高岭石有机插层复合材料的研究及应用现状

高岭石是一种层状硅酸盐矿物,有机物可进入其层间形成高岭石有机插层复合物。本文综述了高岭石有机插层复合物的发展及其制备,分析了高岭石插层复合物的插层反应特点和插层影响因素,并概述了该领域目前的研究重点和应用前景。     

高岭石有机插层反应的影响因素

利用高岭石的层状结构特征,将有机分子插入高岭石层间形成的高岭石有机复合物,兼具粘土矿物和有机物的特性,是一种新型矿物材料,在功能填料、陶瓷材料、催化剂、择吸附剂、环境修复材料等方面具有广泛的应用前景。高岭石层间氢键作用较强,有机分子的插层作用比较困难,合理控制插层条件是插层作用完成的关键。评述了高岭石特征、插层有机分子性质、水、温度、压力、PH值等因素对高岭石有机插层作用的影响。     

置换插层制备高岭石--甲醇复合物的机理

分别以高岭石--二甲基亚砜插层复合物和高岭石--尿素插层复合物为前驱体,采用多次逐步置换插层方法制备高岭石--甲醇插层复合物。通过X射线衍射和红外光谱测定不同插层阶段产物的结构,对不同前驱体制备高岭石--甲醇插层复合物的置换插层机理进行了探讨。结果表明:前驱体不同,其置换过程行为不一样。以高岭石--二甲基亚砜插层复合物为前驱体,甲醇分子首先以分子状态进入层间,随着置换次数和时间的增长,逐渐以化学键结合于层间,表现为变化较大的层间距;以高岭石--尿素插层复合物为前驱体,甲醇分子直接以化学键结合于层间,表现为比较稳定的层间距。红外光谱研究表明甲醇分子主要与高岭石晶层中的内表面羟基发生作用,形成新的化学键接枝于高岭石层间。     

高岭石/苯甲酰胺插层复合物的制备和表征

在60℃下,高岭石与二甲基亚砜反应制备高岭石/二甲基亚砜插层复合物,使用X衍射分析、热分析、红外光谱分析对其进行表征。在140℃下,苯甲酰胺与高岭石/二甲基亚砜插层复合物反应4 d,得到高岭石/苯甲酰胺插层复合物,对其进行表征,然后与高岭石/二甲基亚砜插层复合物进行对比。结果表明：在没有二甲基亚砜作为前驱体的情况下,苯甲酰胺不能与高岭石直接进行反应;高岭石/苯甲酰胺插层复合物结构的稳定性好,是由于苯甲酰胺插层内羰基中的氧原子与高岭石层间表面上的铝硅酸盐形成氢键。     

高岭石-氨基硅烷插层复合物的制备与表征

以高岭石-甲醇(K-M)复合物为前驱体,利用置换法于常温下制备了3种高岭石-氨基硅烷插层复合物。用X射线衍射、Fourier变换红外光谱仪、透射电子显微镜、热分析仪等对复合物进行了表征。结果表明:3种高岭石-氨基硅烷插层复合物的层间距均扩大至2nm以上,插层率都大于95%。3种氨基硅烷分子均和K-M前驱体的甲氧基共同存在于高岭石层间,均呈两层倾斜排列,倾斜程度不同。氨基硅烷的插入破坏了高岭石层间的氢键,加剧了高岭石自身结构中硅氧四面体片层与铝氧八面体片层之间的错位,使得复合物片层出现不同程度的卷曲变形。3种高岭石-氨基硅烷插层复合物的热分解过程均分三步进行:表面水的蒸发及层间甲氧基的脱嵌分解、插层剂氨基硅烷分子的脱嵌、高岭石脱羟基。     

高岭石/苯甲酰胺插层复合物的制备与表征

以高岭石／二甲亚砜作为前驱物,用熔融插层法成功制备了高岭石／苯甲酰胺插层复合物,产物用X射线粉晶衍射和Fourier变换红外光谱进行了表征。实验结果表明：高岭石／苯甲酰胺插层复合物中,高岭石的层间距扩张到1.428nm,插层率达到了82．5％;苯甲酰胺分子的氨基与高岭石的内表面羟基形成了氢键,苯甲酰胺分子可能以单分子层垂直排列于高岭石层间。高岭石／苯甲酰胺插层复合物在140～180℃的温度范围内,会发生苯甲酰胺的脱嵌过程。     

阳离子对醋酸盐插层高岭石影响的研究

采用研磨法制备了高岭石/醋酸钠和高岭石/醋酸钾钠插层复合物,并用XRD、FI-IR、TG-DSC对插层复合物进行表征,探讨了阳离子不同对插层结果的影响.结果表明: K~+、Na~+的不同对插层结果有很大影响,与醋酸钾插层复合物只有一个1.365 nm衍射峰不同,醋酸钠插层复合物,出现了0.979 nm和0.765 nm两个衍射峰,醋酸盐分子在高岭石层间直立取向,阳离子和甲基可能进入到了复三方孔中.     

脂肪酸/高岭石插层复合物的制备及结构模型

以高岭土为原料、甲醇/高岭石插层复合物为前驱体,用脂肪酸插层处理,制备得到系列脂肪酸/高岭石插层复合物。利用X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)及透射电子显微镜对结构与形貌进行了表征,讨论相同实验条件下,不同链长的脂肪酸插层高岭石后层间距及形貌的变化规律。结果表明:随着碳原子数增加,高岭石插层复合物层间距亦增大,层间距在2.36~4.13 nm之间。高岭石复合物层间距与脂肪酸碳原子数变化呈正相关关系,表明不同碳原子数的脂肪酸在高岭石层间的排列方式相似。当碳原子数≥14时,高岭石片层的边缘开始出现卷曲,且随着碳原子数的增加,卷曲片层数目增多,卷曲程度增大。综合分析XRD和FTIR结果,结合脂肪酸分子空间尺寸,提出脂肪酸分子在高岭石层间的排列模型。     

高岭土/咪唑插层复合物的制备与表征

以高岭石/二甲基亚砜插层复合物作为前驱体,采用二次取代法制备了高岭石/咪唑插层复合物,采用X-射线衍射、红外光谱、激光粒度分析等技术对产物进行表征。实验结果表明:咪唑已成功插入到高岭石中。XRD分析表明:在高岭石/咪唑插层复合物中,高岭石的层间距由0.72nm扩张到1.125nm,插层率达到了71.7%,红外光谱研究表明,插层中咪唑分子中的N-H基与高岭石内表面羟基之间产生了N-H-OH作用,形成了新的氢键;热重-差热曲线(TG-DTA)分析表明:高岭石/咪唑插层复合物在130～220℃的温度范围内,会发生咪唑的脱嵌过程,粒度分析表明:高岭石粒径小于5μm的颗粒占总颗粒数的比例降低了12.66%。     

高岭石/聚苯乙烯插层复合物碳热还原反应制备碳化硅晶须/氧化铝复相陶瓷粉体

以二甲基亚砜(dimethylsuIfox.de,DMSO)为插层剂制得高岭石/DMSO插层复合物,将苯乙烯单体与高岭石,DMSO插层复合物进行置换反应, 成功地将苯乙烯单体引入高岭石层间,层间苯乙烯在加热条件下聚合,制得高岭石/聚苯已烯捅层复合物.以高岭石/聚苯乙烯插层复合物为原料,在氩气保护气氛下,于1500℃碳热还原反应制备碳化硅晶须/氧化铝(SiCw/Al2O3)复相陶瓷粉体.结果表明:在高岭石/聚苯乙烯插层复合物中,高岭石 的层间距由0.717nm扩张到1.130nm,插层率接近100%.插层作用影响了层间羟基基团的振动,使其键合方式发生改变.X射线衍射和扫描电镜分 析表明:合成出SiCw/Al2O3复相陶瓷粉体中SiC和Al2O3为主品相,SiC呈晶须状,其直径≤200nm,长度≥3μm.     

高岭石/丙烯酰胺插层复合物的微波制备及其表征

高岭石及其有机插层复合物在高性能陶瓷领域有着良好的应用前景。本文利用微波技术,以DMSO作为前驱体,制备高岭石/丙烯酰胺插层复合物,发现微波对丙稀酰胺的插层反应具有相当明显的促进作用,反应时间从通常的几天缩短到几个小时。采用X-射线衍射、FT-IR光谱、TG等技术对其进行表征。结果表明:反应2小时后,该插层复合物的层间距即可扩大为1.139nm,其键合方式发生了改变,形成新的氢键。这为工业生产高岭石有机插层物以及制造纳米级高岭土提供了高效的新途径,并为进一步生产高性能陶瓷方面打下了基础。     

Mechanochemical intercalation of low reactivity kaolinite

Complete urea-intercalation of a low reactivity kaolinite from Birdwood has been carried out by co-grinding with urea in the absence of water (mechanochemical intercalation). The effectiveness of mechanochemical intercalation was compared to solution intercalation by X-ray diffraction (XRD), thermal analysis (TG, DTG), diffuse reflectance Fourier transform infrared (DRIFT) spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). In aqueous solution of urea the Birdwood kaolinite was intercalated with difficulty and only 12% intercalation was achieved. After 2 h of co-grinding with solid urea, complete (100%) intercalation was attained. The possible explanation of complete intercalation is that co-grinding of Birdwood kaolin with solid urea can remove the high-defect kaolinite coating, which prevents the intercalation of the low-defect kaolinite particles. The mechanochemical treatment increased the degree of intercalation and in parallel reduced the amount of the crystalline kaolinite phase.     

Kaolinite Clay Mineral Reactivity Improvement through Ionic Liquid Functionalization

Since the intercalation of 1‐ethylpyridinium chloride in the interlayer space of kaolinite in 2005, several other ionic liquids (ILs) have been successfully intercalated. Unlike other clay minerals that display charged structural units, kaolinite is almost neutral. ILs intercalation in kaolinite results in both the cation and the anion in the interlayer space. The confinement of ILs in this two‐dimensional polarized space is of numerous interests, with certainly the most important to be discovered. Moreover, kaolinite interlayer space is decorated by a dense network of hydroxyl functions that can be easily functionalized. Recent study demonstrates that it is possible to synthesize ILs from simple organic molecules whose cations can be permanently grafted into the interlayer space of kaolinite. This review presents the results obtained in kaolinite functionalization by ILs, by focusing on the synthesis, applications and potential perspectives offered by these new nanohybrid materials.     

高岭石／二甲基亚砜插层复合物的制备及影响因素

以高岭土为原料,制备了高岭土／二甲基亚砜（dimethylsulfoxide,DMSO）插层复合物。利用X射线衍射（x-raydiffraction,xgo）,Fourier红外光谱（Fouriertransforminfraredspectracopy,FTIR）,热重一差热分析（thermogravimetric-...     

苯甲酰胺分子在高岭石层间的成键和取向

利用X射线粉末衍射和Fourier变换红外光谱实验分析了2种高岭石及其苯甲酰胺插层复合物的结构.结构表征与分析表明:复合物的层间距分别扩张到1.437 nm和1.444 nm,苯甲酰胺分子在高岭石层间均呈单分子竖直排列,但与层间表面的倾斜状况不同.在佛山高岭石/苯甲酰胺插层复合物中,氨基和羰基同时参于与内表面羟基的作用;而在苏州高岭石/苯甲酰胺插层复合物中,只有氨基与内表面羟基成键,且苯甲酰胺分子还部分嵌入高岭石的复三方空穴.     

微波对不同插层剂插入高岭石的作用与比较

用X射线衍射和红外光谱研究在微波辐照下不同种类的插层物插入高岭石层间的效果。结果表明：微波对大偶极距、小分子物质,如二甲亚砜(dimethyl sulphoxide,DMSO)的插层反应具有相当明显的促进作用,当DMSO插层率为82．2％时,微波辐照可使插层时间从通常的几天缩短到1h。同时,实验也表明,微波对醋酸钾、尿素等物质的插层促进作用相当微弱,其原因是微波对各种插层物、水以及高岭石的热效应与非热效应综合作用的结果。