有機(jī)改性蒙脫石研究進(jìn)展

劉慧 李元元

摘 要：蒙脫石是一種層狀硅鋁酸鹽礦物，是天然的納米結(jié)構(gòu)材料。目前蒙脫石廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料方面。其在多個(gè)方面性能優(yōu)良，如陽離子交換性、強(qiáng)大的吸附能力、分散性能等，正是因?yàn)槠湫阅軆?yōu)良，在多個(gè)領(lǐng)域使用廣泛。但是其也有性能的弱點(diǎn)，那就是其表面極性大，很難與聚合物融合，我們需要進(jìn)行性能的改良，實(shí)現(xiàn)其聚能局限的優(yōu)化。因此本文論述的重點(diǎn)是有機(jī)改性蒙脫石的方法以及改性后的蒙脫石的吸附性能。

關(guān)鍵詞：蒙脫石 改性方法 陽離子交換性 吸附性能

中圖分類號(hào)：TQ 323.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（a）-0079-02

1 蒙脫石結(jié)構(gòu)

蒙脫石的主要成分是2︰1型的三層結(jié)構(gòu)層狀硅鋁酸鹽，其晶胞構(gòu)成是兩個(gè)硅氧四面體和一個(gè)鋁氧八面體，平均每層的厚度都在1nm，不同層之間吸附有容易被其他陽離子置換的Ca2+、Mg2+、Na+等離子。這種緊密堆積的四面體和八面體，其內(nèi)部晶格間分布著有序的排列結(jié)構(gòu)，其中四面體和八面體是通過共用氧原子連接的，晶胞則是平行重疊排列。對(duì)應(yīng)的晶胞內(nèi)Si4+、Al3+容易被其他低價(jià)陽離子置換，因此蒙脫石結(jié)構(gòu)的片層帶有負(fù)電荷，而剩下的負(fù)電荷依靠吸附游離于層間的Na+、Ca2+和K+等陽離子確保晶胞電荷的平衡。

2 蒙脫石的性能改良

蒙脫石具有較好的離子交換性、吸附能力強(qiáng)，并且具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、儲(chǔ)存量大、無污染等特點(diǎn)，其性能的優(yōu)勢(shì)使得其在化工、石油、交通、食品及醫(yī)療中應(yīng)用廣泛，也被形象地稱為“萬能材料”。為滿足各行各業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求，特別是重金屬?gòu)U水處理，需要提高蒙脫石的質(zhì)量及其使用效率，因此要對(duì)蒙脫石進(jìn)行改性處理。當(dāng)前蒙脫石的改良方法有多種，最常見的是無機(jī)改良、有機(jī)改良和復(fù)合改良3種，而最為有效的是有機(jī)改良。

2.1 無機(jī)改性

無機(jī)改性是利用無機(jī)物改性劑中的陽離子置換蒙脫石層間原有的金屬陽離子，改變層間結(jié)構(gòu)，從而提高蒙脫石吸附性、表面酸性的濃度和強(qiáng)度等。常用的無機(jī)改性有酸改性、無機(jī)鹽改性和鈉化改性3種。其中酸改性主要是用酸試劑對(duì)蒙脫石進(jìn)行洗滌或者對(duì)含有酸的蒙脫石液加熱，使蒙脫石層間的Na+、Ca2+和K+等陽離子置換為相應(yīng)酸的可溶性鹽類，提高蒙脫石的吸附和催化性；酸改性的蒙脫石，可以作為脫色劑、吸附劑等。無機(jī)鹽改性是蒙脫石層間陽離子與無機(jī)金屬鹽陽離子進(jìn)行離子交換，從而達(dá)到改性效果。用于蒙脫石改性的鹽類主要有鋁鹽、鋅鹽、鎂鹽、銅鹽等；天然蒙脫石以鈣基蒙脫石為主，還有少量的鈉基蒙脫石、鋁基蒙脫石等。但是，以鈉基蒙脫石的產(chǎn)品性能最佳。鈉基蒙脫石有較高的陽離子交換性、膨脹性、膠質(zhì)性以及較高的熱干壓強(qiáng)度和濕壓強(qiáng)度。

2.2 有機(jī)改性

對(duì)蒙脫石進(jìn)行有機(jī)改良可以將蒙脫石層間的水化無機(jī)金屬陽離子交換出來，增加層間距。有機(jī)季銨鹽改性使層間增大且降低其表面的親水性，提高親油性，加強(qiáng)蒙脫石與聚合物的結(jié)合力；聚合物單體改性是利用聚合物單體作為改性劑插層到蒙脫石層間，再通過聚合反應(yīng)得到其納米復(fù)合材料；偶聯(lián)劑改性是利用蒙脫石表面與活性官能團(tuán)進(jìn)行吸附，并對(duì)蒙脫石進(jìn)行表面修飾，從而可以提高其潤(rùn)濕性和相容性。

2.3 無機(jī)/有機(jī)復(fù)合改性

無機(jī)/有機(jī)復(fù)合改性是把無機(jī)與有機(jī)兩種改性方法合理地結(jié)合起來運(yùn)用，先進(jìn)行蒙脫石的無機(jī)改良，再進(jìn)行有機(jī)改良，最終得到有機(jī)復(fù)合型蒙脫石。這種方法被廣泛運(yùn)用于污水、廢水處理方面。

3 有機(jī)改性蒙脫石

李莉等以鈉蒙脫石和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）有機(jī)改性蒙脫石為吸附劑對(duì)水溶液中的鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）進(jìn)行了靜態(tài)吸附對(duì)比，觀察吸附時(shí)間、溶液初始pH等因素對(duì)吸附效果的影響，研究了DBP在蒙脫石有機(jī)改性前后的兩種吸附劑上的吸附機(jī)制。楊性坤等以河南信陽膨潤(rùn)土為原料，經(jīng)提純鈉化后用十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）作有機(jī)插層劑與蒙脫土層間的陽離子進(jìn)行交換，制備出層間距不同的有機(jī)蒙脫土，用XRD、TG、DSC對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征，探討了有機(jī)改性的工藝條件及所得有機(jī)蒙脫土的吸附性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CTMAB與蒙脫土量之比為100mmol/100g時(shí)，特別是又處于75℃的溫度中，持續(xù)2～3h，此時(shí)蒙脫土的層間距最大，具備較強(qiáng)的吸附能力，因此可以有效去除水溶液中苯酚類的有毒物質(zhì)。

齊杉等為了提升富鋅防腐涂料各方面的效能，選擇硅丙乳液、硅溶膠、氫氧化鉀作為主體材料，在主體材料中分別加入經(jīng)過HOOC（CH2）17NH3+和CH3（CH2）17NH3+有機(jī)改良的蒙脫石作為抗沉劑，創(chuàng)新研發(fā)出具備改良性能的硅酸鉀富鋅防腐涂料，實(shí)現(xiàn)其各方面性能的優(yōu)化補(bǔ)充。

而學(xué)者Nevin Oztekin則重點(diǎn)研究了陽離子聚合物乙烯亞胺與膨潤(rùn)土的吸附作用，在大量的研究之后，其認(rèn)為兩者之間的吸附產(chǎn)生原理是兩者之間存在靜電影響作用，膨潤(rùn)土在聚乙烯亞胺陽離子的靜電刺激下，其原有的懸浮流變性能改變，而其又將對(duì)聚合物的吸附能力實(shí)現(xiàn)了最大程度的發(fā)揮，其流變性能隨著膨潤(rùn)土中交換性陽離子的變化而變化。

學(xué)者Sanchez-Martin則用長(zhǎng)鏈表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨改良蒙脫石，高嶺石及海泡石等礦物質(zhì)，將改良后所獲得的礦物用于農(nóng)藥污染水體的治理，對(duì)比天然的粘土礦物，經(jīng)過改良的粘土礦物對(duì)有機(jī)農(nóng)藥具有更強(qiáng)的吸附能力，研究發(fā)現(xiàn)，改良后的蒙脫石對(duì)戊菌唑和甲霜靈的吸附能力是天然蒙脫石的100倍以上。

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)表明，改性蒙脫石通過離子交換，將蒙脫石層間的金屬離子置換出來，擴(kuò)大蒙脫石層間距離，增加高分子化合物的相容性和吸附性，使其吸附性能得到很大提高。

4 結(jié)語

眾多無機(jī)納米粒子中，蒙脫土由于其在我國(guó)儲(chǔ)藏豐富，性能全面而優(yōu)良，其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此備受青睞。特別是工業(yè)生產(chǎn)中，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。從最開始的陽離子表面活性劑對(duì)粘土進(jìn)行表面有機(jī)化處理，到聚合物的添加劑、有毒物質(zhì)的吸附劑、催化劑等。尤其是聚合物/蒙脫石納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了蒙脫石利用價(jià)值的最大限度發(fā)揮。它大幅度地改善了納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、阻燃性能和熱穩(wěn)定性能及其他特殊性能等。雖然目前人們對(duì)蒙脫石的改性及其應(yīng)用研究已經(jīng)日趨成熟，但蒙脫石作為“萬能材料”仍有很大的研究空間，如對(duì)有機(jī)蒙脫石合成工藝的研究、對(duì)有機(jī)蒙脫石在環(huán)保方面的應(yīng)用研究、利用有機(jī)蒙脫石進(jìn)行新材料的開發(fā)研究等。

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