热稳定性、力学性能等。还有文献(工程塑料应用，2010，38(6)：12-16)将同样方法制备的二氧化硅修饰蒙脱土粒子粉体应用与酚醛树脂的合成。此外，专利CN102516596A也提供了一种原位生成二氧化硅剥离并修饰蒙脱土片层的方法。上述方法均使用了烷氧基硅烷在醇溶剂中的水解反应，二氧化硅粒子的生成都是基于经典的法的原理。

此外，专利CN200910223929提供了一种与上述方法不同的制备二氧化硅/层状硅酸盐复合粉末的制备方法，具体来讲就是将层状硅酸盐悬浮液与二氧化硅分散液或硅溶胶直接混合，认为二氧化硅粒子插层到了层状硅酸盐层间，再快速干燥得到粉体。由于没有直接证据表明二氧化硅粒子可以自发的插层到层状硅酸盐层间，这种方法更适用于在如CN201010101334.X或CN201310277146.6那样只要求二氧化硅与蒙脱土片层共同存在的体系中的情况。

综上，现有技术在利用二氧化硅对层状硅酸盐的修饰过程中，要么需要使用价格昂贵的有机溶剂和烷氧基硅烷，要么只是简单的混合，不能很好的实现对层状硅酸盐表面进行二氧化硅修饰的目的。