[科普中国]-改性黏土

释义黏土改性法膨润土及硅藻土改性法改性的目的及机理改性黏土的应用释义

黏土是一种不可再生的非金属矿物，包括高岭石族，蒙脱石族，伊利石族等，种类繁多。粘土的结构特点为：由Si—O结构层状骨骼，按夹在它们之间的离子种类形成各种层状结构，并沿C轴重叠，具有巨大的残缺表面，层间结合力弱，并存在着层内结构不饱和填充与扭曲等。粘土的这些结构层次之间存在着密切的联系和相互转化的可能，尤为重要的是粘土表面存在大量 一OH断键，为粘土表面改性提供了条件。通过物理和化学方法对黏土的物理和化学性质进行改良，使其拥有特定的改良特性。1

黏土改性法粘土按改性方法原理可分为物理改性、化学改性及物理和化学相结合的机械力化学改性。

物理改性：有机膨润土经过超声辐射后产生层问剥离，橡胶能够插层进入粘土层问，形成纳米分散结构的复合材料并具有较好的界面作用，从而提高材料的性能。

表面化学改性：

（1）活化剂改性粘土：利用表面活性的有机官能团等与粘土表面进行化学吸附或反应，从而使表面活性剂(通常有硅烷，钛酸酯类偶联剂，硬酯酸，有机硅等)覆盖于粒子表面以增加其润湿性。

（2）有机季铵盐改性粘土：有机季铵盐改性是改性粘土一种主要的方法。长碳链烷基季铵盐如十八或十六烷基三甲基氯化铵或溴化铵是使用最多的改性剂，也可不直接用长碳链季铵盐，而采用长碳链脂肪胺，脂肪胺先与盐酸作用产生盐酸盐并离解成胺的阳离子，再与粘土层问的水合阳离子进行交换。经上述两步反应后有机胺阳离子进入粘土晶层空间，使片层表面得到改性，晶层间距增加，片层表面被有机离子上的烷基长碳链覆盖，从而使其表面由亲水性变为亲油性，增加了粘土与高分子的亲和性，同时较长的烷基分子链在片层问以一定方式排列，可使层问距增加，有利于聚合物大分子插层到片层。

（3）聚合物单体改性粘土：将聚合物单体作为改性剂直接插层到蒙脱土片层间，再通过原位加成聚合得到纳米复合材料。

（4）其它有机改性剂：用椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)改性的蒙脱土分散在环氧树脂/甲基四氢化邻苯二甲酸酐体系中形成环氧树脂的纳米共混体系。还有采用苯酚和甲醛在草酸的催化下对蒙脱土进行了改性，改性土的层间距显著扩大，在环氧树脂中能良好分散形成剥离型的纳米复合材料，以及采用有机磷盐如四甲基溴化磷、三甲基苯基碘化磷改性蒙脱土。

机械力化学改性：机械力化学改性是在粉磨过程中

加入合适的表面改性剂，利用机械应力对粒子表面进行激活，以改变其表面晶体结构和物理化学结构。由于晶格发生位移，内能增大，在外力作用下，填料表面与其他物质发生作用，达到表面改性的目的。

膨润土及硅藻土改性法膨润土改性法：酸处理/热处理、阳离子改性、钠化改性。2

硅藻土改性法：酸处理/热处理、阳离子改性、无机/有机混合改性。

（1）酸处理/热处理。将膨润土、硅藻土磨碎至60目，按一定的固液比加入体积分数Ψ=5%的盐酸，在水上加热（60℃）1.5h，再于室温下放置过夜，用布氏漏斗抽滤，用水洗至中性。

酸处理后的膨润土、硅藻土要进行干燥和焙烧，干燥处理是在105℃下烘1～1.5h，其作用是除去吸附水。干燥后再置于400℃马弗炉焙烧2h。

（2）阳离子改性膨润土、硅藻土的制备。室温下以固液比1：10置膨润土、硅藻土原土于一定浓度(0.21mol/L，以镁盐计)的铝盐/镁盐(摩尔比4：1)混合液中搅拌2h，静止4h后抽滤，并用蒸馏水洗涤数次，80℃下烘干1h，研细后过80目筛，即分别为阳离子硅藻土和阳离子膨润土。

（3）无机/有机混合改性。用铝盐/镁盐混合液进行阳离子改性，取代黏土表面及层间阳离子，再用脂肪铵阳离子覆盖。具体方法为：水250mL，95%乙醇250mL，十六胺0．002mol，膨润土10g及盐酸0.002mol，在75℃左右反应16h完成改性。过滤、干燥(80℃，1h)后即可得无机/有机混合改性吸附剂。

（4）膨润土的钠化改性。方法为：碳酸钠用量为4%，矿浆浓度为15%，搅拌时间15min。

改性的目的及机理3粘土层间存有大量的无机阳离子，表现为亲水性，不利于其在有机相中分散。利用晶层间金属离子的可交换性，以有机阳离子交换金属离子，有机阳离子吸附在粘土层片上，有机部分嵌在层间，从而使层间距增大，使层间由亲水转变为疏水，有助于提高复合材料降低粘土表面能，以利于粘土晶层均匀地分散于聚合物中。当层状粘土以纳米级尺寸均匀分散于聚合物复合体系中时，结合聚合物长链结构及良好的加工性，此类材料的性能较其相应的宏观或微米级材料有大幅度的提高，包括抗张强度，弹性模量，热变形温度性能等表现出全新的性质，如优越的透明性或性质的各向异性等。因此开发利用粘土作为的补强剂，有着广阔的前景。

改性黏土的应用改性粘土在环境污染治理4中的应用可分为吸附水中的重金属离子, 空气污染的治理, 处理水中的离子型化合物，治理赤潮，处理水中的有机污染物等。在其他领域中也有巨大作用，改性黏土可作用于建筑材料，橡胶工业，药物开发，石棉替代品，节能方面的应用。