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蒙脱石的5大妙用

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蒙脱石的5大妙用

2021-01-07

  蒙脱石自然储藏丰富,物美价廉,呈层状或片状结构,每个晶体单层,厚度约为1nm,表面宽度可达100nm,由于其具有阳离子交换能力强,吸附能力强,表面活性好等特点,是制备聚合物纳米复合材料Z常用的粘土原料。


  但是由于大量的无机离子分散于蒙脱石层之间,使其表面呈现亲水性疏油性,在聚合物中不利于分散,因此很有必要对蒙脱石进行有机化改性。内蒙古蒙脱石在减小蒙脱石表面极性的同时,增大其层距,提高其热稳定性,实现蒙脱石在聚合物中的纳米级分散(插入、剥离),从而制备高性能的蒙脱石/聚合物纳米复合材料是当前的研究热点,常用的改性剂有季铵盐、季膦盐、咪唑盐、过渡金属离子和功能单体等。


  一、蒙脱石季铵盐改性剂


  自然蒙脱石通常含有水化Na+和K+等元素,一般采用向蒙脱石分散液中加入季铵盐,季铵盐阳离子与蒙脱石层间发生离子交换,使蒙脱石层间或蒙脱石表面包覆季铵盐阳离子或有机基团,在改变其层间微环境的同时,由于季铵盐本身体积较大,进入蒙脱石层间的蒙脱石层间距较大,有利于大分子的插入,从而实现改性。


  采用季铵盐对蒙脱石进行改性,不仅改善了蒙脱石的层距和剥离形态,而且使改性蒙脱石在橡胶、复合材料、阻燃剂、包装材料和环境保护等领域得到广泛应用。


  常规季铵盐类改性剂主要是十六和十八烷基三甲基溴化铵。Gemini型季铵盐表面活性剂与普通季铵盐表面活性剂的区别在于它能够提供两个电子与蒙脱石层之间的离子交换,以及较低的临界胶束浓度和较高的油/水界面张力,因而受到广泛关注。


  与普通季铵盐相比,格米尼季铵盐能显著增大蒙脱石的层距,改性蒙脱石形成剥离态,且其各项性能均明显优于普通季铵盐。采用特制的含酯基Gemini季铵盐改性蒙脱石,除能使蒙脱石的层距大大增大外,还能使蒙脱石表面积显著增大,所制备的纳米复合材料用于吸附三氯生污染物,吸附量达133mg/g,虽然比碳纳米管小,但远远高于活性炭、高岭土和改性沸石。


  季铵盐改性蒙脱石的链结构对层间距有明显的影响,支链长度和支链量的增加通常被认为是有益的。相对于传统的单季铵盐改性蒙脱石,加入一定的助剂也能显著提高改性效果。


  蒙脱石季膦盐类改性剂。


  当加工温度高于有机改性蒙脱石的热稳定温度时,季铵盐改性蒙脱石在高温下不稳定,粘土发生分解。为解决这一问题,采用季膦盐对蒙脱石进行改性以提高其热稳定性,改性机制与季铵盐相似。


  还可以在季膦盐中加入助剂,以提高改性蒙脱石的热稳定性,将3-氨基丙基三乙氧基硅烷和十四烷基三丁基氯化膦对蒙脱石进行改性,使其热稳定性达到344℃,得到的聚丙烯/蒙脱石纳米复合材料的拉伸性能和弹性模量均有显著提高。


  蒙脱石甲基-咪唑盐改性剂。


  尽管季磷盐改性蒙脱石在近300℃下具有较高的热稳定性,但仍不能满足超高温工程塑料的需要,而且季磷盐改性蒙脱石对环境的污染严重,限制了蒙脱石的发展。


  近几年来,人们已经合成了许多耐高温的粘土有机改性表面活性剂,其中当属甲-咪唑盐是Z引人注目的一种,其主要原因是咪唑阳离子的热稳定性高于季铵盐和季膦盐。


  在咪唑盐中,不同的基质对改性蒙脱石的影响更为明显。沙利什等对不同取代基或官能团的1-癸基-2-甲基咪唑盐、1,2-二甲基咪唑盐、11-溴代乙烷、1-溴代癸烷和11-溴代乙醇的咪唑盐改性蒙脱石进行了比较。在温度376℃下,改性蒙脱石的热解过程中,蒙脱石的热稳定性不取决于咪唑盐基团的存在与否,也不取决于取代基在环上的位置,但为了获得高热稳定性的改性蒙脱石,脱除咪唑盐表面活性剂上的卤代物是关键。


  在改善改性蒙脱石的热稳定性的基础上,He等合成了热稳定性较好的1-十六烷基-3-甲基咪唑盐、1,3-双十六烷基咪唑盐、1-羟乙基-3-十六烷基咪唑盐和1-聚丙基-3-十六烷基咪唑盐四种咪唑盐表面活性剂。TG分析表明,含饱和烷基咪唑盐具有很高的热稳定性,初始分解温度可达380℃,为制备耐高温材料奠定了基础。


  蒙脱石-过渡金属离子改性剂。


  为了适应高温下蒙脱石的需要,许多研究者利用不同类型的活性过渡金属离子催化改性粘土(TMIS)。


  纳瓦尼等将普通改性粘土与过渡金属(如铜和铁)改性粘土的热稳定性变化进行了比较,热重分析表明,过渡金属改性粘土的热降解温度达到400℃,而且用良好的溶剂对过渡金属进行洗涤,改性效果明显。采用Fe-Ni因瓦合金处理的蒙脱石,可以形成直径为30~40nm的球状结构,从而显著提高了对污染物的吸附能力,因此制备的纳米复合材料可以用来吸附水中的有机污染物。


  蒙脱石的功能单体改进剂。


  将功能单体引入蒙脱石中,通过乳液聚合法制备特种功能树脂是近年来的研究热点。以丙烯酸丁酯为功能单体,十六烷基三甲基溴化铵改性有机蒙脱石,如Yilmaz等,通过间歇乳液聚合合成丙烯酸三元共聚物/蒙脱土复合乳液。可提高乳液的耐水性、耐光性、耐热性和机械性能,并用于纺织、皮革等领域的涂料。


  采用微乳液聚合法将功能单体聚异戊二烯插层至蒙脱石片中,使蒙脱石层间距增加至3.8nm且呈剥离状,添加到天然橡胶中,提高了天然橡胶的力学性能,同时使蒙脱石层在热老化后仍保持较高的拉伸强度和弹性模量。


  高分子/蒙脱石纳米复合材料由于其优良的力学、阻隔和吸附性能,成为近年来材料科学领域的研究热点,其研究方向主要是通过改变插层剂的种类、处理方法,降低蒙脱石的表面极性,增加片层间距和热稳定性,扩大其在复合材料制造、包装以及环境保护等领域的应用。


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