第三讲_阴离子型黏土插层复合材料要点

两性-阳（阴）离子复配修饰黏土矿物稳定性的研究摘要有机修饰黏土矿物的稳定性不仅会影响其对污染物的吸附能力，同时可能存在的表面活性剂的解吸会导致二次污染问题，因此，研究黏土矿物的稳定性对于修饰黏土矿物的实际应用具有重要意义。

为了探究两性及两性-阳（阴）离子复配修饰黏土矿物的稳定性，本文以2:1型膨润土和1:1型高岭土作为基质，分别采用两性表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）、两性+阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）和两性+阴离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）对这两种黏土矿物进行单一和复配修饰，批处理法研究NaCl溶液解吸下的土样中各修饰剂的稳定性，并对比温度、pH和盐溶液浓度对解吸的影响。

同时研究了部分BS-12、BS+CT、BS+SDS修饰土的TOC含量、比表面积，采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）和热重等方法对土样表面特征进行的分析，多方面描述改性黏土矿物解吸前后的变化规律，从微观角度揭示两性复配修饰黏土矿物的稳定性机制，为两性复配修饰黏土矿物的实际应用提供依据。

研究得到的主要结论如下：1 BS-12单一修饰膨润土比BS-12单一修饰高岭土具有更好的解吸稳定性；两性+阳（阴）离子型复配修饰膨润土的稳定性高于两性+阳（阴）离子型复配修饰高岭土；两性-阳离子复配修饰黏土矿物比两性-阴离子型具有更好的稳定性。

2 BS-12单一修饰膨润土具有较好的解吸稳定性，在不考虑其他因素影响的前提下，BS-12的解吸率均小于5%；BS-12单一修饰高岭土的稳定性略差，其BS-12的解吸率均小于18%。

3 BS-12单一修饰膨润土和高岭土的解吸稳定性随着BS-12的修饰比例的升高而降低，即以阳离子交换模式与土样结合的BS-12比以疏水模式结合的更为稳定；解吸液pH 和NaCl溶液浓度的升高、温度的降低均促进两种修饰土样稳定性增强。

在供试条件范围内，当解吸液NaCl浓度为2mol/L，pH条件为10，温度为20℃时，BS-12单一修饰膨润土和高岭土最为稳定。

第三章粘土知识与配浆第一节粘土矿物的分类及主要性质一、粘土矿物的分类及主要特点粘土矿物按结构不同，可分为高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海泡石族和混合晶层粘土矿物。

1、高岭石表面呈电中性，层间结构紧密，性能较稳定，不易分散。

为非膨胀型粘土矿物。

水化能力差，造浆性能不好，一般不作配浆土使用。

2、蒙脱石层间结构，表面带负电，为膨胀型粘土矿物。

根据交换性阳离子的不同，可分为钠蒙脱石、钙蒙脱石、镁蒙脱石和铵蒙脱石（简称为钠土、钙土、镁土和铵土）等。

3、伊利石也称水云母，是最丰富的粘土矿物，存在于所有的沉积年代中，在古生代沉积物中占优势。

表面带负电，非膨胀型粘土矿物。

水化作用仅限于粘土矿物表面。

4、绿泥石通常绿泥石无层间水，而某些降解的绿泥石中有某种层间水和晶格膨胀，在古生代沉积物中含量丰富。

5、海泡石族俗称抗盐粘土，包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石（又名山软木）。

纤维状结构，具有较大的内表面，水分子可以进入内部孔道，在淡水和盐水中均易水化膨胀，热稳定性好。

6、混合晶层粘土矿物混合晶层粘土矿物比单一粘土矿物更易分散、易膨胀，特别是其中有一种成分有膨胀性时，更是如此。

二、粘土矿物的主要性质1、粘土的吸附作用吸附作用是粘土的主要性质之一。

什么是吸附作用呢？吸附作用是指一种物质吸附于另一种物质的过程。

被吸附的物质为吸附质，可以吸附其它物质的物质称为吸附剂。

如粘土吸附了聚丙烯酰胺分子，则聚丙烯酰胺分子为吸附质，粘土为吸附剂。

吸附现象在钻井液中是无时无刻不存在的。

（1）物理吸附其吸附作用是由于分子间范德华引力产生的，吸附以后吸附剂不生变化，这种作用称为物理吸附。

物理吸附与物质的分散度有关，分散度超高，吸附现象就越明显、越激烈。

（2）化学吸附――离子交换吸附粘土颗粒表面吸附的离子与周围介质中的离子之间所发生的当量交换作用，使粘土的性质发生了改变，这种吸附作用就叫化学吸附，也称为离子交换吸附。

这种交换吸附反应是是可逆的。

水滑石及其插层复合材料的制备与讨论现状水滑石是一种阴离子型层状材料，与其衍生物类水滑石、柱撑水滑石统称为层状双羟基复合金属氧化物（LayeredDoubleHydroxides,LDHs）。

由于LDHs独特的层状结构及层间的阴离子可被各种功能阴离子基团交换、取代，使层状结构和构成发生相应的变化，从而可得到具有光、电、声、磁、催化、吸附、药物缓释、离子交换等特别性质的功能材料。

因此，已成为插层有机—无机复合化合物讨论领域的热点之一。

水滑石之所以能在催化领域被广泛应用，是因其特别的结构给与其很多特性：1.特别的层状结构。

晶体场严重不对称，阳离子在层板上的晶格中，阴离子不在晶格中，而在晶特别的层间。

2.碱性。

HTLcs的碱性与层板上阳离子M的性质、M—O键的性质都有关系。

3.酸性。

HTLcs的酸性不仅与层板上金属离子的酸性有关，而且还与层间阴离子有关。

4.稳定性。

HTLcs经焙烧所得的复合金属氧化物仍是一类紧要的催化剂和载体。

以水滑石为例，其热分解过程包括脱结晶水、层板羟基缩水并脱除CO2和新相生成等步骤。

在低于220℃时，仅失去结晶水，而其层状结构没有被破坏；当加热到250～450℃时，层板羟基缩水并脱除CO2；在450～550℃区间，可形成比较稳定的双金属氧化物，构成是Mg3AlO4（OH），简写为LDO。

LDO在肯定的湿度（或水）和CO2（或碳酸盐）条件下，可以恢复形成LDH，即所谓的“记忆功能”。

LDO一般具有较高的比表面积（约200～300m2/g）、三种强度不同的碱性中心和不同的酸性中心，其结构中碱中心充分暴露，使其具有比LDH更强的碱性。

当加热温度超过600℃时，尖晶石MgAl2O4和MgO形成，金属氧化物的混合物开始烧结，从而使表面积大大降低，孔体积减小，碱性减弱。

目前，水滑石特别是作为阻燃剂的讨论开发，受到极大的关注。

由于传统的含卤阻燃剂的电缆护套，在猛烈受热或燃烧时会析出达到人的致命量的卤化氢气体。

使用WAXD 研究橡胶/黏土纳米复合材料插层结构时应注意的一个问题卢咏来最近研究橡胶/黏土纳米复合材料微观结构在硫化过程中的演变时，我们发现了一个使用WAXD 研究纳米复合材料插层结构时一个必须要重视的问题。

否则可能会使我们得出的结论与事实有很大偏差。

因此，撰写了这篇小文章，提醒我中心目前还在进行相关研究的同学注意。

当我们使用WAXD 研究这类纳米复合材料的插层结构时，一般以是否在2θ小于7度的范围内是否有衍射峰来判断是否有插层结构存在。

但有时我们也会观察到有衍射峰，但峰强较小。

这时一般可以判断，这种插层结构的量较少，可能还存在较多量的剥离结构，或者说这中插层结构的有序程度可能较低。

但是，我们在最近研究中发现，在较小的衍射角度范围内的衍射峰强度强烈地受到样品摆放几何位置的影响。

将同一个样品装入用于WAXD 测试的金属框架后，用橡皮泥固定，尽量保证样品表面与框架表面在同一平面上。

进行WAXD 测试。

测试结束后，从框架中取下样品，重新安装，再进行测试。

试验重复了三次。

图1比较了这三次测试的结果。

从中我们可以看出：（1）衍射峰的位置基本没有改变；但是（2）衍射峰的强度差别很大。

根据T20和T20-3的衍射曲线进行分析，将会得到完全不同的结论12345678910T 20-3T 20-2T 201.79nm 2.78nm 5.38nm1.83nm2.78nm5.25nm 1.80nm 2.68nmI n t e n s i t y (a .u .)2θ (degree)5.31nm图1. EPDM/OMC(100/10)的WAXD 谱图，重复三次试验的对比。

（对称反射模式、扫描速度为1度/分钟）我们就这一现象与我校分析中心X 光衍射试验室的李志林教授进行了探讨。

据他介绍：我校进行WAXD 测试时使用的是对称反射模式，而在小角区X 射线衍射峰的强度受到样品摆放的几何位置影响而发生剧烈波动，是这种测试模式的一个特有弊病。

黏土纳米复合材料的制备及其性质研究随着科技发展和人们对材料性能需求的不断提高，纳米复合材料已成为当前材料研究的热点之一。

其中，黏土纳米复合材料因其良好的机械性能、隔热性能、与化学反应性能的改善而备受研究者们的关注。

本文将从黏土纳米复合材料的制备方法、性质特征及其应用进行深入探讨。

一、黏土纳米复合材料的制备方法黏土纳米复合材料作为一种高效的增强材料，其制备方法千姿百态。

其中，几种主要的制备方法如下：1、离子交换法利用离子交换树脂和黏土表面吸附的阳离子进行交换，实现黏土矿物表面修饰。

经离子交换后的黏土应用于母体中，可产生更好的分散效果，增加黏土与基体之间的界面黏结强度。

2、浸渍沉淀法通过浸泡黏土矿物到金属氧化物或金属溶液中，利用阳离子在表面的吸附特性将金属离子吸附到黏土表面，进而在基体中形成复合材料。

3、机械剪切法将黏土和基体混合，经过多次机械剪切、挤出以及滚塑工艺后形成复合材料。

该方法可控制黏土的分散性以及纳米粒子的分布，从而影响其力学性能。

4、交联反应法以黏土为模板制备氧化硅或金属离子等材料，进而与黏土形成交联结构，从而形成黏土复合材料。

该方法因其能够控制纳米结构的形成，同时保留黏土原有的结晶性能而被广泛应用。

二、黏土纳米复合材料的性质特征黏土纳米复合材料中的黏土纳米粒子具有极高的比表面积，有助于纳米粒子与基体间相互作用。

其机械、热力学、隔热性能和吸附等特性则随着纳米粒子的引入而有所改善。

1、机械性能黏土纳米复合材料因其纳米尺度的小尺寸效应，在机械性能方面表现出了更好的表现。

其强度和刚度等特性存在着增强效应，在低应变下，具有比单纯基体更高的弹性模量。

2、热力学特性黏土纳米复合材料中纳米颗粒的引入以防止热量的传导，使得其在隔热性能上表现出更好的性能。

同时，在高温下，黏土纳米复合材料的稳定性也得到了提高，因此被广泛应用于高温隔热材料等领域。

3、吸附特性黏土纳米复合材料因其在表面化学特性上的巨大变化，其吸附性和选择性也得到了改善。

插层法制备聚合物基纳米复合材料董歌材研1203班 2012200337 纳米材料技术是80年代末刚刚兴起的一种新技术，其基本内涵是在0.1-100nm空间尺度内操纵原子或分子或对材料进行加工，从而制备具有特定功能的产品。

1990年7月第一届国际纳米科学技术(NST，Nano Seience and Teehnology)会议在美国巴尔基摩召开，从而正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世[1]。

1992年1月第一本纳米材料科技期刊Nanostructural Materials出版。

1994年10月第二届国际NST会议在德国召开，从此纳米材料科学成为材料科学、凝聚态物理化学等领域研究的热点。

纳米科学技术所研究的尺寸空间介于宏观和微观之间，它的诞生使人们对材料的认识延伸到过去未被重视的纳米尺度，标志着材料科学进入一个新的层次。

通过在这一尺度上对材料进行操作，可以使材料性能产生质的飞跃，因此纳米材料技术为材料的发展提供了一个崭新的空间，也为新技术革命增加了一项重要内容[2]。

1纳米粒子的特点及其制备1.1纳米材料的特点一般称尺寸在1-100nm范围内的颗粒为纳米粒子，它是一种介于固体和分子之间的亚稳态物质。

当颗粒尺寸进入纳米量级时，其本身及由它所构成的纳米材料由于所谓的纳米效应，表现出许多与常规尺寸的材料完全不同的特殊性质。

纳米效应主要表现在以下几个方面：(1)表面和界面效应：纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面的原子占相当大的比例，而且随着粒径减小，比表面积急剧增大，位于表面的原子所占的比例也迅速增加，比如，当粒子半径为5nm时，比表面积为180m2/g，表面原子所占比例为50%，当粒径减小到2nm时，比表面积增至225m2/g，表面原子所占比例达到80%。

由于表面原子邻近缺少与之配位的原子，处于不稳定状态，很容易与其它原子结合，因此纳米粒子有很强的表面活性。

表面原子的不稳定性使纳米粒子表现出很多特殊的性质，像纳米陶瓷粉的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多，比如常规氧化铝的烧结温度为1700-1800℃，而纳米氧化铝可在1200-1400℃的温度下烧结，致密度高达99%，形成的陶瓷在低温下表现出良好的延展性；大块的纯金熔点为1063℃，当制成2nm的微粒后熔点仅为300℃；催化剂制成纳米微粒会大大提高催化效果，比如有机化学的加氢或脱氢反应，用粒径为30nm的镍作催化剂时反应速度比用常规尺度的镍催化时的速度高15倍。