凹凸棒土纳米复合材料

凹凸棒土纳米复合材料的制备、表征及性能研究

摘要：

本文主要写从凹凸棒土的晶体结构到它的特性和制备，再讲了凹凸棒土的表征及其性能研究结论。

This paper mainly from writing attapulgite crystal structure to its characteristics and preparation, again of attapulgite representation and its performance study concluded.

关键词：凹凸棒土，晶体结构，特性，制备，表征，性能研究

1、凹凸棒土的晶体结构

凹凸棒土是一种含水富镁铝的硅酸盐矿物，具有独特的层链状分子结构。凹

凸棒土的理想结构式为：Si

8O

2

0Mg

5

[Al](OH)

2

(H

2

O)

4

·4H

2

O。凹土的基本结构单位

为两层硅氧四面体与一层镁（铝）氧八面体构成，其中硅氧四面体有双链[Si

4O 10 ]

分上下两条，每一条由四个Si-O四面体组成硅氧四面体带，其活性氧相向而指在 (110)面方向可以观察到由Si-O四面体组成的六角环，它们依上而下相向的方向排列，且相互间被其它的八面体氧和-OH所联结。Mg等阳离子充填在有氧及-OH构成的配位八面体中，在[Si4O10]带间存在着平行c轴的孔道，孔道的截面积约为×，比沸石孔径×要大，孔道内由沸石水充填。晶体的结构由 8 个Si-O 四面体以 2:1 型层状排列。

凹土的显微结构由三个层次构成，一是其基本结构单元-棒晶。棒晶呈针状，长约 1～2μm，直径为μm，属二维纳米材料。二是由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束。三是由棒晶束（也包括棒晶）间相互聚集而成的各种聚集体。凹凸棒土单根纤维晶的直径在 20nm左右，长度可达 1μm，复合纳米材料的尺度标准，热稳定性好，在我国有丰富的储藏量，如能以原状态分散在聚合物内，是一种很有潜力的二维增强材料。

2、凹凸棒土的特性

、流变性

凹凸棒土晶体具有与纤维轴平行的（110）良好解离，以及层链状晶体结构和棒状（纤维状）的细小晶体外形使得凹凸棒土在外力压力下能够充分地分散。一般地，在低剪切力下，或者剪切力消失后，悬浮液产生凝胶；而剪切力增加时，悬浮体又恢复到水一般的低粘度液体。

、吸附性

凹凸棒土的吸附性取决于其较大的比表面积和特殊的表面物化结构及离子状态。晶体结构内部沸石通道的存在赋予凹凸棒土巨大的内比表面积，同时，由于单个晶体呈细小的棒状、针状和纤维状，在分散时，棒状纤维可保持多方位及较高的表面电荷，呈毡状物无规则地沉积干燥后，凝聚体之间形成大小不均一的次生孔隙。这一特征使凹凸棒土的比表面积可高达 215m2/g。

、催化性

具有层链状结构的凹凸棒土，具有如下的催化条件。①晶体内部的沸石通道与集合体的微细孔隙结构；②非等价阳离子类质同相置换及加热引起的晶体内构成变化，即金属离子六次配位八面体的OH-，OH2-失去，桥键断裂造成晶体内部和表面存在多个路易斯酸化中心及碱中心；③黏土经热处理后具有较强的机械性能和热稳定性。其典型的应用，例如，丁烯解聚作用和异构化作用的催化剂。

、耐热性

凹凸棒土矿物的耐热性主要在于其自身具有较低的热导率，以及其高分散性所构成的多孔结构。凹凸棒土在含水量 12%，堆积密度 cm3之时都有较低的热传导系数，其值为 m·℃。

3、凹凸棒土的表面化学改性

由于凹凸棒土比表面积大，表面活性高，易团聚，并且表面含有极性的羟基，故它与非极性的有机高聚物的亲和性很差，因此，凹凸棒土在橡塑中往往只能作为惰性填料使用；当用作纳米材料时，在聚合物基体中更是很难分散，对其表面进行有机化改性，能改善其在橡塑中的相容性和填料效果；改善其在高聚物基体

中的分散性和亲和性，最终有很能得到纳米复合材料。目前较常用的表面处理方法主要有三大类：偶联剂处理、表面活性剂处理和酸化处理。

、表面活性剂处理

凹凸棒土等电点pH值仅为 3，故通常情况下带负电；晶体内部孔道结构以及OH-键等的存在，热活化处理后孔道内出现氧原子的电荷不平衡点，使得阴、阳离子型和非离子型表面活性剂对凹凸棒土粘土的活化都有效，它们之间主要是通过离子交换，离子对形成，“憎水键”的形成和色散力及分子间形成氢键进行，同时，沸石孔道中发生碳氢链分子的物理性截留附着。通常使用的表面活性剂有：有机代用铵（有机磷化合物）或季铵化合物。凹凸棒土的阳离子交换容量（CEC）通常为 10～35mmol/100g粘土。沈钟等利用自制的一种新型带有反应性基团的阳离子表面活性剂对凹凸棒土的表面进行了处理。他们发现，经有机化改性后，凹凸棒土具有了相当的憎水性而能漂浮于油/水界面上，接触角和粘度测试进一步证实了其具有一定的亲油性。离子层对原Mg2+（Al3+、Fe2+）阳离子八面体层取代，此时，矿物表面积随之逐渐增加，当酸化浓度增大，或者反应时间加长，硅氧四面体层可能共角顶相互结合，微孔隙消失，各项物化性能指标降低。王一中等人利用稀盐酸对除杂后的凹凸棒土进行了处理，酸处理后大部分离子被溶出，凹凸棒土表面吸附有H+，从而有利于己内酰胺发生开环聚合。

4、有机凹凸棒土的制备

、凹凸棒土的硅烷化

凹凸棒土首先过 200 目筛除去杂物，再用蒸馏水洗涤数次，经稀盐酸活化后，采用高剪切分散乳化机高速搅拌 10min 使之充分分散，静置 24h 后，过滤，烘干，粉碎，过筛，制成精制土。（1）水解偶联剂法将预先在 pH=3~4的醋酸水溶液中水解的 KH-570 加入到凹土的水溶液中，加热回流 1h，用去离子水洗涤至 pH=7，在 80℃真空干燥，粉碎过筛。（2）溶剂共回流法取一定量精制土置于 500ml 四口瓶中，加入甲苯和一定配比的 KH-570 水解液，均匀混合，85~90℃水浴中回流 4h，抽滤，用 20ml 甲苯洗涤三次，真空干燥，粉碎过筛。