專利名稱：天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝。

背景技術(shù)：
納米材料因其高表面特性而帶來(lái)材料科學(xué)的變革被廣泛認(rèn)知，各國(guó)政府在此領(lǐng)域投入大量人力和財(cái)力，西方發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本已取得大量研究成果，并進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ钪小?br> 長(zhǎng)期以來(lái)，納米材料的獲取是通過(guò)人工合成，產(chǎn)量低、成本高，制造過(guò)程中的廢液和廢氣的排放也污染了環(huán)境。
天然納米粉體通常處于高度團(tuán)聚狀態(tài)，其大量的表面相互疊加，無(wú)法裸露，從而表現(xiàn)出同一般粉體材料并無(wú)差異的物理、化學(xué)特性。只有將納米顆粒相互分開，從高度團(tuán)聚狀態(tài)變成高度分散狀態(tài)，納米材料的表面得以展現(xiàn)，其優(yōu)異的特性才能發(fā)揮，所以，分散技術(shù)是納米科學(xué)的核心。
現(xiàn)有的界面理論不足以成熟到指導(dǎo)納米材料的分散工藝，經(jīng)驗(yàn)性工藝顯得十分重要，大量而艱巨的實(shí)驗(yàn)工作不可避免，對(duì)研究人員的毅力和激情是一種考驗(yàn)。分散技術(shù)同巨大的商業(yè)利益有直接的關(guān)聯(lián)。通常研究人員在解決某些特定粉體分散技術(shù)后，很少發(fā)表相關(guān)論文和申請(qǐng)專利。絕大多數(shù)中國(guó)研究人員很少關(guān)注納米分散技術(shù)，無(wú)法提出納米材料的應(yīng)用方法，其結(jié)果是整個(gè)社會(huì)對(duì)納米技術(shù)產(chǎn)生不信任感。
通過(guò)對(duì)海南文昌天然石英砂進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)每一顆粒的砂粒是由眾多相互松散結(jié)合的納米級(jí)晶粒構(gòu)成。使用分散技術(shù)即可輕松地取得氧化硅納米單晶。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種無(wú)污染、低成本、具有極大應(yīng)用價(jià)值的天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝。
所述天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝，其特征在于提取步驟如下 第一步取石英砂將其水洗除去泥土； 第二步采用氧化還原法將石英砂中的氧化亞鐵轉(zhuǎn)換成氧化鐵后，用酸洗法除鐵雜質(zhì)，獲得99％以上高純氧化硅石英砂； 第三步采用氣流粉碎機(jī)對(duì)高純氧化硅石英砂進(jìn)行破碎，得到1-5微米的粉體； 第四步將1-5微米的粉體石英砂浸泡在水中，加入分散劑聚丙烯酸鈉，并留存24～48小時(shí)，之后對(duì)該含有粉體石英砂的水分散液施以高剪切力，制成100納米以內(nèi)的納米石英單晶水分散液，并通過(guò)濃縮使其固含量至40％，得到納米氧化硅分散液。
第五步將100納米以內(nèi)的上述納米氧化硅分散液，使用高速旋轉(zhuǎn)的氣流帶入220～270度高溫區(qū)域，動(dòng)態(tài)除去水分，得到松散的納米氧化硅粉體。
涂料化工藝及方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行 水 10％-50％ 聚丙烯酸胺 0.1％-1％ 樹脂5％-15％ 納米氧化硅分散液34％-84.9％ 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1.除雜實(shí)驗(yàn)表明海南石英砂中的氧化亞鐵和氧化鐵在純石英砂粒界面起到膠粘劑的作用，阻礙了納米石英的分散，通過(guò)將亞鐵離子轉(zhuǎn)換成鐵離子后，用酸浸泡即可除去鐵雜質(zhì)，使顆粒變小，粉體白度上升。
2.水中分散使用水作為分散介質(zhì)，通過(guò)物理力和化學(xué)力的雙重作用，讓團(tuán)聚在一起的納米晶粒相互分離，分散在水中物理力系指直接作用于砂粒表面的破碎力，可供選擇的有超聲波、微波、介質(zhì)磨研、剪刀乳化等。因納米顆粒的高表面能，僅使用物理力的作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以物理力是納米材料分散的輔助力量。
通常，顆粒在水中表現(xiàn)為分散和團(tuán)聚兩種基本的行為。而顆粒間的分散和團(tuán)聚行為的根源是顆粒的相互作用。這種作用力被概括為范德華作用力、靜電作用力、空間位阻作用力、溶劑化作用力、疏液作用力、磁吸作用力。通過(guò)對(duì)顆粒的表面特性進(jìn)行研究，尋找或合成相適應(yīng)的分散劑，以達(dá)到解離團(tuán)聚力和穩(wěn)定納米顆粒分散狀態(tài)的雙重功效。
3.氣流干燥穩(wěn)定地分散在水中的納米石英晶粒在直接干燥時(shí)極易團(tuán)聚，使用高速旋轉(zhuǎn)的氣流，將含有納米石英晶粒的水分帶入高溫區(qū)域，動(dòng)態(tài)地除去水分的同時(shí)，也避免了顆粒的團(tuán)聚。從而可得到松散的納米石英粉體材料。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)海南石英砂的分散研究，總結(jié)其內(nèi)在的必然規(guī)律，可開拓天然納米材料的方向，拓展石英砂以外的其它礦物材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
作為納米石英單晶材料的應(yīng)用之一，納米石英砂的涂料化有兩方面的意義，一方面極大地降低涂料中樹脂的用量，節(jié)省石化產(chǎn)品消耗，降低成本。同時(shí)，因涂料中含有高硬、高化學(xué)穩(wěn)定性的石英粉，而使涂料的綜合性能在原有純樹脂涂料的基礎(chǔ)上得以大幅度提高。因使用了遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光波的納米尺寸粒子，從外觀上看，涂膜同純樹脂涂料一樣呈高透明狀態(tài)。是一種理想的有機(jī)——無(wú)機(jī)復(fù)合涂料。以此涂料為基料，根據(jù)不同用途，可摻入各種填料及色料，進(jìn)而應(yīng)用于電子機(jī)器(如電視機(jī)、音響、DVD、計(jì)算機(jī)、冰箱、手機(jī)等)外表涂料、建筑內(nèi)外保溫涂料、木制地板及大理石表面保護(hù)涂料、家具涂料、地面涂料等。
同使用相同樹脂的傳統(tǒng)涂料相比，納米石英砂涂料在技術(shù)上有極大的創(chuàng)新，解決了納米石英砂同有機(jī)樹脂的界面兼容性問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了用最少樹脂粘接最多的無(wú)機(jī)粉體材料，在具有同純樹脂相同外觀的情況下，極大地提高了膜層機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。達(dá)到涂料的低成本、高性能的目的。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 將水洗后的海南文昌石英砂子浸泡在水中，用保險(xiǎn)粉將石英砂子中的二價(jià)鐵離子還原成三價(jià)，用鹽酸溶解三價(jià)鐵離子于水中，多次水洗后即可得到純度99％以上的氧化硅石英砂。同時(shí)，隨著鐵的除去，砂粒也從幾毫米變小為幾十微米，這種現(xiàn)象被我們認(rèn)為是氧化鐵在石英顆粒間起到膠聯(lián)劑的作用。經(jīng)三次破碎后，砂子的粒徑從50微米減小到1-5微米。
稱取1-5微米的石英砂子2公斤，水18公斤，放入球磨機(jī)中，加入分散劑聚丙烯酸鈉(60克)，球磨48小時(shí)后即可得到100納米大小的納米氧化硅水分散液。
實(shí)施例2制取一個(gè)批量重量份涂料化工藝的步驟是a在權(quán)利要求1第四步所的得納米氧化硅分散液中加入高分子聚合物聚丙烯酸胺及水，b在5000轉(zhuǎn)/分的高速剪切乳化機(jī)作用下，慢慢加入水性聚氨脂樹脂乳液，得到納米石英砂涂料。
涂料化方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行 水 10％ 聚丙烯酸胺 0.5％ 樹脂5％ 納米氧化硅分散液84.5％ 實(shí)施例3 涂料化方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行 水 30％ 聚丙烯酸胺 0.55％ 樹脂9.45％ 納米氧化硅分散液60％ 實(shí)施例4 涂料化方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行 水 50％ 聚丙烯酸胺 0.4％ 樹脂7％ 納米氧化硅分散液42.6％ 將此納米石英砂涂料用海綿刷分別刷涂到市售的玻璃、木地板、石材、板金漆膜表面，120攝氏度下烘烤30分鐘，樣品恢復(fù)到室溫后用三菱鉛筆測(cè)試硬度4H。同樣的樣品放入100攝氏度的開水水煮一小時(shí)后取出，膜面無(wú)任何變化，硬度依舊 4H。將機(jī)油潑灑在樣品涂膜面上，放置24小時(shí)后用含水海綿可輕易地將機(jī)油擦凈，這一現(xiàn)象被認(rèn)為是氧化硅的清水疏油特性而帶來(lái)的膜層自潔凈現(xiàn)象。
納米石英砂涂料與使用相同樹脂傳統(tǒng)涂料比較表


權(quán)利要求
1.一種天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝，其特征在于提取步驟如下
第一步取石英砂將其水洗除去泥土；
第二步采用氧化還原法將石英砂中的氧化亞鐵轉(zhuǎn)換成氧化鐵后，用酸洗法除鐵雜質(zhì)，獲得99％以上高純氧化硅石英砂；
第三步采用氣流粉碎機(jī)對(duì)高純氧化硅石英砂進(jìn)行破碎，得到1-5微米的粉體；
第四步將1-5微米的粉體石英砂浸泡在水中，加入分散劑聚丙烯酸鈉，并留存24～48小時(shí)，之后對(duì)該含有粉體石英砂的水分散液施以高剪切力，制成100納米以內(nèi)的納米石英單晶水分散液，并通過(guò)濃縮使其固含量至40％，得到納米氧化硅分散液；
第五步將100內(nèi)米以內(nèi)的上述納米氧化硅分散液，使用高速旋轉(zhuǎn)的氣流帶入220～270度高溫區(qū)域，動(dòng)態(tài)除去水分，得到松散的納米氧化硅粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝，其特征在于其涂料化方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行
水10％-50％
聚丙烯酸胺0.1％-1％
樹脂 5％-15％
納米氧化硅分散液34％-84.9％
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝，其特征在于制取一個(gè)批量重量份涂料化工藝的步驟是a在權(quán)利要求1第四步所的得納米氧化硅分散液中加入高分子聚合物聚丙烯酸胺及水，b在5000轉(zhuǎn)/分的高速剪切乳化機(jī)作用下，慢慢加入水性聚氨脂樹脂乳液，得到納米石英砂涂料。
全文摘要
一種天然石英砂中納米氧化硅的提取及其涂料化工藝，其提取步驟如下1取石英砂將其水洗除去泥土；2用酸洗法除鐵雜質(zhì)，獲得99％以上高純氧化硅石英砂；3破碎，得到1-5微米的粉體；4將粉體石英砂浸泡在水中，加入分散劑，之后對(duì)該含有粉體石英砂的水分散液施以高剪切力，制成100納米以內(nèi)的納米氧化硅分散液；5將上述納米氧化硅分散液動(dòng)態(tài)除去水分，得到松散的納米氧化硅粉體；其涂料化方法按照如下重量份配比及組分進(jìn)行水10％-50％，聚丙烯酸胺0.1％-1％，樹脂5％-15％，納米氧化硅分散液34％-84.9％；本發(fā)明解決了納米石英砂同有機(jī)樹脂的界面兼容性問(wèn)題，在具有同純樹脂相同外觀的情況下，極大地提高了膜層機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C01B33/12GK101607713SQ20081004807
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者平 賀 申請(qǐng)人:平 賀