一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶的制备方法

摘要

本发明公开了一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶的制备方法，其特征在于，采用来源极其广泛的蒙脱石为反应基料，首先利用稀土离子和硫元素通过高温固相反应对其结构进行改性，然后加入有机季铵盐进行插层反应，最后充分干燥，即制得膨胀性能极其优异的有机蒙皂石凝胶，其可广泛用于医药、化妆品、涂料、高温润滑脂等行业中。

说明书

技术领域

本发明涉及有机蒙皂石族矿物合成领域，具体涉及一种高膨胀性、高增稠能力、高粘度的有机蒙皂石的合成方法。

背景技术

蒙皂石族矿物包含二八面体亚族（蒙脱石、贝得石、绿脱石等）和三八面体亚族（锂皂石、镁皂石、斯皂石等）。蒙皂石族矿物片晶结构都呈现出强缺电子和强电负性结构，其层间都吸收了一定数量Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子以弥补电荷平衡。这些层间阳离子可以被季铵盐有机阳离子所取代，所生成的有机蒙皂石从亲水疏油转变成了亲油疏水，并且能在二甲苯、正己烷、乙酸乙酯、丁酮、植物油、矿物油等有机油性体系中分散、膨胀、剥片直至形成类似于“卡片房子”的凝胶结构，从而赋予油性体系高粘度、高稠度以及高触变性。

目前，尽管所有蒙皂石族矿物都能通过季铵盐发生有机化插层反应，但市场化商品只有有机蒙脱石和有机锂皂石。其中，虽然有机锂皂石的增粘增稠能力优于有机蒙脱石数十倍，但由于前者成本高昂，性价比较低，因此仅有后者才真正被市场广泛认可和接受，而前者仅用于极其高端的增粘增稠领域。

在我国，经过有机改性的蒙脱石的主要特性就是在有机介质中表现出良好的溶胀性、高分散性和触变性，其在涂料、纺织业、油墨、高温润滑脂、日用化妆品、环境保护、聚合物改性等行业都得到了广泛的应用。比如，有机蒙脱石作为流变助剂广泛用于涂料的生产、施工、储存、成膜的各个阶段。有机蒙脱石一般作为防沉剂、增稠剂用,其防止沉降的机理是改变了体系的流变性能,使其具有触变性,从而可以防止颜料的沉降。在高速印刷油墨方面,有机蒙脱石也可用于油墨增稠,根据需要来调节油墨的黏稠度及控制渗透性。由于有机蒙脱石结构和性质上的特点，它在油墨中能起到改善油墨印刷适性的作用。

尽管有机蒙脱石很多年前已在国内外获得广泛应用，但其在有机油性体系中的膨胀性和增稠能力不理想，仅能膨胀几倍至十几倍，远远不如有机锂皂石。而有机锂皂石的成本高昂，售价高，性价比较低，市场难以接受。因此，如何制备在有机介质中增稠能力优异且性价比高的有机蒙皂石是当今国内行业迫切所要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种高性价比、高膨胀性、高触变性的有机蒙皂石凝胶的制备方法。该制备方法首先利用稀土离子和硫元素通过高温固相反应对其结构进行改性，然后进行有机季铵盐插层反应，最后充分干燥即制得膨胀性能极其优异的有机蒙皂石凝胶。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 ：

一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶的制备方法，其特征在于：由下列质量份数的原料组分按照如下步骤制备：

（1）首先将5~10份稀土物质和1~5份含硫物质完全溶于100份纯水中，然后加入100份蒙脱石并充分搅拌5~15min，再于100~150℃焙烧30~60min；之后取出并加入1000~2000份纯水，充分搅拌直至改性蒙脱石完全分散；

（2）其次将10~30份季铵盐加到300~600份纯水中，并加热至75~90℃，在充分搅拌条件下直至季铵盐完全溶解；然后将季铵盐溶液加到步骤（1）所制备的改性蒙脱石悬浮液中，再升温至60~85℃并保温搅拌反应1~2h；最后停止加热，经过滤、充分洗涤后将滤饼在60~100℃下充分干燥，即制得有机蒙皂石凝胶。

本发明中，所述的稀土物质为Ce(NO₃)₃、Ce₂(SO₄)₃、CeCl₃、Dy(NO₃)₃、Dy₂(SO₄)₃、DyCl₃、Sr(NO₃)₂、SrSO₄、SrCl₂中的一种或几种任意组合；所述的含硫物质为硫代硫酸钠、硫化钠、硫脲中的一种或几种任意组合；所述的季铵盐为十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、双十八烷基甲基苄基溴化铵、双十八烷基甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种任意组合。

在本发明技术方案中，将蒙脱石浸渍于含有稀土离子和硫元素的溶液中，由于蒙脱石具有很多微孔结构，稀土离子和含硫离子渗入其中。然后在焙烧过程中，稀土离子渗入蒙脱石晶格中Al-O二八面体结构里，并且取代一定数量的Al³⁺，从而让Al-O二八面体处于向稀土离子/Al-O三八面体畸变过渡的状态；即，此时蒙脱石晶格既不完全为二八面体，也不完全为三八面体，而是处于两者之间的过渡状态。这个过渡状态在自然界中并不存在，是通过人工合成手段获得的。另一方面，在高温焙烧过程中，S会渗入蒙脱石晶格Si-O四面体中，一定程度地破坏了Si-O四面体结构，从而降低了蒙脱石层与层之间的结合力，极大利于蒙脱石在有机介质中膨胀、剥离和凝胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所制备的蒙脱石具备全新化学结构，其由上下两层S/Si-O四面体中间夹一层稀土离子/Al-O过渡八面体所构成，由此通过插层反应得到的有机蒙皂石凝胶，不仅其展现出来的优异膨胀性能接近有机锂皂石的水平，而且其以来源广泛、价格低廉的蒙脱石为反应基料，其生产成本接近有机蒙脱石，因而性价比高，市场竞争力强。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶由下列质量份数的原料组分按照如下步骤制备：

（1）首先将5份Ce(NO₃)₃和1份硫代硫酸钠完全溶于100份纯水中，然后加入100份蒙脱石并充分搅拌5min，再于100℃焙烧30min；之后取出并加入1000份纯水，充分搅拌直至改性蒙脱石完全分散；

（2）其次将10份季铵盐十八烷基三甲基溴化铵加到300份纯水中，并加热至75℃，在充分搅拌条件下直至季铵盐完全溶解；然后将季铵盐溶液加到步骤（1）所制备的改性蒙脱石悬浮液中，再升温至60℃并保温搅拌反应1h；最后停止加热，经过滤、充分洗涤后将滤饼在60℃下充分干燥，即制得有机蒙皂石凝胶A。

实施例2

一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶由下列质量份数的原料组分按照如下步骤制备：

（1）首先将5份Dy₂(SO₄)₃、5份SrCl₂、2份硫化钠、3份硫脲完全溶于100份纯水中，然后加入100份蒙脱石并充分搅拌15min，再于150℃焙烧60min；之后取出并加入2000份纯水，充分搅拌直至改性蒙脱石完全分散；

（2）其次将15份双十八烷基二甲基氯化铵和15份十八烷基二甲基苄基溴化铵加到300~600份纯水中，并加热至90℃，在充分搅拌条件下直至季铵盐完全溶解；然后将季铵盐溶液加到步骤（1）所制备的改性蒙脱石悬浮液中，再升温至85℃并保温搅拌反应2h；最后停止加热，经过滤、充分洗涤后将滤饼在100℃下充分干燥，即制得有机蒙皂石凝胶B。

实施例3

一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶由下列质量份数的原料组分按照如下步骤制备：

（1）首先将3份Ce₂(SO₄)₃、2份Dy(NO₃)₃、2份SrCl₂、1份硫代硫酸钠、1份硫化钠、2份硫脲完全溶于100份纯水中，然后加入100份蒙脱石并充分搅拌10min，再于120℃焙烧40min；之后取出并加入1500份纯水，充分搅拌直至改性蒙脱石完全分散；

（2）其次将5份十八烷基三甲基氯化铵、5份双十八烷基甲基苄基溴化、5份十八烷基二甲基苄基氯化铵加到300~600份纯水中，并加热至80℃，在充分搅拌条件下直至季铵盐完全溶解；然后将季铵盐溶液加到步骤（1）所制备的改性蒙脱石悬浮液中，再升温至65℃并保温搅拌反应1.2h；最后停止加热，经过滤、充分洗涤后将滤饼在70℃下充分干燥，即制得有机蒙皂石凝胶C。

实施例4

一种高膨胀性高触变性有机蒙皂石凝胶由下列质量份数的原料组分按照如下步骤制备：

（1）首先将2份CeCl₃、2份DyCl₃、2份Sr(NO₃)₂、2份SrSO₄、1.5份硫代硫酸钠、0.5份硫化钠、1.5份硫脲完全溶于100份纯水中，然后加入100份蒙脱石并充分搅拌12min，再于140℃焙烧50min；之后取出并加入1800份纯水，充分搅拌直至改性蒙脱石完全分散；

（2）其次将5份十八烷基三甲基氯化铵、4份双十八烷基二甲基溴化铵、3份双十八烷基甲基苄基溴化铵、6份十八烷基二甲基苄基氯化铵加到300~600份纯水中，并加热至85℃，在充分搅拌条件下直至季铵盐完全溶解；然后将季铵盐溶液加到步骤（1）所制备的改性蒙脱石悬浮液中，再升温至80℃并保温搅拌反应1.5h；最后停止加热，经过滤、充分洗涤后将滤饼在90℃下充分干燥，即制得有机蒙皂石凝胶D。

将所制备的有机蒙皂石凝胶A~D及Bentone SD-1、Bentone SD-3（美国ElementisSpecialties）用二甲苯配成固含量为5%的有机溶液，3000rpm下高速搅拌30min后静置1h，然后进行相关测试，结果如下表所示。

表对比测试数据

由对比测试数据可知，采取本发明技术方案制备的有机硅凝胶在有机介质中膨胀性能优异，其粘度大，触变性强，凝胶强度高，片晶实现了近乎完美的端-面接触，能形成稳定的“卡房式结构”，相关性能指标远超国外进口的同类商品，说明其能够作为极其优异的增粘增稠流变助剂广泛地应用于油漆、油墨、化妆品、高温润滑脂、药品、农药悬浮等行业中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。