本發(fā)明涉及功能材料，尤其涉及一種鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、天然石礦是自然界的寶貴石材資源，其附加值和應(yīng)用范圍都可通過表面功能化實(shí)現(xiàn)有效提升，可見，表面功能化是一條必由之路。天然水菱鎂石是一類主要成分為堿式碳酸鎂的天然石礦粉體，多呈片層堆疊(有時(shí)也呈纖維狀)，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的鎂含量最高的天然礦物。在自然狀態(tài)下，其雖然已經(jīng)具備較好的填充、阻燃、抑煙、無毒、不揮發(fā)、易存儲等優(yōu)點(diǎn)，但是，仍需要表面功能化進(jìn)一步提升其綜合性能。在表面功能化的過程中，由于該類天然粉體的硬度不夠?qū)е缕潆y以保持原來的形貌，甚至顏色都會發(fā)生顯著變化，如發(fā)黃變黑、灰白粗糙等?；诖耍绾斡行П苊獾陀捕忍烊皇V粉體在加工過程中的變色這一問題亟待解決。

2、天然產(chǎn)物的簡單重構(gòu)可以有效避免有機(jī)試劑和原料中間體的大量消耗，也能更好的適應(yīng)環(huán)保發(fā)展的迫切需要。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)人工合成的功能材料制備不僅成本高昂，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，失效后難以降解。相比之下，天然產(chǎn)物則不存在這方面的顧慮，其本身相對綠色環(huán)保，即使失效后也能很好的惰性存在于自然界，不會給環(huán)境造成二次傷害。因此，亟待通過簡單快捷、綠色環(huán)保的方式將多種天然產(chǎn)物結(jié)合在一起，尤其是開發(fā)綠色環(huán)保、高效便捷的手段對其進(jìn)行二次功能化，不僅可以使得天然水菱鎂石礦物的附加值和功能性進(jìn)一步提升，還符合時(shí)下低碳環(huán)保的發(fā)展理念。

3、在眾多天然產(chǎn)物中，天然糖是一類極其豐富的天然生物有機(jī)分子，是植物和以植物為食的動(dòng)物代謝能量的主要來源。分子式可以用cm(h2o)n表示，因此通常被稱為碳水化合物，主要種類分為：單糖、雙糖、低聚糖和多糖。糖也是絡(luò)合多種功能材料的優(yōu)異候選物，更關(guān)鍵的是，這三個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的c-o和c-c鍵、多元雜環(huán)和羥基之間的氫鍵可以促進(jìn)天然糖形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅如此，多個(gè)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的化學(xué)鍵還能在受到外力作用時(shí)內(nèi)旋轉(zhuǎn)發(fā)生形變，有效緩沖受到的外部沖擊力?？梢?，該類天然產(chǎn)物不僅可以作為多種組分的粘合劑，還能有效實(shí)現(xiàn)緩沖效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)中含有的多種芳香環(huán)狀結(jié)構(gòu)甚至可以在高溫時(shí)快速成碳，形成有效的物理阻隔層。

4、目前，鮮有將該類天然產(chǎn)物用于天然無機(jī)礦物粉體的有機(jī)緩沖層，也鮮有將其用于多種無機(jī)礦物粉體的重構(gòu)粘合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體及其制備方法和應(yīng)用。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體的制備方法，包含如下步驟：

4、1)將磷酸鋯粉體進(jìn)行熱處理，得到鋯基板層粉體，鋯基板層粉體在第一溶劑中分散，得到鋯基混合溶液；

5、將糖類、硅烷偶聯(lián)劑和第二溶劑混合，得到含糖混合溶液；

6、2)將含糖混合溶液噴霧至水菱鎂石粉中，噴霧完成后持續(xù)混合，得到改性水菱鎂石復(fù)合粉體；

7、3)將鋯基混合溶液、硅烷偶聯(lián)劑溶液順次噴霧至改性水菱鎂石復(fù)合粉體中，噴霧完成后持續(xù)反應(yīng)，得到鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體。

8、作為優(yōu)選，步驟1)所述磷酸鋯粉體的中位粒徑為1.0～3.0μm，所述熱處理在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，熱處理的溫度為200～500℃，熱處理的時(shí)間為1～60min；所述分散的速率為1200～5000r/min，分散的時(shí)間為10～120min。

9、作為優(yōu)選，步驟1)所述第一溶劑為醇水溶液，醇水溶液中，醇和水的體積比為1：1～30；醇包含乙醇、甲醇、乙二醇、新戊醇、異丙醇或丙醇；所述第二溶劑為乙醇水溶液，乙醇水溶液中，乙醇和水的體積比為1～10：1。

10、作為優(yōu)選，步驟1)所述鋯基混合溶液的濃度為1～10mol/l；所述糖類與硅烷偶聯(lián)劑的摩爾比為1：0.1～2.0，含糖混合溶液的濃度為1～5mol/l；

11、所述糖類包含d-半乳糖、葡萄糖、唾液酸、d-海藻糖、透明質(zhì)酸鈉、山梨醇、氨基葡萄糖、d-甘露糖、蔗糖、阿拉伯糖、n-乙酰-d-氨基葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖、蜜二糖、木糖、乳果糖、棉子糖、赤蘚糖醇、l-鼠李糖、水蘇糖、d-塔格糖、伏格列波糖、乳糖酸、d-阿洛糖、耐斯糖、褐藻酸、麥芽糖醇、甘露三糖、d-阿拉伯糖醇、甜醇、d-來蘇糖和α-乳糖中的一種或幾種；

12、所述硅烷偶聯(lián)劑和步驟3)中的硅烷偶聯(lián)劑包含雙-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-二硫化物、雙-(3-(三乙氧基硅烷)丙基)-四硫化物、雙(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)胺、雙(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、1,3,5-三(三甲氧基硅丙基)異氰脲酸酯、1,2-雙(三乙氧基硅基)乙烷和1,2-雙(三甲氧基硅基)乙烷中的一種或幾種。

13、作為優(yōu)選，步驟2)所述噴霧前對水菱鎂石粉進(jìn)行第一攪拌，噴霧的過程中進(jìn)行第二攪拌，第一攪拌的速率為100～1000r/min，溫度為25～50℃，時(shí)間為10～40min；

14、所述噴霧的速率為1～40ml/min，溫度為40～80℃，持續(xù)混合的時(shí)間為10～60min；第二攪拌和持續(xù)混合中的攪拌速率獨(dú)立的為100～1000r/min。

15、作為優(yōu)選，步驟2)所述含糖混合溶液中的糖類和水菱鎂石粉的摩爾質(zhì)量比為1～5mol：10kg；所述水菱鎂石粉的中位粒徑為1.0～4.5μm。

16、作為優(yōu)選，步驟3)所述鋯基混合溶液和改性水菱鎂石復(fù)合粉體的質(zhì)量比為1：0.05～0.8；鋯基混合溶液和硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量摩爾比為1kg：0.1～2mol；

17、所述硅烷偶聯(lián)劑溶液的濃度為1～10mol/l，硅烷偶聯(lián)劑溶液的溶劑為乙醇水溶液，乙醇和水的體積比為1：1～5。

18、作為優(yōu)選，步驟3)所述噴霧前對改性水菱鎂石復(fù)合粉體進(jìn)行第一攪拌，第一攪拌的速率為300～900r/min，時(shí)間為10～60min；

19、鋯基混合溶液噴霧的速率為1～50ml/min，硅烷偶聯(lián)劑溶液噴霧的速率為1～20ml/min，硅烷偶聯(lián)劑溶液噴霧的過程中進(jìn)行升溫，升溫的速率為5～20℃/min，目標(biāo)溫度為90～120℃；

20、持續(xù)反應(yīng)的時(shí)間為10～30min，持續(xù)反應(yīng)過程中的攪拌速率為500～1200r/min。

21、本發(fā)明還提供了所述的制備方法制備得到的鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體，鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體的中位粒徑為1.0～5.0μm。

22、本發(fā)明還提供了所述的鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體在聚乙烯醇/明膠復(fù)合材料中的應(yīng)用。

23、本發(fā)明的有益效果包括以下幾點(diǎn)：

24、(1)本發(fā)明的鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體(zro2-lfs-nmp)含有多種組分和多級結(jié)構(gòu)，尤其是含有大量天然產(chǎn)物，具有較好的綠色、環(huán)保、可持續(xù)、來源廣泛等特性且價(jià)格低廉，通過結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方式組合在一起，實(shí)現(xiàn)了對天然水菱鎂石的有機(jī)多層修飾，也賦予了復(fù)合粉體多種功能性，符合時(shí)下低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的理念。

25、(2)本發(fā)明的鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體充分利用了磷酸鋯板層化結(jié)構(gòu)的坍塌和壓縮形成氧化鋯的特性，使得其能夠在外部提供較高硬度表面片層，為其白度提供有效外殼屏障，同時(shí)，中間通過天然糖和硅烷構(gòu)成的粘合層可有效改善表層鋯基板層在天然水菱鎂石粉表面的分布狀態(tài)以及物理穩(wěn)定性，內(nèi)部的天然水鎂石粉本身具備較好的阻燃和抑煙性，且兼具較好的填充效應(yīng)，三層多重結(jié)構(gòu)以及多種組分的相互結(jié)合可以形成硬殼-彈性層-軟芯的物理結(jié)構(gòu)，表面的磷酸鋯/氧化鋯片層具有較好的固體酸催化性能，可顯著促進(jìn)成炭，其自燃燒過程中可附著在內(nèi)部的陶瓷前驅(qū)體mgo骨架上，進(jìn)而形成具有較高熱穩(wěn)定性和物理阻隔性的增強(qiáng)炭層，中部的彈性層可以有效助力成炭量的增加，與硅烷結(jié)合在一起后，可通過化學(xué)接枝的方式連接表面硬殼和軟芯內(nèi)核，內(nèi)部的天然水菱鎂石熱解過程中有效釋放出大量不燃性氣體，且形成具有高耐熱穩(wěn)定性的mgo產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的協(xié)同阻燃和抑煙效應(yīng)，多種組分的相互結(jié)合可有效阻止熱流、氣流、質(zhì)流的傳遞，綜合提升該復(fù)合粉體的多用途性和多重功能性。

26、(3)本發(fā)明的鋯基板層化水菱鎂石復(fù)合粉體中的磷酸鋯/氧化鋯外殼可顯著降低表面極性，使得其吸油值顯著下降，有利于后續(xù)加工成本的降低，且有助于提升該復(fù)合粉體在pva復(fù)合材料中的分散性，對其力學(xué)性能也有較好的增強(qiáng)效果。本發(fā)明的多級結(jié)構(gòu)、多種組分的復(fù)合粉末制備工藝簡單易行，過程綠色環(huán)保且能耗低，制備過程采用大量綠色環(huán)保的天然產(chǎn)物，整體成本可控、性價(jià)比高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，具有較大的應(yīng)用潛力，且所得復(fù)合粉體為白色，白度得到較好控制，有效避免了天然水菱鎂石在物理法加工過程中造成的灰黑化。