专利名称：不使用任何用于形成高度膨胀的蛭石的有机粘合剂或添加剂制造高度膨胀的蛭石的方法
技术领域：
本发明涉及制造高度膨胀的蛭石的方法，所述方法无需使用用于形成高度膨胀的蛭石的有机粘合剂或有机添加剂，在所述方法结束时这些
蛭石具有在高达100(TC下不劣化的机械和化学性能。
蛭石是属于层状硅酸盐(即，结构为薄片形式的硅酸盐)族的粘土。蛭石中的薄片结构使得薄片具有手风琴式形式。
由于具有这种结构，蛭石能够捕获大量空气，并自然而然地发现在热绝缘领域中的用途。因此，它们可用作块状绝缘体，特别是用于天花板，或者可混入诸如水泥或胶黏剂等建筑材料中以提供此绝缘功能。
因此，本发明的通用领域之一为热绝缘领域。
背景技术：
许多年来，石棉都是热绝缘领域中的重要材料之一，除此之外石棉还具有非常高度的不燃性的特点。
石棉是具有纤维性质的硅酸钙镁，具有分离为容易被吸入并抵达肺泡或甚至胸膜的微观粒子的能力，这使得吸入特别容易致病。因此，法国自1997年起禁止了石棉的制造和销售。
基于此原因，实业家们已经考虑使用不容易分离为微观粒子的其它硅酸盐代替石棉。这正是大多数层状硅酸盐显著具有的情况，它们不再具有石棉所具有的纤维结构，但具有薄片结构。
更精确地说，层状硅酸盐代表一大家族的硅酸盐，其中Si04四面体
结合在一起并形成无限的二维薄片，且以2:1或l:l的比例与MgO或AlO八面体缩合，这些元素中有些元素能够进行同晶置换(Si可以由四面体中的Al部分置换，而对于Al， Fe和/或Mg能够占据八面体的相同位置)。
3四面体和八面体的中心由氧化度为+4以下的阳离子(Si4+、 Al3+、 Mg2+)
占据，使得薄片上的电荷为负电荷。
当四面体与八面体以2:1的比例縮合时，换言之，这意味着在薄片 中八面体层夹在两个四面体层之间(该结构也被称作"TOT型堆叠")。 在这些2:1的层状硅酸盐中，根据半网孔(half-mesh)计算的薄片的负载为 0.6 0.9的那些层状硅酸盐被称为蛭石。通过水合阳离子(例如碱金属、 碱土金属或铁/亚铁阳离子)所占据的片间间隙，薄片与另一相同的薄片 分开，所述阳离子的正电荷抵消了存在于薄片表面上的负电荷。这些阳 离子通过范德华型弱键结合在薄片上。
由于具有薄片和手风琴结构，因此蛭石(如果是膨胀的)在热绝缘 方面极其引人注意，因为该结构提供了大量能够捕获空气的小室。此外， 可以通过利用适当的处理来进行薄片的膨胀，即，显著增加片间距，以 使此种结构接受空气的能力可以得到提高。
在过去几年中，已经使用了各种制造膨胀蛭石的方法。
因此，通过在800。C 110(TC迅速加热可以获得膨胀蛭石，如 Meisinger在"Mineral Facts and Problems" (675巻，1985年版，US department of the Interior Bureau of Mines Washington, 917-922页)中所描 述。其机理从根本上说是机械的。突然升温引起了片间水分的蒸发，导 致片分离。这种方法也被称作机械膨胀。该方法使得体积可增加12 18 倍。
其它研究者通过将蛭石与过氧化氢水溶液接触来进行蛭石的膨胀。 其机理基于过氧化氢分子对水分子的置换(插层反应)。过氧化氢分子通 过以氧或水的形式在片间空隙中分解，导致薄片的分离。这种方法也被 称作化学膨胀。观察到粒子体积的增加，其膨胀系数为150 200。
WO 03004578描述了以下述方式制备的通过化学方法膨胀的蛭石
-首先通过接触氯化钠饱和水溶液来处理未膨胀的粗蛭石，以置换 镁离子并产生同离子的蛭石；
-将以此方式获得的同离子的蛭石与含有n-CrH3NH3离子的溶液接 触，以使用n-CrH3NH3离子置换钠离子；-最后，用水对蛭石进行简单洗涤以完成膨胀。
然而，只有使用会确保蛭石颗粒团聚的高分子型有机粘合剂，才可 能获得这些蛭石。
由于此高分子粘合剂的存在，上述蛭石在30(TC以上进行了大量结 构的修饰并以此方式失去其机械性能后，可能无法应用于所受温度高于 450'C的情况。
因此，存在对于能够获得下述高度膨胀的蛭石的简单方法的实际需 求，所述蛭石能够无需使用有机粘合剂形成，并且可以用于可能承受可 拓展至IOO(TC的温度的应用。
发明内容
因此，根据第一个目的，本发明涉及制备膨胀蛭石的方法，所述方
法依次包括以下步骤
-在400。C 60(TC的温度下加热未膨胀的含水蛭石3小时 7小时 由此产生脱水蛭石的步骤；
-将所述脱水蛭石与含有插入剂的溶液接触的步骤，所述插入剂能 够分解并同时产生至少一种气体。
在上述温度范围和持续时间范围内加热的步骤特别重要，因为这样 可以获得伴随薄片分离的最优的脱水，以此方式释放层间空隙。以此方 式获得的空的层间空隙可以以加速和最优的方式接受插入剂。因为插入 剂以气体的形式分解，所以可以因释放这些气体而使薄片发生更显著的 分离。
此外，由于水分子自片间空隙的最优释放，插入剂与薄片接触而未 由片间的水进行稀释，这大大地提高了该插入剂的效率。
可用作原料蛭石的未膨胀的含水蛭石可以是鳞片形式的蛭石，其平 均长度和宽度为厘米级，厚度通常小于l毫米，并且通过X射线衍射测 量的层间距为12.1A的量级。满足这些标准的蛭石之一是来自南非 Palabora矿的蛭石。
如前所述，本发明的插入剂是能够至少以气体形式分解的试剂。本发明的极其有效的插入剂为过氧化氢H202，其分解为&0和02，氧气 的释放有助于薄片的分离，由此有助于膨胀。
从实践的角度来看，与含有插入剂的溶液接触通常包括将已经在
400。C 60(TC下预先脱水3小时 7小时的蛭石浸入所述溶液中。脱水蛭 石表现出片间距减小，并倾向于在80(TC热处理下其值达到IOA。 ..
当插入剂为过氧化氢时，所用溶液可以是过氧化氢浓度为35重量 % 50重量％的溶液。所述接触步骤可以在2(TC 10(TC的温度下进行， 为提高插入剂的分解速率，加热要特别强烈。
使用这种过氧化氢溶液，无论其浓度如何，对于在40(TC脱水7小 时的蛭石而言，在一小时的浸入结束时都可以观察到显著的膨胀，在12 小时的浸入结束时膨胀达到其最大值。在同样条件下于60(TC脱水可在1 小时内获得最大程度的膨胀。对于这两个预处理温度，过氧化氢的插入 导致出现片间距大于例如IOOA的蛭石。
在这两种情况下，该现象伴随着惊人的膨胀。蛭石鳞片的表观体积 扩大了约600倍。当在相同浓度和持续时间的实验条件下将粗蛭石(即 未进行本发明的热处理的蛭石)浸入过氧化氢溶液中时，只有在10小时 结束时才能看出表观体积的增加，并且只有在24小时结束时才完成。此 外，观察到的体积比经过本发明的热预处理的蛭石小三倍。
将蛭石与诸如11202等插入剂的溶液接触的现象对应的是化学膨胀。
不在超过70CTC的温度热预处理蛭石的重要性应得到说明，因为在 此温度范围内，以此方式脱水的蛭石无法再进行使用诸如&02等插入剂 的化学膨胀。不受任何理论的限制，这可能与薄片末端的化学改性有关， 羟基的去除导致薄片移动到一起并且它们的末端发生縮合，这人大降低 了插入剂分子的可到达性和扩散性。
按照本发明的方法获得的蛭石有利地具有100 m2.^ 200 n^.g"的 比表面积，这是粗蛭石样品在首先于60(TC加热7小时然后浸入50%的过 氧化氢溶液中1小时后所获得的最大值。所述比表面积导致薄片分离为 约7 8个单元的小束，所述粗蛭石的比表面积为10m2.g"。膨胀蛭石的 粒子通常具有6 pm 50 (Lim的平均粒径。当化学膨胀处理与超声处理联用时，特别可以获得最细的粒子。
因此，根据第二R的，本发明涉及能够通过如上所述的方法获得的 蛭石。
所获得的蛭石为有延展性的蛭石，所述蛭石特别表现出成型性、压 縮性和弹性回复等机械性质。
所获得的蛭石可以通过压縮来成型。
这些蛭石可以用在诸如建筑、绝缘和涂料等许多领域中，或者用于 诸如机械应用等其它更具体的应用情况中，用于减震、轻质混凝土、建 筑材料、防火、运输危险液体用包装材料，用于制造太阳能集热器和作 为用于膜和涂层的纳米复合材料。
根据第三目的，本发明涉及制造压縮材料的方法，所述方法包括 -实施如上所述的制备膨胀蛭石的方法的步骤；和 -通过压縮将上述步骤中获得的所述蛭石成型的步骤， 在不存在有机粘合剂的情况下有利地进行成型。
诸如本发明的蛭石等鳞片形式的材料的能够压縮的能力取决于两个 因素粒径和水含量。
可将与插入剂溶液接触的步骤之后获得的蛭石在成型步骤之前交付 研磨步骤，优选机械研磨，可在研钵、切削研磨机、球磨机中或通过超 声执行此步骤，随后可以进行筛分，从而选择粒径能够被容易地压縮的 粒子的经粒度测定的成分。它可以由通过机械研磨机研磨而获得的粒径
为63 pm 500 jim的粒子构成。还可以由粒径小于10 nm的粒子构成， 特别是通过超声(例如频率为20kHz 40kHz)进行研磨的情况。
水含量也是成型蛭石的重要因素，水来自插入剂的溶液及其可能的 分解。
事实上存在以下风险，即，当形成含有残留的水的材料时，若进行 涉及暴露于高温的应用时，将发生显著的收縮现象。
因此，可能有利的是，在与插入剂溶液接触步骤之后，或在任何研 磨步骤之后和所述成型步骤之前，对通过本发明的方法获得的蛭石执行 在70(TC 80(TC的温度加热1小时 14小时的步骤(该步骤被称为后加
7热步骤)。
蛭石可以以混合物的形式进行压縮，所述混合物包含执行过如上所 述的被称为后加热的歩骤的蛭石和未执行过此歩骤的蛭石。
在仟何后加热歩骤之后和所述成型步骤之前，可以对粒子形式的蛭 石执行再湿润步骤，例如通过将所述蛭石与水、优选蒸馏水接触，使其
含量达到每100 mg粉末为0.2 mL 0.5 mL，例如含量为每100 mg粉末 为0.25 mL，水起到促进蛭石粒子之间结合的作用。
然后在4(TC 8(TC的温度将已经成型的蛭石粒子干燥12小时 24 小时，例如在4(TC干燥24小时，以提供压縮、干燥、成型的材料。干燥 后的材料的机械性能明显优于通过将干燥的蛭石粒子(即，未执行再湿 润步骤的粒子)压縮获得的那些材料。
不受任何具体理论的限制，再湿润步骤中加入的水使得可由粘土薄 片的边缘处的-OH基团形成氢键，并在压縮期间改善蛭石粒子的堆叠。 在再湿润步骤之后的干燥步骤中，以此方式在聚集在-一起的粒子的薄片 边缘的-OH基团之间产生的氢键会使材料能够保持其机械性能。
在再润湿步骤之外或者作为对该步骤的替代，可以使粒子形式的蛭 石接触含有选自铝和硅的元素的称作"桥连溶液"的溶液。
当被称为桥连溶液的溶液基于铝时，可以通过将氯化铝(AlCl3, 6H20) 溶解在水中并使浓度达到[A产]=0.2 mol丄—'来制备。通过在搅拌下加入 氢氧化钠来使获得的溶液水解，OH—离子浓度等于0.2mol丄—1，保持加入 直至获得的OH7A产的摩尔比等于2。然后在室温下将所获溶液放置在密 闭容器中48小时，直至获得含有"Al137+"大阳离子的溶胶，所述溶胶得 自溶液中物种的缩聚，可以通过"A1的核磁共振确定获得缩聚所需的时 间。然后以例如每克粘土4xl0^摩尔铝的比率，将溶胶逐滴加入蛭石中， 所述蛭石可先放入水悬浮液中(例如以2.5重量％的比率)。将所获全部 产物在室温下搅拌放置30分钟，以使"Al137+"大阳离子通过固定在表面 -OH基团上来接枝至薄片的边缘。通过用水洗涤来过滤除去氯化物以及 干燥(例如在4(TC干燥24小时)之后，该材料通过压縮可以容易地成型。 随后，煅烧(例如在70(TC进行2小时)使得大阳离子可转化为氧化铝，
8提供薄片之间的粘合，使得成型的材料具有良好的强度。
一般情况下，可对由此获得的材料执行温度为50(TC 80(rC (例如 700°C)的加热步骤，用此来改善粘合性。
下面将结合作为非限制性说明的以下实施例来描述本发明。
实施例
首先，将2g"LargeGrade"蛭石放入250mL的烧杯中，并使用100
mL通过渗透纯化的水洗涤30分钟。然后通过立即将该潮湿的固体在氧 化铝坩埚中于空气下放入40(TC的烘箱中7小时，对该潮湿的固体进行脱 水。在含有硅胶的干燥器中将脱水蛭石冷却至室温，然后通过浸入100 mL 35重量％的过氧化氢中1小时来进行化学膨胀。然后将获得的产物在烘 箱中于4(TC干燥14小时，并使用研钵手工研磨。
其次，制备基于铝的桥连溶液。为此，通过将适量的A1C13，6H20 和NaOH溶解在蒸馏水中来制备具有0.2 mol丄.1阳离子的氯化铝溶液和 0.2 mol丄—1的氢氧化钠溶液。在搅拌下将氢氧化钠溶液逐滴加入到A1C13 溶液中，直至获得的OH/A1比例等于2。然后将获得的溶液在室温且避 免任何污染及无机械搅拌的情况下陈化48小时，以获得Al乂+大阳离子。
再次，将化学膨胀的蛭石悬浮于蒸馏水中。在搅拌下逐滴加入预先 制备的桥连溶液，以获得每克蛭石4毫摩尔铝。然后在室温下搅拌所获 得的溶液30分钟，以均化该悬浮液，然后过滤。洗涤通过过滤获得的蛭 石，以除去氯离子。然后在700。C将获得的蛭石煅烧2小时，以氧化铝阳 离子。接下来，进行手工研磨，以再分散煅烧期间形成的团块。最后， 在180巴的压力下通过加入水使获得的粉末变为小球状。
权利要求
1.一种制造膨胀蛭石的方法，所述方法依次包括以下步骤-在400℃～600℃的温度下加热未膨胀含水蛭石3小时～7小时由此产生脱水蛭石的步骤；-将所述脱水蛭石与含有插入剂的溶液接触的步骤，所述插入剂能够分解并同时产生至少一种气体。
2. 如权利要求1所述的制造膨胀蛭石的方法，其特征在于，所述插 入剂为过氧化氢。
3. 如权利要求2所述的制造蛭石的方法，其特征在于，所述过氧化 氢以35重量％ 50重量％的浓度存在于溶液中。
4. 如前述权利要求中的任一项所述的制造膨胀蛭石的方法，其特征 在于，所述接触步骤在2(TC 10(TC的温度进行。
5. —种压缩材料的制造方法，所述方法包括-实施权利要求1 4中的任一项所述的制造膨胀蛭石的方法的步 骤；禾口-通过压縮将上述步骤中获得的所述蛭石成型的歩骤。
6. 如权利要求5所述的压縮材料的制造方法，其特征在于，所述成 型步骤不需要使用有机粘合剂。
7. 如权利要求5或6所述的制造方法，所述方法在所述成型步骤之 前包括研磨所述蛭石的步骤。
8. 如权利要求5 7中的任一项所述的制造方法，所述方法在任何 研磨步骤之后和所述成型步骤之前包括在70(TC 80(TC的温度加热1小 时 14小时的步骤。
9. 如权利要求7或8中的任一项所述的制造方法，所述方法在任何 加热步骤之后和所述成型步骤之前包括使用蒸馏水再湿润的歩骤或与含 有选自铝和硅的元素的被称作"桥连溶液"的溶液接触的步骤。
10. 如前述权利要求中的任一项所述的制造方法，所述方法在所述 成型步骤后包括加热至50(TC 80(TC的温度的步骤。
全文摘要
本发明涉及制备膨胀蛭石的方法，所述方法包括以下步骤在400℃～600℃的温度下加热未膨胀含水蛭石3小时～7小时由此产生脱水蛭石的步骤；将所述脱水蛭石与含有插入剂的溶液接触的步骤，所述插入剂能够分解并同时产生气体。本发明还涉及所述膨胀蛭石在热绝缘领域中的应用。
文档编号C04B14/20GK101679116SQ200880015725
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月22日 优先权日2007年5月23日
发明者劳伦斯·赖纳特, 埃尔韦·弗泽利尔, 米歇尔·勒弗朗索瓦, 菲利普·卡普兰, 让-弗朗索瓦·朱利安, 达米安·德里 申请人:法国原子能委员会;加洛克法国公司