本科毕业论文（设计）学 院 化学化工学院 专 业 化学类 年 级 2005级化学教育二班 姓 名 廉洛仓 论文（设计）题目 有机蒙脱土的制备与研究 指导教师 朱建君 职称 讲师2009年5月10日学号：目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (2)1.前言 (2)1.1纳米复合材料的广泛应用 (2)1.2蒙脱土 (2)1.3实验内容和涉及的主要理论 (3)2.实验部分 (3)2.1试剂和仪器 (3)2.2蒙脱土交换性阳离子（CEC）的测定 (4)2.3有机蒙脱土的制备 (4)2.4蒙脱土的溶胀实验 (4)2.5产品表征 (4)3.结果讨论 (5)3.1蒙脱土交换性阳离子（CEC）的测定 (5)3.2有机蒙脱土制备实验数据讨论 (5)3.3溶胀实验结果讨论 (10)3.4结论 (11)参考文献 (11)有机蒙脱土的制备与研究学生姓名：廉洛仓学号：20050504071化学化工学院化学专业指导教师：朱建君职称：讲师摘要：为增加聚合物与蒙脱土的相容性，本文重点研究了有机蒙脱土的制备，并利用X射线衍射（XRD）对蒙脱土的层状结构在有机化前后的变化进行研究。
本文首先对蒙脱土的阳离子交换量（CEC）进行测定，随后研究了以十六烷基三甲基氯化铵为改性剂时的交换时间、交换温度及物料配比对阳离子交换反应的影响，从而确定了最佳制备条件。
实验结果表明，蒙脱土有机改性的最佳交换时间为4h，最适宜交换温度为80℃，最佳物料配比为1：1；最后，以天然蒙脱土为原料，用各种季铵盐作为有机插层剂进行阳离子交换制备出各种有机蒙脱土。
用XRD对产品进行表征，结果表明，有机蒙脱土的层间距随着有机改性剂烷基链长的增加而增加，以十八烷基三甲基氯化铵作插层剂时所制得的有机蒙脱土的层间距最大。
关键词：蒙脱土；有机改性剂；层间距Abstract：In order to improve the compatibility between polymer and montmorillonite(MMT), a serials of organic montmorillonites have been prepared from natural calcium montmorillonite (MMT) by using cation exchange in water, and the changes of the basal spacing of MMT by using X-ray diffraction (XRD) were studied. Firstly, in this paper, CEC of MMT was measured, and then the optimizing modifying reaction conditions, such as reaction time, temperature and mass ratio of the reactants were studied in the following section. The results showed that when the reaction time was 4h, temperature was 80℃ and the molar ratio of reactants was 1:1, the organo-MMT had the larger basal spacing of layers. Finally, the relationship of the basal spacing of organo-MMT with the length of alkyl chain of organic ammonium modifier were characterized by X-ray diffraction (XRD), the results showed that the basal spacing of organo-MMT increased with increasing the length of alkyl chain of organic ammonium modifier, and the interlayer spacing of organoclay modified byoctadecyl trimethyl ammonium chloride is the largest.Keywords：Montmorillonite; organic modifier; the basal spacing of layers1.前言1.1纳米复合材料的广泛应用近年来，随着纳米材料的出现，纳米复合材料因其卓越的综合性能引起人们的广泛关注[1-5]。
聚合物/粘土纳米复合材料作为一种优良的新型纳米材料以其一些特殊的性能而与我们的生活越来越密切，已经广泛应用于建筑、食品、医药、工业催化、油墨等众多领域，正在迅速地改变着我们的生活[6]。
而利用蒙脱土所具有的良好的离子交换性能和吸附性能通过嵌插手段设计合成的具有有机和无机双重性能的新型纳米复合材料也受到人们广泛的关注[7-10]。
用层状硅酸盐制备聚合物黏土纳米复合材料已经成为高分子研究领域的一大研究热点[2]。
1.2蒙脱土蒙脱土是一种含水的层状构造硅酸盐矿物。
其单晶胞是由两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片结构的三明治状结构，两者之间靠共用氧原子连接在一起[11]。
结构如图1所示：图1 蒙脱土的结构图蒙脱土层间距仅1nm左右，且层间化学环境是亲水憎油性，不利于单体或大分子插入[12]。
如果不预先对粘土做改性处理而直接把粘土和聚合物混合，则并不能得到聚合物/粘土纳米复合材料，而只能得传统的填充化合物[13]。
因此，需要对蒙脱土进行有机化处理，得到亲油性的有机蒙脱土[14]。
蒙脱土的有机改性是指利用有机物分子中的官能团在其表面的吸附或化学方法对其表面进行化学处理，使颗粒表面有机化而实现表面改性的方法[15]。
蒙脱土经有机化处理得到的有机化合物往往是以共价键形式结合的。
这种结合力有利于提高有机蒙脱土的稳定性，增强蒙脱土的疏水性[16]。
从而使其与有机大分子或有机聚合物作用而制备有机/无机纳米复合材料成为可能或制备更容易。
因为蒙脱土为亲水性矿物颗粒，因此在对其进行有机改性时宜选用水作为反应介质[17]。
蒙脱土的有机化采用先将有机插层剂和层状无机物分别容解到某一溶剂中充分溶解（分散）后混合、搅拌，使单体进入无机物层间。
1.3实验内容和涉及的主要理论本实验着重探究各种条件（温度、插层剂用量、交换时间）对制得的有机蒙脱土层间距的影响，从而确定最佳的交换时间、最适宜的温度和最合适的物料配比。
在制备有机蒙脱土前，需要先测定蒙脱土的阳离子交换量（CEC）。
蒙脱土的氧离子交换量是指在PH值在7的条件下所吸附的K+、Ca+、Na+、Mg2+等阳离子的总量，其单位是mmol/100g。
土蒙脱土的CEC值愈大表示其带负电量愈大，其水化、膨胀和分散能力愈强。
反之，水化、膨胀和分散能力愈差[18]。
本实验所用的测定CEC方法是甲醛—乙醇交换处理法。
然后用十六烷基三甲基氯化铵作有机插层剂来研究实验的各种条件（反应温度、时间、物料配比）对实验条件进行优化。
最后，选用十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基氯化铵和十二烷基三甲基氯化铵作插层剂进行实验制备各种有机蒙脱土。
用X-射线衍射（XRD）对产品进行表征。
XRD是证明有机阳离子是否插层进入蒙脱土层间的有力工具。
衍射角2θ<10°的峰是d001面的衍射峰。
体现的是层间距的大小。
从峰的位置和强弱可以表征出层间距和插层效果.根据方程2dsinθ=nλ可算出硅酸盐片层之间的距离[19]。
对于某种特定的有机蒙脱土，层间距越大说明交换的越充分，得到的有机蒙脱土亲油性越好[20]。
所以通过X—射线衍射图就可以分析出各种条件及各种插层剂进行实验时插层效果的好坏。
从而确定蒙脱土有机改性的最优条件和应选用何种插层剂。
2.实验部分2.1试剂和仪器试剂：邻苯二甲酸氢钾（分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司）；十六烷基三甲基氯化铵（分析纯，天津市科密欧试剂开发中心）；十二烷基三甲基氯化铵（分析纯，天津市科密欧试剂开发中心）；十四烷基三甲基氯化铵（分析纯，天津市科密欧试剂开发中心）；十八烷基三甲基氯化铵（分析纯，东京化成工业株式会社）；甲醛；乙醇（95%，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司）蒙脱土（工业级，信阳产）；氯化铵；氢氧化钠；氯化钙。
仪器：DT—100精密光电分析天平，北京中兴伟业仪器有限公司；电动搅拌器，江苏金坛市中大仪器厂；水浴槽；78-1型磁力搅拌器，江苏金坛市中大仪器厂；80-3大容量离心机，江苏金坛市中大仪器厂；电热鼓风干燥箱，北京中兴伟业仪器有限公司。
2.2蒙脱土交换性阳离子（CEC）的测定先配制0.1 mol/L的NaOH溶液、50%的乙醇、0.5mol/L的NH4Cl溶液，并将NaOH溶液用邻苯二甲酸氢钾标准溶液标定。
再配制CaCl2—甲醛混合溶液。
具体方法是：称取15g CaCl2固体加入15ml甲醛中。
用去离子水稀释至150ml，摇匀。
加入两滴酚酞后用NaOH溶液调节至溶液呈微红色。
称取质量为1g的蒙脱土然后加入20mlCaCl2—甲醛混合溶液静置4小时。
然后放在磁力搅拌器上搅拌45min后在离心机上离心。
弃去上层清液，先用95%的乙醇溶液各洗涤沉淀后再离心，弃去上层清液。
再用50%的乙醇溶液各洗涤沉淀后再离心，弃去上层清液。
然后将沉淀转入锥形瓶中，用去离子水洗涤容器壁上附着的沉淀并且并入锥形瓶中。
往锥形瓶中加两滴酚酞溶液。
用标定过的NaOH溶液滴定至溶液呈微红色。
为了减小误差做五份平行实验，记录数据。
2.3有机蒙脱土的制备称取一定量的蒙脱土加入盛有合适量的去离子水的三颈烧瓶中，充分搅拌，浸入设定温度的恒温水浴槽中恒温45分钟。
然后称取实验量的有机插层剂，用去离子水溶解后，加入三颈烧瓶中在设定进行插层反应。
待达到反应所要求的时间后将烧瓶中的溶液连同沉淀一起转入烧杯中，静置24小时。
抽滤，同时用去离子水洗涤沉淀直至无Cl-离子检出为止（用硝酸银溶液检验）。
然后将沉淀在80℃条件下鼓风干燥并研碎成粉末，即得有机蒙脱土，待测XRD。
2.4蒙脱土的溶胀实验用分析天平称取2份质量约为0.47g的蒙脱土原土和2份质量为0.47g以十六烷基三甲基氯化铵为插层剂所制得的有机蒙脱土。
在2个试管中盛10ml去离子水分别编号为1号、4号，另2个试管中盛10ml三氯甲烷分别编号为2号、3号。
