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海泡石改性方法概述
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-05-20 11:03:58    浏览次数:
 
      (中国粉体技术网/文龙)海泡石是一种纤维状镁硅酸盐粘土矿物,结构通式为Si12Mg8O30(OH)4,在其结构单元中,硅氧四面体与镁氧八面体相互交替,具有层状和链状的过渡特征。正是由于这种独特的结构,使得海泡石的比表面积高,孔隙率大,具有良好的吸附性、流变性和催化性,应用前景十分广阔。
      但是,天然海泡石矿品位低、杂质含量较高、表面酸性弱、通道小及热稳定性差,这些弱点一定程度上限制了海泡石的应用。因此,必须预先经过提纯、超细加工、改性等一系列处理,获得其优良的性能。就目前研究阶段,主要应用的改性手段有酸处理、离子交换、表面有机改性及活化处理等。
1.海泡石的改性
1.1 酸处理改性
       海泡石结构中的Mg2+是弱碱,遇弱酸生成沉淀而沉积于海泡石的微孔结构中,故目前处理所用的酸均为强酸(如HCl、H2SO4、HNO3等)。酸处理海泡石均为H+取代八面体中的Mg2+,并与Si-O骨架形成Si-OH基。首先,H+与通道边缘的Mg2+反应,并逐渐向中间位置深入而形成不同脱镁水平的改性海泡石。同时,四面体骨架相对保持稳定。经酸处理的海泡石与天然海泡石相比,内部通道连通,比表面积增大,半径小于1nm的孔洞数量减少,半径为1-1.5nm的孔洞百分率增加,使之对特定反应具有适宜的孔径和较高的比表面积。除此之外,表面酸中心热稳定性增强,酸中心数量增加,可用来制备高比表面积的催化剂或催化剂载体等。
       酸处理改性的程度主要受到酸的浓度、改性时间等影响,改性的程度可用海泡石的脱镁率来表示。酸的浓度越高,对海泡石的脱镁能力越强,但脱镁速度随酸浓度的增加逐渐减小。随着改性时间的增加,脱镁率随之增加。当改性处理一定时间后,脱镁率增加的不明显。可能是H+逐步向孔道深处扩散的同时,H+浓度逐渐降低,海泡石镁含量逐步减少。因此要通过实验来确定最佳的酸浓度、改性时间。
1.2 离子交换改性
       离子交换改性是用金属离子取代海泡石骨架中的镁离子,可使海泡石产生中等强度的酸性或碱性,但不改变其结构。高价金属离子的引入能诱发强的表面酸性,对引进不同价态的阳离子来说,价态高的离子能诱发更强的酸中心。对于同族的高价金属阳离子,离子半径越小、电荷密度越高,交换后海泡石的酸性也越强。与此相反,低价金属离子的引入则能产生强碱中心。低价金属的电负性越小,即给电子能力越强,八面体中O原子的电荷密度也就越高,相应的碱金属-海泡石的碱性也就越强。同价金属阳离子取代Mg2+时,海泡石的结构及表面酸性无显著变化。
       不同地区海泡石矿的结构相近,但组成各异,海泡石中铝的含量将很大程度上影响其离子交换性能。海泡石的离子交换能力在废水处理、催化剂的制备方面有着重要的应用。如低价碱金属离子对海泡石处理可制得强碱性的海泡石催化剂。
1.3 表面有机改性
        为了改善海泡石的分散性能,强化海泡石-高分子材料界面粘结,通常采用偶联剂或表面处理剂对海泡石表面进行有机改性。改性的原理主要是利用海泡石表面的酸活性中心和活性Si-OH基团。表面处理剂有有机硅烷或有机硅偶联剂、有机钛酸酯偶联剂、有机酸和有机醛、吡啶及其衍生物、阳离子表面活性剂等。
       不同表面改性剂,其原理有所不同。有机硅烷水解后产生的硅醇可与海泡石表面的-OH基发生醚化反应,从而使有机硅烷被接枝到海泡石表面。有机酸可与海泡石表面的Si-OH基发生酯化反应,从而可在表面引入不同碳链长度的烃基。有机醛可与海泡石表面Si-OH基发生缩合反应,也可在海泡石表面引入不同的碳氢链,从而改善表面的疏水性能。用带有活性基团的吡啶衍生物处理海泡石,可使吡啶环上的氮原子与海泡石表面的酸活性中心配位,又可使海泡石表面吸附上含活性基团的有机分子,活性基团与高分子进一步反应,可大大提高海泡石的补强性能。用阳离子表面活性剂处理海泡石,海泡石较强的吸附能力使其被定向吸附在海泡石表面,大大改善了海泡石的疏水性能和在树脂中的分散性能。
       目前已应用于海泡石改性的有机改性剂有硫丙基三甲氧基硅烷、三异硬脂酰基钛酸异丙酯、月桂酸、丙烯醛、癸醛、4乙烯基吡啶等。在橡胶工业中,常采用有机硅烷偶联剂对海泡石进行预处理,提高表面的缩水性能,降低表面能,改进海泡石在胶料中的润湿和分散性能,提高抗张强度,增加硫化胶的模量。
1.4 活化处理改性
       目前研究得较多的是将海泡石预先经过活化处理,考察其吸附性能、催化性能等。活化处理,即通过加热或酸处理,在一定温度范围内(100-300℃)焙烧,除去其中孔道中的水分子,从而形成内表面积很大的空穴,可吸附并存储大分子,同时加大了晶体内部通道的横截面,使被吸附分子更容易进入,提高其吸附和离子交换能力。
2. 结语
       目前,海泡石改性方法研究较多,但在实际应用中,往往是以上几种改性方法的联合使用,如活化处理中包含了酸处理,酸处理也可称为酸活化。将海泡石作为离子交换材料,必须经过复合处理。未经酸处理的海泡石基本上无离子交换能力(对金属离子仅起物理吸附作用)。而经过酸处理的海泡石,其离子交换能力大大增强。因此,在实际生产应用中,要注重联合运用多种改性方法,以达到最佳改性效果,获得最好的使用性能。

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海泡石改性方法概述2015-05-20
 
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