焦飛飛,李 香,趙志坡,梁錫炳
(中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008)
我國高嶺土品種多樣且資源豐富,但對高嶺土的開發(fā)利用卻遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。近幾年我國進(jìn)口用于高檔油漆、涂料和造紙等領(lǐng)域的精制高嶺土大幅度增加,而出口的高嶺土價格低廉且技術(shù)含量不高,主要用作初級原料[1]。提高高嶺土產(chǎn)品的檔次和附加值,探索高嶺土深加工和改性新方法,對于我國高嶺土產(chǎn)業(yè)有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
高嶺土主要礦物成分是高嶺石,高嶺石是1∶1型層狀硅酸鹽礦物,其晶體結(jié)構(gòu)中硅氧四面體和鋁氧八面體片層疊加構(gòu)成納米層狀結(jié)構(gòu),層間域一般為0.23nm。某些活性分子可以通過插層作用進(jìn)入高嶺土片層間,形成高嶺土有機(jī)納米插層復(fù)合物。近年來甲酰胺、二甲基亞砜、肼、尿素、醋酸鉀等極性小分子和聚乙二醇、丙烯酰胺、丙烯腈等聚合物大分子或聚合物單體對其改性的研究較為活躍,形成的高嶺土插層復(fù)合物作為新型礦物材料[2-9]。在催化劑、功能材料、吸附劑、陶瓷材料、納米復(fù)合材料、環(huán)境工程材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景,因此高嶺土插層改性的研究具有很大的工業(yè)價值。
高嶺土插層具有成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn),成為改善高嶺土性質(zhì)的有效途徑之一。但迄今為止,對高嶺土插層改性的方法并無統(tǒng)一的分類和歸納,且不時有新方法、新工藝出現(xiàn)。本文在闡述高嶺土插層機(jī)理的基礎(chǔ)上,介紹并分析了傳統(tǒng)的改性方法以及近幾年產(chǎn)生的新方法,展望了插層復(fù)合物的應(yīng)用前景,以期為高嶺土插層改性研究開啟新思路。
高嶺石是具有層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物,化學(xué)式為Al4[Si4O10](OH)8,晶體結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體片層(T)和鋁氧八面體片層(O)在c軸方向上作周期性TOTO排列而形成的1∶1型層狀結(jié)構(gòu)。
高嶺石晶體中存在兩種類型的羥基。一類羥基位于硅氧四面體與鋁氧八面體之間,稱為內(nèi)羥基(inner hydroxyl);另一類羥基則位于高嶺石層間的表面,稱為內(nèi)表面羥基(inner surface hydroxyl)。高嶺石層與層之間通過這兩類羥基的氫鍵作用連接。某些活性分子可以打破這種氫鍵進(jìn)入高嶺石層間,實(shí)現(xiàn)插層改性。Lagaly[10]認(rèn)為客體分子進(jìn)入高嶺土層間,可以取代高嶺土層間的氫鍵,與高嶺土的內(nèi)表面羥基或內(nèi)表面氧原子形成新的氫鍵。
由熱力學(xué)基本原理知:等溫等壓條件下,插層劑分子能否插入到高嶺土層間,取決于系統(tǒng)Gipps函數(shù)的變化,即ΔG。只有ΔG<0時,插層反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行。由ΔG=ΔH-TΔS可知,若ΔG<0,ΔH必須小于TΔS。
在實(shí)際反應(yīng)中,有如下情況可使ΔG<0:①插層反應(yīng)為放熱過程,(a)ΔH<0,且ΔS>0,(b)ΔH<0,且ΔH<TΔS;②插層反應(yīng)為吸熱過程,(c)0<ΔH ΔH與ΔS決定插層反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行,Huang等[12]和Vaia等[13]依據(jù)熱力學(xué)的理論,提出了基于層狀硅酸鹽的重復(fù)片狀晶體結(jié)構(gòu)的平均場理論。該理論認(rèn)為,活性分子的極性越強(qiáng)或親水性越強(qiáng)、對無機(jī)片層改性的有機(jī)基團(tuán)越短小,越有利于插層反應(yīng)的進(jìn)行。在插層改性過程中,分子的活動受到限制,排列趨向更加有序,在熱力學(xué)上為熵減過程。因而插層反應(yīng)的進(jìn)行取決于該反應(yīng)的ΔH。增加高嶺土與活性分子的極性作用,或減少非極性作用,使ΔH朝著有利的方向變化,有利于插層反應(yīng)的進(jìn)行。采用不同的制備方法,其決定因素的強(qiáng)弱程度將發(fā)生改變。通過分析ΔH與ΔS的變化以及反應(yīng)條件的不同,可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的插層方式和最好的插層效果。 根據(jù)插層劑和高嶺土插層反應(yīng)體系的不同,高嶺土插層改性方法可以分為傳統(tǒng)插層改性方法(液相插層法、蒸發(fā)溶劑插層法和機(jī)械力化學(xué)插層法等)和新型插層改性方法(微波輻射、超聲波等)。 (1)液相插層法。 液相插層法是高嶺土插層改性最早使用的方法,也是最為常用的方法。液相插層法是插層劑在溶液、乳液或熔融狀態(tài)下進(jìn)行的插層反應(yīng)。按照取代的次數(shù),可將液相插層分為直接插層法、一次取代法、二次取代法等。 直接插層法:只有幾種偶極距大、極性較強(qiáng)的小分子能夠直接插入其層間,如甲酰胺、甲基甲酰胺(NMF)、二甲基亞砜(DMSO)、肼、尿素、醋酸鉀、CsF等[3-6,13-14]。 一次取代法:主要針對不能直接插入高嶺土層間的較大分子,通過置換預(yù)插層體中的插層劑,將目標(biāo)分子插入高嶺土層間。如用羧甲基淀粉鉀取代DMSO/高嶺土插層復(fù)合物層間的DMSO,制備出高嶺土/羧甲基淀粉剝離型插層復(fù)合物[15]。對于不能直接在水中插層的聚合物大分子或單體,可以選擇在醇或酯中進(jìn)行[16]。 二次取代法:經(jīng)過兩次取代將目標(biāo)分子插入高嶺土層間的方法。典型例子是聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和一次取代產(chǎn)物甲醇/高嶺土插層復(fù)合物通過置換反應(yīng)制備得到PVP/高嶺土插層復(fù)合物。 一般來說,液相插層法隨著取代次數(shù)的增多,插層反應(yīng)時間變長,工藝越來越繁瑣,而最終得到的復(fù)合物插層率會有所下降。 (2)蒸發(fā)溶劑插層法。 蒸發(fā)溶劑插層法是指在蒸發(fā)溶劑濃縮混合體系的過程中,溶質(zhì)分子進(jìn)入高嶺土層間而實(shí)現(xiàn)插層反應(yīng)的方法。這種方法從實(shí)質(zhì)來說屬于液相插層,區(qū)別在于整個反應(yīng)過程中溶劑不斷蒸發(fā),致使溶液濃度不斷增大,從而利于實(shí)現(xiàn)插層。Lapides等[17-18]對CsF進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)直接蒸發(fā)CsF和高嶺土的懸浮液時,F(xiàn)-和水形成HF或[H(H2O)x]F進(jìn)入高嶺土層間,得到層間距d001=0.84nm的插層復(fù)合物。但是所得插層復(fù)合物的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,水洗或加熱到260℃時會造成脫嵌。古映瑩等[19]用硫酸處理高嶺土,過濾后加入MBT/丙酮混合物發(fā)生反應(yīng),然后真空蒸發(fā)、洗滌、干燥,制得了高嶺土-MBT復(fù)合物。 (3)機(jī)械力化學(xué)插層法。 機(jī)械力化學(xué)插層法是通過機(jī)械攪拌、研磨、壓縮、剪切、摩擦、抽濾等作用,對插層劑施加機(jī)械能而誘發(fā)其物理、化學(xué)性質(zhì)變化,使高嶺土和與其相接觸發(fā)生化學(xué)變化,從而實(shí)現(xiàn)插層改性的方法。許濤等[20]采用機(jī)械研磨法成功制備了醋酸鉀/偏高嶺土插層復(fù)合材料。而對于某些在常溫下不能自發(fā)進(jìn)行及某些在高溫下難以控制或成分揮發(fā)嚴(yán)重影響合成純度的反應(yīng),機(jī)械力化學(xué)插層法是最佳選擇。 傳統(tǒng)改性工藝是用上述原理再輔以浸泡、加壓、離心沉降、加熱、攪拌、抽慮、研磨等物理手段或加入催化劑等化學(xué)方式來達(dá)到插層改性目的。這些方法步驟繁瑣、制備周期長、受外界的影響也較大,且制得的復(fù)合物一般不太穩(wěn)定,不適合實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。近年來,在不斷尋找合適的預(yù)插層體和插層劑的同時,越來越多的人開始關(guān)注高嶺土插層改性的新方法和新工藝。 (1)微波輻射插層。 微波常被用來催化化學(xué)反應(yīng),微波的輻射能量大約為10~100J/mol,而一般的化學(xué)鍵的鍵能為100~600kJ/mol,氫鍵的鍵能為8~50kJ/mol,因此微波可以破壞氫鍵,但不會造成化學(xué)鍵的斷裂,故可利用微波輻射來研究高嶺土的插層改性。 極性分子在微波作用下從原來的熱運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電磁場的方向交變的排列取向,引起分子的轉(zhuǎn)動進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài),能使極性分子在一定的條件下插入到高嶺土層間,從而實(shí)現(xiàn)聚合物分子對高嶺土的插層。此外,微波具有加熱速度快,加熱均勻的特點(diǎn),且可實(shí)現(xiàn)在分子水平的攪拌,有助于層間的快速膨脹以及層間氫鍵的斷裂。當(dāng)微波作用時間很長時,甚至可以使高嶺土剝片。 孫嘉等[21]以KAc、DMSO、尿素為插層劑,對高嶺土進(jìn)行微波輻射插層的研究,發(fā)現(xiàn)微波對DMSO/高嶺土插層反應(yīng)(偶極矩大的極性小分子)有明顯的促進(jìn)作用,且縮短了插層時間。DMSO/高嶺土插層反應(yīng)1h時,插層率可達(dá)82.2%,但是對KAc/高嶺土、尿素/高嶺土插層復(fù)合物的制備并無明顯促進(jìn)作用。 利用微波輻射作用制備插層復(fù)合物的關(guān)鍵是找到合適的插層劑,只有大偶極矩、分子大小相近的質(zhì)子惰性分子才具有明顯的促進(jìn)作用。水是吸收微波最好的介質(zhì),因此,在微波輻射插層改性時,常用水作為溶劑和促進(jìn)劑。 (2)超聲波插層。 超聲波是頻率在20kHz以上的波段,它具有頻率高、波長短、傳播方向性好、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在制備過程中,超聲波的機(jī)械特性可促進(jìn)液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散,使高嶺土和插層劑混合均勻。在超聲振蕩的過程中,其空化作用可以提供局部超高溫、超高壓等特殊反應(yīng)條件,清除層間雜質(zhì)和提供插層所需能量,對插層反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用。超聲波作用可以縮短插層反應(yīng)時間,提高插層效率。此外,利用超聲波進(jìn)行插層改性還能節(jié)約能源,有利環(huán)保。 韓世瑞等[22]用超聲化學(xué)法制備高嶺土/DMSO插層復(fù)合物,在3~4h內(nèi),插層率可達(dá)90%左右,大大縮短了反應(yīng)時間。馮莉等[23]將高嶺土/DMSO作為預(yù)插層體,在超聲波條件下,一次取代快速制備得到高嶺土/乙醇插層復(fù)合物。閻琳琳等[24]對高嶺土插層復(fù)合物進(jìn)行超聲處理,得到均勻納米化、保持良好晶型的剝片高嶺土。 (3)其他改性新方法。 曹秀華等[25]利用甲醇鈉強(qiáng)烈奪氫的作用,奪取高嶺土層間內(nèi)表面羥基上的氫,從而制得高嶺土插層復(fù)合物。同時他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)甲醇鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度都較高時,會破壞高嶺土的層間結(jié)構(gòu)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%的甲醇鈉溶液和高嶺土在80℃時發(fā)生插層反應(yīng);甲醇鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%或25%,反應(yīng)溫度60℃時,產(chǎn)物出現(xiàn)多個不同的插層相;反應(yīng)溫度高于80℃時,高嶺土無定形化。由于制備得復(fù)合物Na+吸附于高嶺土片層表面,使得高嶺土在催化劑、陰離子聚合引發(fā)劑方面具有應(yīng)用價值。王林江等[26]以高嶺土/丙烯酰胺復(fù)合物為前驅(qū)體,經(jīng)碳化、碳熱還原、氮化反應(yīng),合成了Sialon粉體。該方法縮短了反應(yīng)時間,插層效果較好,插層復(fù)合物的層間結(jié)構(gòu)得以保留,結(jié)晶度較高。 以高嶺土有機(jī)插層復(fù)合物為制備陶瓷的原料,可以改善成型條件、降低陶瓷固化的燒結(jié)溫度,同時還可以大大提高陶瓷的韌性[27]。如在高嶺土層間通過插層反應(yīng)嵌入丙烯腈作為“前驅(qū)體”,然后通過層間聚合反應(yīng)得到高嶺土/聚丙烯腈復(fù)合物。高嶺土/聚丙烯腈復(fù)合物經(jīng)高溫?zé)g可得碳纖維,從而制得分子水平分散、具有良好的力學(xué)性能、熱學(xué)性能的碳纖維增韌陶瓷[28]。 高嶺土的結(jié)構(gòu)、組成簡單,其Al/Si比值接近β′-Sialon陶瓷。將一定量還原碳粉、催化劑與高嶺土混合后經(jīng)碳熱還原和氮化反應(yīng)可以得到β′-Sialon陶瓷粉末,但由于混合不均勻而使產(chǎn)品相組成復(fù)雜,性能差。利用高嶺土有機(jī)插層反應(yīng)的原理,先制備高嶺土/有機(jī)插層復(fù)合物,然后進(jìn)行原位碳化、碳熱還原、氮化反應(yīng),由于碳化層與高嶺土層之間以分子水平接觸,碳化反應(yīng)均勻,碳熱還原反應(yīng)溫度低,形成的β′-Sialon陶瓷粉體相組成簡單,性能好。 Takenawa[29]制備得高嶺土/對硝基苯胺插層復(fù)合物,他發(fā)現(xiàn)對硝基苯胺分子在高嶺土層間呈傾斜狀排列,復(fù)合物表現(xiàn)出了二次非線性光學(xué)特性,觀察到了二次簡諧波,這種特性為高嶺土用于制造非線性光學(xué)材料提供了可能。Wang等[30]將高嶺土/DMSO插層復(fù)合物分散于二甲基硅油中,制備出電流變液。當(dāng)剪切壓力達(dá)到600Pa(剪切速率5s-1)時電流變效率是純的高嶺土電流變液的3.14倍,沉降速率和熱穩(wěn)定性也有了很大的改善。趙艷等[31]研究表明,插層高嶺土/改性氧化鈦納米復(fù)合顆粒電流變液具有較好的電流變效應(yīng),剪切速率為103.18s-1時,電流變效率為23.7,剪切速率為10.89s-1時電流變效率高達(dá)573.6。這種優(yōu)良的特性,啟示我們可以通過對高嶺土基電流變液材料的改良,制備出成本低、使用性能好的電流變液材料。 高嶺土插層復(fù)合物具有較好的除有機(jī)污染物的能力,可以取代活性碳用于工業(yè)廢水的處理和固定污泥中的有機(jī)污染物,而且高嶺土價格低廉、資源豐富、再生性好,有望用于制備環(huán)保材料和環(huán)境修復(fù)材料。Gushikem等[32]研究表明,粘土-MBT復(fù)合體可以通過吸附作用有效去除水溶液中的Hg2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+和Cd2+等。古映瑩等[19]研究發(fā)現(xiàn),在制備高嶺土-MBT復(fù)合體時,酸的濃度越大,其吸附性能越好。研究表明:高嶺土-MBT復(fù)合體吸附Pb2+離子的最佳溫度為25℃,達(dá)到吸附最大速率的時間與Pb2+離子的原始濃度成正比,最大吸附量為4.25μmol/g。 高嶺土可以通過插層改性制備出高強(qiáng)度、高韌性的結(jié)構(gòu)材料,同時由于無機(jī)片層對有機(jī)客體分子的保護(hù)作用,復(fù)合材料還具有優(yōu)異的耐磨性能、耐熱性能和阻燃性能。Itagaki等[33]制備了高嶺土/聚β-丙胺酸插層復(fù)合物,制得的復(fù)合物具有比本體更高的耐熱性。顧傳錦等[34]制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米高嶺土增強(qiáng)PTFE自潤滑復(fù)合材料,通過對其做摩擦磨損試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在接觸壓力515MPa、往復(fù)頻率1Hz、往復(fù)行程115mm的試驗(yàn)條件下,重載低速時,這種新型的自潤滑材料在穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)在0.107~0.119的范圍,填充后的PTFE復(fù)合材料的耐磨性能顯著提高,其中含10%高嶺土的PTFE復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的性能,比純PTFE提高了約54倍。此外高嶺土有機(jī)插層復(fù)合材料還具有很好的耐熱性能和阻燃性能。這些特性使得高嶺土有機(jī)插層復(fù)合物有望在建筑材料、化工、航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 高嶺土有機(jī)插層復(fù)合物還能作為電解質(zhì)阻隔材料和納米反應(yīng)器,通過離子交換,經(jīng)插層—脫嵌處理的高嶺土可作為水軟化劑、吸附劑、催化劑載體以及多孔材料等[35-37]。高嶺土有機(jī)插層復(fù)合物既具有粘土礦物特有的吸附性、分散性、流變性、多孔性和表面酸性,同時又具有插層有機(jī)分子的反應(yīng)活性。在催化劑、吸附劑和先進(jìn)陶瓷材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 高嶺土插層復(fù)合物的制備方法中,液相插層法使用最為廣泛,尋找合適的預(yù)插層體提高插層率,仍然是液相插層改性研究領(lǐng)域需要解決的一個關(guān)鍵問題;傳統(tǒng)的方法工藝復(fù)雜,不適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn),發(fā)展和完善新型插層法以提高插層效率是目前高嶺土插層研究的一個熱點(diǎn);同時從高嶺土結(jié)構(gòu)、性能、及插層條件的改變等因素考慮,改進(jìn)工藝、節(jié)約能源,以期獲得更高的插層率仍然是高嶺土插層改性研究領(lǐng)域的一個重點(diǎn)。高嶺土插層復(fù)合物有重要的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景,相信隨著對高嶺土改性技術(shù)研究的深入,其插層復(fù)合材料將在高強(qiáng)度、高韌性的結(jié)構(gòu)材料、功能材料等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用,而插層復(fù)合物的應(yīng)用研究也將成為該領(lǐng)域未來研究的一個熱點(diǎn)。 [1]鄭水林.中國非金屬礦加工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2006(3):3-8. 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3.1 傳統(tǒng)插層改性方法
3.2 新型插層改性方法
4 高嶺土插層復(fù)合物的應(yīng)用
4.1 新型陶瓷材料
4.2 新型光學(xué)和電學(xué)材料
4.3 環(huán)保材料
4.4 強(qiáng)韌型結(jié)構(gòu)材料
4.5 其他應(yīng)用
5 應(yīng)用前景展望