专利名称：一种硼酸酯偶联剂表面改性硼酸镁晶须的方法
技术领域：
本发明涉及采用一种硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须的方法。以硼酸镁晶须为原料，选用硼酸酯偶联剂为改性剂，通过湿法表面化学改性，制备高品质晶须填料，属于材料领域。本发明制备的硼酸镁晶须适用于聚合物或树脂的高档填料，可使硼酸镁晶须增强聚合物基复合材料综合性能得到显著提高。
背景技术：
晶须是一类纤维状单晶体，直径很小，一般为0. 1 10 μ m，长径比为10 100。由于晶须尺寸极小，晶体结构比较完整，几乎不含位错、空位、杂质等缺陷，因此晶须的强度和弹性模量均接近于晶体原子结合力的理论极限值，因而具有优良的耐高温、耐腐蚀性能，有良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性。在目前所知增强体中，晶须是强度最高、性能最优的复合材料增强体。由于晶须尺寸细微，几乎不影响复合材料的流动性，适合填充薄壁、外型复杂塑料制品。另外，晶须增强工程塑料膨胀系数及成型收缩率小，制品有极高的尺寸精度和光洁表面，广泛应用于补强聚合物基高分子材料。硼酸镁晶须是继硼酸铝晶须之后性价比更高的晶须产品，其生产原料易得，生产工艺相对简单，操作技术容易掌握，故其成本低廉，已接近民用承受能力，是一种具有广泛应用前景的新型增强材料。硼酸镁晶须化学式为Mg2B2O5,晶体结构为单斜晶系，晶格常数 a = 0.9197nm,b = 0.31228nm, c = 1.2303nm。作为复合材料增强体，必须解决硼酸镁晶须在复合材料中的分散性和界面粘结问题。由于硼酸镁晶须与聚合物基体的界面性质不同，相容性较差，使其在聚合物基体中分散不均勻。因此，需要对硼酸镁晶须表面进行改性，增强其与聚合物基体材料之间的相容性和结合力，以提高复合材料的机械强度及综合性能。综合考虑改性性质、手段和目的，无机填料等粉体的表面改性方法可以分为表面包覆改性、表面化学改性、接枝化学改性、机械力化学改性、沉淀反应改性等。包覆是利用无机物或有机物对填料表面进行“覆膜”以达到改性的方法，如在晶须表面涂覆氧化铝涂层， 用酚醛树脂涂覆在石英砂表面等；接枝化学改性是利用电晕放电、紫外线、等粒子体、电解聚合等手段，将单烯烃或聚烯烃引入填料颗粒表面。由于烯烃和聚烯烃等与有机高分子基体性质接近，所以增强了填料与基体之间的结合力而起到补强作用；机械力化学改性是利用超细粉碎及其他强烈机械力作用对粉体表面进行激活，在一定程度上改变粉体表面的晶体结构、溶解性能、化学吸附和反应活性等；沉淀反应改性是利用无机化合物在颗粒表面进行沉淀反应，在颗粒表面形成一层或多层“包膜”，以达到改善粉体光泽、着色力、耐候性等表面性质；表面化学改性是目前应用最重要，最广泛的一种改性方法。通过表面改性剂与颗粒表面进行化学反应或化学吸附的方式改性，使填料表面特性发生变化，从而赋予无机填料新的性能。本专利选用硼酸酯偶联剂并采用表面化学改性法对硼酸镁晶须进行表面改性。
发明内容
本发明的目的是根据硼酸镁晶须及其工业应用特点，通过硼酸酯偶联剂表面改性技术，提供一种用硼酸酯偶联剂改性制备高品质硼酸镁晶须填料的工艺方法。改性后硼酸镁晶须与有机高分子材料之间的相容性、亲和力得到明显改善，晶须在基体中分散性得到改善，从而提高高分子基复合材料制品机械性能及其综合性能。本专利技术方案涉及的关键技术有(1)硼酸酯偶联剂品种与用量；(2)硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须的工艺方法。1.硼酸酯偶联剂的选择与用量偶联剂是无机填料表面改性中应用最广，发展最快的一种表面改性剂，主要有硅烷、钛酸酯、铝酸酯、硼酸酯、铝钛复合偶联剂等系列产品。目前，硼酸酯在气体干燥剂、润滑油、压缩机工作介质的添加剂，聚氯乙烯、聚乙烯的抗静电剂等许多方面有广泛应用。但硼酸酯偶联剂却是最近三十年来发展起来的新型偶联剂，相对硅烷、铝酸酯偶联剂，其在无机填料改性应用相对较少。与碳氢表面活性剂等相比，硼酸酯偶联剂具有表面活性高，热稳定性强，有很好抗静电、阻燃、杀菌、等综合性能，尤其是无毒无公害，易于生物降解等特性。硼酸酯偶联剂分子式为C3H7OB(OCOC15H31)2，其红外光谱如图1所示。吸附在硼酸镁晶须表面的硼酸酯偶联剂中的烷氧基和晶须表面的羟基发生化学反应，在两者之间形成 B-O化学建，而偶联剂的另一端具有烷烃基、酰氧基及酯基长链，使得硼酸镁晶须有机化，达到表面改性的目的。另外硼酸酯偶联剂还具有色浅、味小、成本低等特点。因此，本专利采用硼酸酯偶联剂对硼酸镁晶须表面改性，以达到提高其在高分子基复合材料中分散均勻性， 进而提高复合材料性能的目的。偶联剂的理论用量可以通过下式计算得到W= (W1X S1) /S2式中W偶联剂用量(g)；W「欲改性的无机填料量(g)；S1-无机填料比表面积(m2/g)；S2-偶联剂的最小包覆面积(m2/g)；由上式计算得到只是理论用量。实际应用时，由于受到填料晶体形态、表面特征等因素影响，偶联剂实际用量与理论用量有一定差别。本专利先通过上式计算偶联剂理论用量，再通过实验进行验证和修正，最后得出偶联剂的实际用量。实验获得硼酸酯偶联剂最佳用量为硼酸镁晶须的2% 4% (wt. % )。2.硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须的工艺方法本发明采用硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须的工艺为(1)将硼酸镁晶须烘干，除去吸附水分，干燥温度为120°C，干燥时间为池；(2)按晶须(g)硼酸酯偶联剂(g) = 100 1 5比例称取偶联剂；(3)按硼酸酯(g)无水乙醇(mL) = 1 100比例量取无水乙醇稀释剂；(4)配制表面改性剂。将硼酸酯偶联剂加入无水乙醇中，溶液加热温度为45°C 80°C，溶解，混合均勻；(5)将晶须加入按步骤(4)配制的改性剂中，搅拌及超声震荡Ih ；
(6)将步骤( 得到的硼酸镁晶须反复多次进行抽滤和无水乙醇洗涤过程；(7)改性硼酸镁晶须的干燥。干燥温度为90°C，干燥时间为4 6h。红外、接触角、动态浸润性测试和红外光谱分析表明，硼酸酯偶联剂已经以化学和物理方式吸附和包覆在用上述工艺方法所制得的改性硼酸镁晶须产品的硼酸镁晶须表面。 同时，硼酸镁晶须由改性前的亲水疏油性变成改性后的亲油疏水性，极性和表面能大幅度下降。将未改性与改性硼酸镁晶须分别加入正庚烷溶液中，模拟晶须在有机体系中的分散性。实验结果表明，改性后硼酸镁晶须能均勻分散在有机体系中。
四
附图1 硼酸酯偶联剂红外光谱图。附图2 硼酸镁晶须红外光谱图。附图3 硼酸酯偶联剂表面改性硼酸镁晶须红外光谱图。附图4 水滴在硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须表面的接触角。附图5 未改性与硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须在正庚烷溶液中的分散性。
五具体实施例方式实施例1 采用硼酸酯偶联剂表面改性硼酸镁晶须的工艺方法。本实例采用的硼酸镁晶须样品由辽宁营口兄弟硼镁化工有限公司提供，其物理性能如图表1所示。表1硼酸镁晶须物理性能
权利要求
1.一种硼酸酯偶联剂表面改性硼酸镁晶须的方法，该方法以硼酸镁晶须为原料，采用硼酸酯偶联剂为改性剂，通过湿法表面化学工艺进行改性，其特征为(1)烘干硼酸镁晶须，以去除吸附水分。干燥温度为120°c，干燥时间为4h；(2)按硼酸镁晶须(g)硼酸酯偶联剂(g)= 100 1 5比例称取硼酸酯偶联剂；(3)按硼酸酯偶联剂(g)无水乙醇(mL)= 1 100量取无水乙醇稀释剂；(4)配制表面改性剂。将硼酸酯偶联剂加入到无水乙醇中，加热温度为45°C 80°C，溶解，混合均勻；(5)将硼酸镁晶须加入按步骤(4)配制的改性剂中，搅拌及超声振荡Ih；(6)将步骤(5)中得到的硼酸镁晶须进行抽滤、洗涤，反复多次；(7)改性硼酸镁晶须的干燥，干燥温度为90°C，干燥时间为4 他。
2.按照权利要求1所述的硼酸镁晶须改性工艺，其特征在于，所述的硼酸酯偶联剂分子式为=C3H7OB (OCOC15H31)2t全文摘要
本发明涉及采用硼酸酯偶联剂改性硼酸镁晶须的工艺方法。具体步骤为①120℃下烘干硼酸镁晶须；②按硼酸镁晶须(g)∶硼酸酯偶联剂(g)＝100∶1～5称取硼酸酯偶联剂；③按硼酸酯偶联剂(g)∶无水乙醇(mL)＝1∶100量取无水乙醇稀释剂；④配制表面改性剂。在加热温度为45℃～80℃条件下将偶联剂加入到稀释剂中，混合均匀；⑤将硼酸镁晶须加入到配制好的表面改性剂中，搅拌及超声振荡1h；⑥反复多次进行改性硼酸镁晶须的抽滤和无水乙醇洗涤过程；⑦90℃下干燥改性硼酸镁晶须。硼酸镁晶须由改性前亲水疏油性变成改性后的亲油疏水性，极性和表面能大幅度降低。改性硼酸镁晶须与聚合物或树脂的相容性、亲和性和浸润性得到明显改善。
文档编号C09C1/02GK102321395SQ20111030356
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年8月30日
发明者吴永嘉, 陈善华 申请人:成都理工大学