一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法技术

本发明专利技术公开了一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法：将蒙脱石原料加水制浆，浆液浓度为5～20wt％，搅拌分散均匀，再用离子交换树脂进行预处理，得到预处理后的蒙脱石浆液；加入改性剂，改性剂用量为蒙脱石CEC的0.6-1.2倍，搅拌分散均匀；将浆液输入湿法超细设备中进行超细，得到浆液粒径分布应为D50≤1.0μm，D90≤5.0μm的蒙脱石浆液；向超细后的浆液中加入电解质，电解质用量为蒙脱石的0～5wt％，搅拌分散均匀，得到目标产物。本发明专利技术明显提高蒙脱石的水分散性、悬浮稳定性和增稠性，尤其是对高层电荷蒙脱石的改善效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法
本专利技术属于蒙脱石深加工领域，具体涉及一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法。
技术介绍
蒙脱石又名微晶高岭石，是膨润土矿的主要成分。它是由两层硅氧四面体片和一层夹于其间的铝氧八面体片构成，在扫描电子显微镜下可以观察到，片层厚度仅为几十个纳米左右，是一种天然纳米矿物材料。晶格内的异价类质同相置换是蒙脱石最基本、最重要的结构特性。硅氧四面体中的硅除能被铝代替外，也可被Fe3+等代替。铝氧八面体中的铝可被不等价阳离子Fe3+、Zn2+、Mg2+、Li+等所置换。这种低价正离子取代高价正离子的同形置换，造成晶体出现正电荷亏损，也就是负电荷过剩，使得蒙脱石层内带负电荷。这些过剩的负电荷由吸附在晶层表面的阳离子来中和。这类阳离子因体积太大，无法进入晶格内，滞留在蒙脱石的层与层之间或者是颗粒表面。在有水存在时，晶体表面吸附的阳离子易被溶液中的其他阳离子所交换，称为“可交换阳离子”。蒙脱石晶体的层间距随着阳离子种类的不同而不同，特别是在阳离子水合能和表面水化能的作用下，克服层间引力使得本身体积快速膨胀，形成单独分离的薄片。在蒙脱石层状薄片的棱边，由于硅氧键和铝氧键的断裂，棱边表面带正电荷，它与片层表面的负电荷相互吸引，从而发生边与面的相互缔合形成了体积庞大的三维空间结构，俗称“卡片宫”。而这些被分隔出来的无数个小室将水封闭在室内，使体系的粘度增加。当体系受到剪切力作用时，网络结构解离，粘度降低；剪切力消失时，体系又恢复成网络结构，粘度上升，即为假塑性流体。蒙脱石的这一性能使其拥有巨大的市场空间和应用价值。阳离子的价数、大小和浓度影响蒙脱石的分散特性。正电荷多、水化半径小的阳离子比正电荷少、水化半径大的阳离子具有更强的吸引力。因为可以更接近粘土表面，压制更多的负电荷。离子价态越高，在胶体结构坍塌前可容纳的电解质越少。简言之，一价阳离子有最弱的絮凝效果，二价阳离子有较强的絮凝效果，三价阳离子的絮凝效果是最强的。蒙脱石吸水膨胀后，晶层底面间距增大，晶层间的范德华力显著减小，晶片较易分散在水中。Na+与Ca2+相比，正电荷少，水化半径大，所以钠基蒙脱石的层间引力更小，水化分散性更强，在水中有相当大的一部分可以分散到单位层的厚度。因此，钠基蒙脱石具有比钙基蒙脱石更为优越的胶体性能，可作为无机凝胶用于铸造行业、钻井泥浆、铁矿球团、涂料、化妆品、医药等领域，市场需求量大。自然界产出的蒙脱石原料绝大部分为钙基膨润土，其吸水膨胀性和悬浮分散性均比钠基膨润土差，因此必须对其进行改性处理。目前相关文献资料报道的制备蒙脱石无机凝胶的方法主要是钠化或锂化法。由于锂盐价格昂贵，使用最多的是钠化法。根据加工方式的不同一般又可分为悬浮液法、堆场钠化法、轮碾钠化法、挤压钠化法、双螺旋钠化法、雷蒙磨法等。阳离子的等量置换能力基于离子电荷和水合半径，故Na+的置换能力比Ca2+、Mg2+弱。但根据质量作用定律，一种阳离子的大量引入将置换出其它阳离子，不论其在溶质顺序中的位置。钠化法的原理就是通过加入钠盐，主要是用Na2CO3作钠化剂，增加钠离子浓度，使钠这一低价阳离子取代蒙脱石层间钙、镁等高价阳离子，从而改型成为钠基蒙脱石。但这种传统的钠化改性方法存在很多问题：1)该传统方法未去除蒙脱石中的钙镁离子，其仍以层间阳离子或碳酸盐等形式存在，这在很大程度上影响了蒙脱石的水分散效果，蒙脱石水化后浆液的悬浮性、粘度及粒度分布等指标均较差。2)钠离子置换出蒙脱石层间的钙离子是个渐进的过程，阳离子交换效率低、时间长，可以长达几个月或一年，且反应的彻底性和均匀性难以保证。这极大的制约了生产效率的提高，并严重影响产品的钠化效果和稳定性。3)天然产出的膨润土矿，在长达亿万年的地质形成过程中，受自然界环境、气候等的影响，颗粒团聚现象明显，纳米活性丧失。对于中低层电荷的蒙脱石，由于晶层间作用力小，采用传统的钠化处理后，即可有较好的水分散性、悬浮性和粘度。而对于高层电荷的蒙脱石，由于层间结合力强，颗粒紧密堆积，团聚现象严重。传统钠化法采用的是搅拌、堆放或挤压等方式来促进离子交换反应的进行，但这种剪切力相对较弱，不足以完全打开高层电荷蒙脱石的片层结构，解聚效果差，很难激发出蒙脱石的纳米活性，钠化作用不明显，因此在水中的分散性和悬浮性差，粘度低，其稳定乳液的性能和增稠性能普遍较弱，一般认为在无机凝胶方面应用价值不高。但是高层电荷的膨润土矿在自然界分布范围很广，种类多储量大，而适宜用作无机凝胶的中低层电荷膨润土矿资源相对较少，原料选择范围很窄。专利CN1843910A先将蒙脱石加水制浆，再加入钠化剂，并用球磨机球磨。但该专利未考虑蒙脱石层间高价阳离子的强絮凝作用对产品性能的影响，产品的粒度、悬浮性和增稠性等均较差。专利CN104013641A先将蒙脱石酸煮处理后多次水洗，再进行碱煮处理后多次水洗，最后经剪切、均质即得成品。专利CN101774599A先对蒙脱石进行多次酸煮水洗，再经长时间水热钠化后水洗、干燥粉碎。最后将其加水制浆，经剪切、均质、干燥粉碎后得成品。但是大量酸碱的水热处理，会严重破坏蒙脱石的晶体结构，导致增稠性和悬浮性明显变差；并且造成环境污染和设备腐蚀。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法，过程简单可控，不会破坏蒙脱石的晶体结构，所得产物粒径较小且粒级分布均匀，在水分散性、悬浮稳定性和增稠性等方面表现优越。为达到上述目的，采用技术方案如下：一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法，包括以下步骤：1)蒙脱石原料加水制浆，浆液浓度为5～20wt％，搅拌分散均匀，再用离子交换树脂进行预处理，得到预处理后的蒙脱石浆液；2)向预处理后的蒙脱石浆液中加入改性剂，改性剂用量为蒙脱石CEC的0.6～1.2倍，搅拌分散均匀；所述改性剂为钠盐或锂盐；3)将浆液输入湿法超细设备中进行超细，得到浆液粒径分布应为D50≤1.0μm，D90≤5.0μm的蒙脱石浆液；所述湿法超细设备采用研磨介质球的直径为0.1mm～5mm，研磨介质球线速度为8m/s～20m/s；4)向超细后的浆液中加入电解质，电解质用量为蒙脱石的0～5wt％，搅拌分散均匀，得到机械化学改性蒙脱石无机凝胶。按上述方案，所述蒙脱石原料可以是钙基蒙脱石、钠基蒙脱石、钙钠基蒙脱石、钠钙基蒙脱石、锂基蒙脱石、镁基蒙脱石中的任意一种；CEC在80mmol/100g以上。按上述方案，所述离子交换树脂为氢离子交换树脂或钠离子交换树脂；预处理后的蒙脱石浆液为氢基蒙脱石或钠基蒙脱石浆液，其层间可交换性二价阳离子占交换性阳离子总量的比例小于30％。按上述方案，所述改性剂为碳酸钠、氯化钠、氟化钠、硫酸钠、硝酸钠、多聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、碳酸锂、氯化锂、硫酸锂、氟化锂、硝酸锂中的一种或任意混合。按上述方案，湿法超细设备为剥片机、砂磨机、振动磨、搅拌磨、纳米球磨机、纳米砂磨机或纳米冲击磨。按上述方案，所述研磨介质球的材料为氧化锆、铈稳定氧化锆、钇稳定氧化锆或硅酸锆；直径为0.3mm～1mm。按上述方案，输入湿法超细设备中得到浆液粒径分布应为D50≤0.4μm，D90≤1.0μm。按上述方案，所述电解质是酸类或碱类或氧化物或Li+、Na+、K+、Mg本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：1)蒙脱石原料加水制浆，浆液浓度为5～20wt％，搅拌分散均匀，再用离子交换树脂进行预处理，得到预处理后的蒙脱石浆液；2)向预处理后的蒙脱石浆液中加入改性剂，改性剂用量为蒙脱石CEC的0.6～1.2倍，搅拌分散均匀；所述改性剂为钠盐或锂盐；3)将浆液输入湿法超细设备中进行超细，得到浆液粒径分布应为D50≤1.0μm，D90≤5.0μm的蒙脱石浆液；所述湿法超细设备采用研磨介质球的直径为0.1mm～5mm，研磨介质球线速度为8m/s～20m/s；4)向超细后的浆液中加入电解质，电解质用量为蒙脱石的0～5wt％，搅拌分散均匀，得到机械化学改性蒙脱石无机凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：1)蒙脱石原料加水制浆，浆液浓度为5～20wt％，搅拌分散均匀，再用离子交换树脂进行预处理，得到预处理后的蒙脱石浆液；所述离子交换树脂为氢离子交换树脂或钠离子交换树脂；预处理后的蒙脱石浆液为氢基蒙脱石或钠基蒙脱石浆液，其层间可交换性二价阳离子占交换性阳离子总量的比例小于30％；2)向预处理后的蒙脱石浆液中加入改性剂，改性剂用量为蒙脱石CEC的0.6～1.2倍，搅拌分散均匀；所述改性剂为钠盐或锂盐；3)将浆液输入湿法超细设备中进行超细，得到浆液粒径分布应为D50≤1.0μm，D90≤5.0μm的蒙脱石浆液；所述湿法超细设备采用研磨介质球的直径为0.1mm～5mm，研磨介质球线速度为8m/s～20m/s；4)向超细后的浆液中加入电解质，电解质用量为蒙脱石的0～5wt％，搅拌分散均匀，得到机械化学改性蒙脱石无机凝胶。2.如权利要求1所述机械化学改性制备蒙脱石无机凝胶的方法，其特征在于所述蒙脱石原料可以是钙基蒙脱石、钠基蒙脱石、钙钠基蒙脱石、...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅娟，严春杰，王洪权，谌刚，陶钢枫，彭盼盼，杨建秀，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，浙江三鼎科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42