专利名称：纤蛇纹石纳米纤维的制备方法
专利说明纤蛇纹石纳米纤维的制备方法 本发明涉及到一种纤蛇纹石纳米纤维的制备方法，属于无机非金属材料、矿物材料、超微细材料的制备及应用领域。自从1991年日本科学家饭岛发现碳纳米管以来，很多种类的一维纳米纤维(包括纳米线、纳米管、纳米棒等)被相继制备出来。因为其特殊的结构、形貌特性，以及在许多领域潜在的广泛应用前景，一维纳米材料引起了越来越多的重视，相关的制备、性能和应用研究方兴未艾。由于人工合成的一维纳米材料存在成本较高、工序较繁等不足之处，因此利用廉价的天然矿物、生物原料制备纳米纤维逐渐引起了人们的关注。纤蛇纹石就是一种引起我们重视的天然矿物。
纤蛇纹石通常称为“温石棉”，是一种应用极广的工业矿物原料。从结构上说，纤蛇纹石是一种呈圆柱管状构造的层状硅酸盐矿物，属三八面体结构。由于结构中硅氧四面体片和氢氧镁石八面体片尺寸在平面二维方向上的差异，在形成结构层(TO型)时，使其呈四面体片居内八面体片居外的结构层卷曲方式形成管状结构。这种纤蛇纹石管的外径一般为数十纳米，内径为数纳米至数十纳米。天然的纤蛇纹石纤维束就是由无数根这样的纤蛇纹石纳米管紧密集聚而成。因此，我们可以以纤蛇纹石为原料，采用“从上到下”的原理，通过完全开松分散宏观领域的纤蛇纹石纤维束，得到介观领域的纤蛇纹石纳米纤维。纤蛇纹石纳米纤维在无机-有机纳米复合材料的制备、水中重金属离子的吸附等领域有着广泛地应用。
纤蛇纹石的分散在工业领域即为温石棉的成浆，是石棉湿法加工的重要步骤。成浆的本质就是使用物理的或化学的方法使纤蛇纹石纤维束松解、纤维剥离分散。温石棉工业成浆的方法有很多种，如循环泵法(中国专利，申请号85107137)、化学渗透法(中国专利，申请号90106728.8)等等。但是这些方法仅仅是将石棉中的大纤维束分散成小纤维束，并不能将纤蛇纹石纤维逐根剥离直至形成单根的纳米纤维。
本发明的目的是提供一种成本低、设备及操作过程简单、适合大规模生产直径数十纳米、长度十几微米、纯度高、尺寸分布均匀的纤蛇纹石纳米纤维的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下纤蛇纹石纳米纤维的制备方法，包括(a)以温石棉商品棉或石棉尾矿为原料，采用水洗提纯法对温石棉进行提纯处理；(b)纯化后的温石棉与阴离子型表面活性剂、水进行混合，浸泡，温石棉、表面活性剂、水混合比例为(1)体系中表面活性剂的浓度要超过其本身的临界胶束浓度，(2)体系中表面活性剂的量要超过其在纤蛇纹石表面形成饱和吸附所需的量；(c)浸泡完成后，将混合液用高速搅拌器进行分散处理，搅拌速度为3000～6000转/分钟，反应完成后得到的均匀胶体溶液；(d)对得到的均匀胶体溶液进行离心处理，离心速度为3000～6000转/分钟，得到的上层乳白色液体经液固分离、洗涤之后，烘干即得白色的纤蛇纹石纳米纤维成品。
所述阴离子型表面活性剂包括二异辛基磺化琥珀酸钠(俗称OT、快T等)、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基磺酸钠等，优选二异辛基磺化琥珀酸钠。经浸泡后可以使表面活性剂与石棉纤维充分接触，有利于后期分散的进行。
混合液用高速搅拌器进行分散处理，可以对纤蛇纹石纳米纤维形成速度及纤维长度进行控制。搅拌速度越高，形成纳米纤维所需的时间就越短，得到的纳米纤维长度也较短。反之，降低搅拌速度则耗时较多，但纤维长度有所增加。
对得到的均匀胶体溶液进行离心处理用于提高产物的纯度，合适速度的离心处理可以除去残留的少量杂质和未完全分散的石棉纤维束，同时不会使纤蛇纹石纳米纤维沉淀。充分的洗涤可以除去溶液中未吸附和纤维表面物理吸附的表面活性剂。表面活性剂通过化学吸附在纤维表面形成的第一层吸附用水不会清洗掉，使纤蛇纹石纤维表面体现出憎水性。
本发明在常温常压下进行。
本发明经对原料提纯处理，有效地除去了石棉商品棉或石棉尾矿中存在的大量杂质矿物，包括磁铁矿、石英、碳酸盐、粘土等，大大提高了石棉的纯度，暴露出许多新鲜石棉表面，有利于阴离子型表面活性剂的渗透和吸附；本发明采用化学分散法制备纤蛇纹石纳米纤维，操作方便、制备工艺简单，有利于节约人力、物力和财力，可实现大规模生产；采用本发明所得到的产物为纤蛇纹石纳米纤维，直径一般为30～60nm，长度大于10um，纯度高，结晶度好，形貌分布较为均匀，该纳米纤维表面包覆了至少一层的有机物，屏蔽了纤蛇纹石纤维表面的活性基团Mg-OH，达到了表面改性的效果，有利于在有机物填料中的应用。
图1FTIR分析图谱，其中，a为分散剂二异辛基磺化琥珀酸钠，b为提纯后的纤蛇纹石，c为纤蛇纹石纳米纤维；图2XRD分析图谱，其中，a为分散剂二异辛基磺化琥珀酸钠，b为提纯后的纤蛇纹石，c为纤蛇纹石纳米纤维；图3纤蛇纹石纳米纤维的SEM图谱；其中，a放大10000倍，其中，b放大100000倍。实施例1将某石棉矿6级温石棉进行提纯后，取10g加入到体积为1L、二异辛基磺化琥珀酸钠浓度为2g/L的水溶液中，浸泡2h(注二异辛基磺化琥珀酸钠的临界胶束浓度约为1.08g/L；其在纤蛇纹石表面的饱和吸附量约为180mg/g)。然后用高速乳化分散机在转速6000rpm对上述混合液高速搅拌分散60min。分散完成后将得到黄白色的均匀石棉胶体溶液，将该溶液在转速4000rpm离心1min，以除去其中含有的少量的微细杂质。离心处理后的石棉胶体溶液色泽更白更亮，将其抽滤，并用蒸馏水反复洗涤6～8次，除去溶液中残留的或是物理吸附在纤蛇纹石表面的二异辛基磺化琥珀酸钠。洗涤干净的滤饼经110℃干燥后，得到白色的纤蛇纹石纳米纤维粉末。分散剂二异辛基磺化琥珀酸钠、原料提纯后的纤蛇纹石、产物纤蛇纹石纳米纤维的FTIR和XRD分析的图谱见图1和图2。产物纤蛇纹石纳米纤维的SEM照片见图3。由图可知，纤蛇纹石纳米纤维表面含有少量的二异辛基磺化琥珀酸钠，但是晶体结构没有受到影响。得到的纤蛇纹石纳米纤维直径一般为30～60nm，长度大于10um，形貌分布均匀，纯度高，结晶度好。
实施例2将某石棉矿的石棉尾矿进行提纯后，取10g加入到体积为1L、十二烷基苯磺酸钠浓度为1.6g/L的水溶液中，浸泡2h(注十二烷基苯磺酸钠的临界胶束浓度约为557mg/L；其在纤蛇纹石表面的饱和吸附量约为141mg/g)。然后用高速乳化分散机在转速6000rpm对上述混合液高速搅拌分散60min。分散完成后将得到灰白色的均匀石棉胶体溶液，将该溶液在转速4000rpm离心1min，以除去其中含有的少量的微细杂质。离心处理后的石棉胶体溶液色泽更白更亮，将其抽滤，并用蒸馏水反复洗涤6～8次，除去溶液中残留的或是物理吸附在纤蛇纹石表面的十二烷基苯磺酸钠。洗涤干净的滤饼经110℃干燥后，得到白色的纤蛇纹石纳米纤维粉末，其直径一般为40～60nm，长度大于10um，形貌分布均匀，纯度高，结晶度好。
权利要求
1.纤蛇纹石纳米纤维的制备方法，其特征在于包括(a)以温石棉商品棉或石棉尾矿为原料，采用水洗提纯法对原料进行提纯处理；(b)纯化后的原料与阴离子型表面活性剂、水进行混合，浸泡，温石棉、表面活性剂、水混合比例为(1)体系中表面活性剂的浓度要超过其本身的临界胶束浓度，(2)体系中表面活性剂的量要超过其在纤蛇纹石表面形成饱和吸附所需的量；(c)将浸泡后混合液用搅拌器进行分散处理，搅拌速度为3000～6000转/分钟，得到均匀胶体溶液；(d)对得到的均匀胶体溶液进行离心处理，离心速度为3000～6000转/分钟，得到的上层乳白色液体经液固分离、洗涤之后，烘干即得白色的纤蛇纹石纳米纤维成品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述阴离子型表面活性剂包括二异辛基磺化琥珀酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述阴离子型表面活性剂为二异辛基磺化琥珀酸钠。
全文摘要
纤蛇纹石纳米纤维的制备方法，包括以温石棉商品棉或石棉尾矿为原料，采用水洗提纯法对原料进行提纯处理；纯化后的原料与阴离子型表面活性剂、水进行混合，浸泡；浸泡后进行分散处理；离心处理，经液固分离得白色的纤蛇纹石纳米纤维成品。本发明采用化学分散法制备纤蛇纹石纳米纤维，操作方便、制备工艺简单，有利于节约人力、物力和财力，可实现大规模生产；采用本发明所得到的产物为纤蛇纹石纳米纤维，直径一般为30～60nm，长度大于10um，纯度高，结晶度好，形貌分布较为均匀。
文档编号C03B37/00GK1850675SQ20061003163
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月11日 优先权日2006年5月11日
发明者冯其明, 刘琨, 杨艳霞, 张国范, 欧乐明, 卢毅屏 申请人:中南大学