ГЛАДКИЙ ЧЕШУЙЧАТЫЙ СУБСТРАТ НА ОСНОВЕ ПИРОФИЛЛИТА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК C09C1/40 C09C1/28 C09C3/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения многослойных перламутровых пигментов, в частности, к технологии получения субстрата, имеющего высокое характеристическое отношение диаметра и толщины и гладкую поверхность, а также пигментов на его основе. Областью применения таких пигментов является декоративные и автомобильные лакокрасочные покрытия, антикоррозионные покрытия, окраска пластиков, полиграфия, особенно печатные краски для защитных технологий, краски для стекла и керамики, декоративная косметика.

Уровень техники

Покрытия на основе так называемых пигментов типа «металлик» или «перламутровых»  пигментов отличаются не только чисто декоративными эффектами - флип-флоп эффект пигментов на основе алюминия, шелковистый блеск пигментов на основе слюды, искрящийся эффект пигментов на основе оксида алюминия, но и более ярким, насыщенным цветом.  Условием получения яркого многослойного пигмента является минимальное рассеивание света, как за счет диффузного рассеивания, так и за счет френелевского рассеивания при многократном преломлении. При этом, в отличии от френелевского рассеивания, являющегося не существенным в случае не прозрачных многослойных пигментов, диффузное рассеивание вносит большой вклад в рассеивание света как прозрачными, так и не прозрачными многослойными пигментами. Известно, что для наибольшего коэффициента зеркального отражения многослойного пигмента в видимом диапазоне, а так же УФ и ИК диапазоне, чешуйки субстрата должны быть максимально плоскими и гладкими.

Известно, что неметаллические материалы, такие как слоистые алюмосиликатные минералы, оксиды кремния, алюминия и т.п, позволяют получить достаточно жесткие частицы субстрата с высоким характеристическим отношением, не подверженные скручивающей деформации.

Существующие методы получения синтетических субстратов позволяют получать плоский чешуйчатый материал с идеально гладкой поверхностью и высоким характеристическим отношением. Примером такого субстрата может служить синтетический оксид алюминия, производимый компанией Merck (патент US5702519), чешуйчатый субстрат на основе боросиликатного стекла выпускаемый Glassflake limited  и NIPPON SHEET GLASS CO. LTD (описан, например, в патенте WO2012004562 A1 и японской заявке на патент 2001-11340), субстрат на основе синтетической слюды (фторфлогопит), выпускаемый фирмой NIHON KOKEN, синтетический субстрат на основе оксида кремния (получение такого субстрата описано, например, в патенте US7273522 B2). Все эти материалы объединяет один существенный недостаток – очень высокая цена по сравнению с субстратом на основе природного сырья.

Природные слоистые алюмосиликатные материалы позволяют получать чешуйчатый субстрат с низкими затратами.  Однако, механическое расщепление природного сырья, такого как слоистые алюмосиликаты, не позволяет получить достаточно гладкой поверхности частиц субстрата. При линейном срезе кристалла его кромка разрушается. Дефектность кромки среза кристалла тем больше, чем выше срезающее усилие, приложение которого, в свою очередь, зависит от толщины кристалла и величины модуля упругости при растяжении в перпендикулярном к срезу направлении. При небольших скоростях среза (2 – 4 см/с) дефектность кромки кристалла несколько выше (на 10 – 20%), чем при более высоких скоростях – 10 – 20 см/с.

Известен способ измельчения слюды в водной среде на аппаратах истирающего действия, не создающих ударной нагрузки (бегунах, жерновах и т.д.), что способствует расслоению по плоскостям совершенной спайности. Этот метод позволяет уменьшить  деформацию поверхности, но не позволяет получить гладкую поверхность чешуек.

 Достаточно хорошие результаты дают химические методы расщепления слюды за счет расклинивающего действия насыщенных растворов солей с одновременным воздействием ультразвука (патент SU 1234199). Однако, предварительное измельчение, при котором происходит линейный срез поперек кристаллических слоев, требует большого срезающего усилия, и, как следствие, образование дефектов на кромке среза т.к. слюда является достаточно твердым материалом. Кроме того, слюда является достаточно дорогим сырьем, имеющим ограниченную ресурсную базу.

Раскрытие изобретения

Задачей заявленного изобретения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники и разработка способа получения чешуйчатого субстрата, имеющего гладкую не деформированную поверхность на основе природного сырья.

Известен способ расщепления вермикулита - гидратированной слюды, продукта гидратации и выветривания биотита с помощью быстрого нагрева. При вспучивании вермикулита происходит расщепление вдоль плоскости кристаллических слоев с одновременным расщеплением поперёк кристаллического слоя. При этом, вермикулит не расщепляется на тонкие, упругие пластинки, что характерно для алюмосиликатов, имеющих совершенную спайность, таких как мусковит, флогопит и т.п. В результате вспучивания вермикулита образуются не отдельные тонкие чешуйки,  а пористые гранулы.

Другой слоистый алюмосиликат - пирофиллит также легко расщепляется при нагреве, но в отличие от вермикулита, он расщепляется только вдоль плоскости кристалла, образуя отдельные чешуйки с гладкой блестящей поверхностью. При этом, не обожженный пирофиллит имеет очень низкую твердость (твердость 1,5 по шкале Мооса), а сама порода представляет собой тонкочешуйчатый агрегат (особенно подходящими являются белые пирофиллиты из индийских и китайских месторождений), что позволяет избежать деформации кристаллических слоев на стадии предварительного измельчения.

Известен патент фирмы DuPont (US 2356297),  описывающий получение антикоррозионного чешуйчатого пигмента с помощью механического измельчения каолина или пирофиллита, который в целях лучшего смачивания растворителями подвергается термической дегидратации.  

Однако, в стандартных условиях обжига, при скорости нагрева в пределах 250°С в час,  происходит постепенная дегидратация без расщепления на отдельные чешуйки (что косвенно подтверждается незначительным изменением маслоемкости – с 67,0 до 88,5).

При медленной дегидратации тепловое  расширение пирофиллита максимально проявляется при температуре 800 – 1000°С  и не превышает 3, 3% по объему.

Известно, что в условиях быстрого обжига в кипящем слое можно получать вспученные материалы на основе минералов с высокой температурой дегидратации. Эти процессы описаны, например, в сборнике «Высокотемпературные эндотермические процессы в кипящем слое», Н. И. Красевцев, В. Г. Айнштейн, В. М. Дементьев, «Металлургия», 1968.

Температура дегидратации пирофиллита находится в диапазоне 600 - 900°С с максимумом при температуре 721,8°С. Продуктом дегидратации является метапирофиллит.

Выше 950°С возможен переход метапирофиллита в муллит. При 1150 - 1200°С  метапирофиллит разлагается с образованием муллита и кристобалита. При обжиге механическая прочность пирофиллита повышается почти на порядок и достигает 210 МПа. Таким образом, для термического вспучивания и получения тонкого пластинчатого субстрата, состоящего из жестких и эластичных пленок оптимальным является мгновенный нагрев в диапазоне от 600°С до 1000°С, наиболее предпочтительно от 700 до 900°С.

Техническим результатом данного изобретения является расщепленный на отдельные гладкие чешуйки пирофиллит с объемной массой 20 - 80 кг/ м³ имеющий высокое характеристическое отношение диаметра и толщины.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 изображен чешуйчатый субстрат на основе пирофиллита, полученный расщеплением на аппарате истирающего действия.

На Фиг. 2 изображен чешуйчатый субстрат на основе пирофиллита, полученный расщеплением в аппарате быстрого обжига.

Осуществление изобретения

Пример  1

Дробленый пирофиллит индийского месторождения Nagpur в количестве 100 г, очищенный от примеси кварца и классифицированный, как описано в патенте  US2072063, измельчается на ножевой мельнице РМ 120. Фракция тонкого измельчения со средним размером частиц от 0,5 до 1 мм вспучивается с помощью быстрого обжига в кипящем слое лабораторной установки псевдоожиженного слоя Mini-Glatt, снабженной нагревательным блоком HOTWIND SYSTEM при температуре 900°С, в течении трех минут.

При этом, пирофиллит распадается на тонкие гибкие пластинки с гладкой, не деформированной поверхностью диаметром от 5 мкм до 1мм, преимущественно от 50 мкм до 800 мкм (Фиг.1). Характеристическое отношение диаметра и толщины различных фракций, определенное на основании удельной поверхности частиц пирофиллита, составило 800-1200.

Полученное характеристическое отношение диаметра и толщины более чем в два раза превышает полученное на аппаратах истирающего действия при измельчении слюдяного субстрата.

Сравнительный пример.

При осуществлении способа с использованием аппарата истирающего действия при помоле слюды мусковит получают фракцию от 5 до 40 мкм  с характеристическим отношением диаметра и толщины равном  410.

Пример  2

В другом варианте осуществления, фракция тонкого измельчения со средним размером частиц от 0,5 до 1 мм вспучивается с помощью быстрого обжига в течении трех минут  в кипящем слое лабораторной установки псевдоожиженного слоя Mini-Glatt, снабженной инжекционной горелкой при температуре  1200°С. При этом, пирофиллит распадается на тонкие пластинки с гладкой поверхностью диаметром от 5 мкм до 3 мм, преимущественно от 50 мкм до 800 мкм (Фиг.2). Но, в отличие от первого способа, пластинки пирофиллита теряют гибкость и приобретают абразивные свойства. Такой субстрат является менее подходящим для получения пигментов, чем полученный по первому способу.

Аналогичный материал, но с меньшим характеристическим отношением получается и при медленном обжиге, как описано в патенте US 2356297 (DuPont).

Изобретение может быть использовано при получении лакокрасочных покрытий, антикоррозионных покрытий, красок для стекла и керамики, пластиков, печатных красок, декоративной косметики. Способ получения субстрата для многослойного перламутрового пигмента на основе пирофиллита включает измельчение дробленого пирофиллита на ножевой мельнице до получения фракции тонкого измельчения со средним размером частиц от 0,5 до 10 мм. Затем проводят термическое вспучивание полученных частиц в кипящем слое при температуре от 600°С до 1000°С в течение 3 мин. Гладкий чешуйчатый субстрат для многослойного перламутрового пигмента на основе пирофиллита имеет гладкую недеформированную поверхность, характеристическое отношение диаметра и толщины, равное 800-1200, и диаметр частиц от 5 мкм до 1 мм. Изобретение позволяет получить субстрат на основе  пирофиллита, расщепленного на отдельные гладкие чешуйки, с высоким характеристическим отношением диаметра и толщины. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Способ получения субстрата для многослойного перламутрового пигмента на основе пирофиллита, имеющего гладкую недеформированную поверхность, характеристическое отношение диаметра и толщины, равное 800-1200, и диаметр частиц от 5 мкм до 1 мм, включающий:

а) измельчение дробленого пирофиллита на ножевой мельнице до получения фракции тонкого измельчения со средним размером частиц от 0,5 до 10 мм;

б) термическое вспучивание частиц, полученных на стадии а), в кипящем слое при температуре в диапазоне от 600°С до 1000°С в течение 3 мин.

2. Гладкий чешуйчатый субстрат для многослойного перламутрового пигмента на основе пирофиллита, имеющий гладкую недеформированную поверхность, характеристическое отношение диаметра и толщины, равное 800-1200, и диаметр частиц от 5 мкм до 1 мм, полученный без механического истирания способом по п. 1.