高岭土插层纳米材料具有更好的可塑性、白度、易分散性、吸附性，更可以赋予材料光学、电学及磁性能，扩大了高岭土的应用范围。
图1 高岭土的结构
1、高岭土的插层机理
高岭土层间域的两面分别为铝氧八面体的羟基层和硅氧四面体的氧原子层，其两面原子分布的不对称使高岭土层间域显极性，少数分子量小、分子极性较强的有机物，如乙酰胺、乙酸钾、甲酰胺和二甲基亚砜等容易进人高岭土层间发生插层反应。其他的有机分子则需要两次或多次插层进人高岭土层间，将高岭土层间撑开，以可直接进入层间的有机小分子作为前驱物进入层间，其他的有机物分子则通过对前驱物置换或者通过夹带方式进人高岭土层间，从而达到插层的目的。
插层剂主要分为两类，一是具有质子活性的有机分子，可以接受或给出质子与高岭土层间域表面羟基或氧形成氢键，如甲酰胺、乙酸钾等；另一种为只能接受质子的质子惰性分子，与合适的质子供体形成氢键，如二甲基亚砜等。
2、插层方法
（1）机械化学法
机械化学法插层是通过外力的机械研磨、搅拌、剪切、摩擦作用，使较大的叠层剥开，插层物借助机械力进入高岭土层间，将层间距撑大，甚至剥离。研磨法是目前常见的插层方法，技术也比较成熟，主要包括手动研磨和机械设备研磨，主要设备有球磨机、介质搅拌磨、砂磨机等。机械研磨法效率高，反应时间短。
将醋酸钾和偏高岭土进行机械研磨，醋酸钾与水分子以配位键结合，形成水合醋酸钾分子，在机械研磨作用下进入偏高岭土层间，将偏高岭土片层撑开，之后进行加热烘干，水分子的蒸发进一步扩大了层间距，从而达到增大层间距甚至剥离片层的作用。制得的插层复合材料中，醋酸根与偏高岭土的铝氧层通过水分子桥接方式连接，而钾离子水合物保持电中性。
（2）液相插层法
液相插层法是指液态、溶液或熔融状态下的插层剂进人高岭土层间发生插层反应的方法，以溶液的浓度梯度为插层动力。根据插层反应的步骤分为直接插层法、两步插层法和三步插层法。对于不能直接发生插层反应的分子，一般需要以高岭土/甲醇复合物为前驱体，通过多步替代或夹带置换预先插层的分子使有机物分子进人层间。甲酰胺/高岭土复合物、聚乙烯毗咯烷酮（PVP）/高岭土插层复合物都可通过多次插层法制得。
利用浸泡法制备高岭土醋酸钾插层复合物，实验表明：弱碱性条件下，高浓度、较高的高岭土结晶度有利于插层反应的进行，而温度则对反应的影响不大。
（3）微波法
一般认为微波对插层反应的促进作用主要分为两个方而，包括热作用和非热作用。微波加热具有受热均匀，加热速度快的特点，在加热过程中，微波中的电磁场以每秒数亿次甚至数十亿次的频率转换方向，极性有机物分子中的偶极矩的转向运动滞后于交变电场的变化，材料产生内部摩擦而发热，产生所谓的“内加热”。同时，有机物分子吸收微波，吸收微波的能量与分子平动能量发生自由交换，通过改变分子排列等焓或熵效应，使反应活化能降低，从而促使并加快极性有机物分子进入高岭土层间。
张先如等采用微波法诱导二甲基亚砜对高岭土进行插层，使插层反应时间大大降低，当微波诱导插层时间达到30min时，插层率即可达到75%以上。孙嘉仁等人利用微波诱导不同插层剂的插层过程，实验表明：微波对不同插层剂的作用效果不同。二甲基亚砜因其偶极距大而分子尺寸相对小，在微波作用下插层速率提高显著。而以乙酸钾为代表的盐类插层剂，由于K+等金属离子对水分子的吸引作用，降低了其偶极矩变化速率，同时较大的分子尺寸也不利于微波的诱导作用。
（4）超声波法
超声波是频率高于20kHz的声波，具有频率高、波长短、穿透能力强、传播方向性好等特点。利用超声波诱导有机物插层，超声波的机械特性促进高岭土和插层剂的均匀混合，同时其空化作用产生的高温可以为插层作用提供部分能量，对插层过程有明显的促进作用，可以提高插层率，缩短插层时间。
缪敏洁等利用超声诱导制备高岭土/DM-SO插层复合物，经超声处理后，高岭土比表面积增大，分散性和吸附性变好，层间距增大甚至剥离，使有机物分子更快的进入高岭土层间，提高粘土插层率。阎琳琳等用超声法将高岭土与醋酸钾、尿素和二甲基亚砜的插层复合物进行片处理，使高岭土颗粒在纳米化的同时保证完好的晶粒结构，其中高岭土/醋酸钾复合物的剥片效果最为明显。
3、插层的表征方法
（1）X-射线衍射分析
X-射线衍射（XRD）分析方法是研究粘土矿物构成、组分以及结构的重要方法。通过X射线图谱，晶体表而产生的衍射峰的位置和强弱可以判断粘土的晶体结构，以及高岭土的层间距。高岭土的层间距为0.716nm，当有机物分子进入高岭土层间后，层间域增大，XRD图谱中高岭土的特征峰强度变弱，在更小的衍射角度出现新的衍射峰。插层率用来表征插层反应进行的程度，用高岭土插层前后的d001值强度变化的比值来表示。
（2）红外谱学特征
红外光谱伸缩振动带的强度变化特征可以反映高岭土插层作用。高岭土的光谱上有5个振动带：v1（3695cm-1），v2（3670cm-1），v3（3650cm-1），v4（3685cm-1）和v5（3620cm-1）。其中v5带为内羟基的伸缩振动，强度最大，其余为内表面羟基。插层作用使高岭土层间氢键被破坏，对内表面羟基的影响大，使v1、v2、v3、v4的强度减弱，峰的分布面积减少甚至消失，并产生新的谱线。谱线特征变化越大，插层效果越好，可用来表征插层程度。另外，插层剂进入高岭土层间，其中含有的C-H、N-H、C=O等官能团的情况也可以从红外光谱图中体现出来，便于插层反应的定性分析。
4、小结
目前，对于高岭土插层的工艺日趋完善，效率日益提高，更多的插层剂应用于高岭土的插层改性研究中，也提高了高岭土的物化性能和产业价值。高岭土有机插层复合物既具有粘土矿物分散性、流变性、吸附性，又具有有机分子官能团和反应活性，将有更广泛的应用领域。目前，改性高岭土已应用于高性能有机纳米陶瓷、环境污染修复材料、高性能增强聚合物基纳米复合材料、非线光学材料、纳米反应器等领域。
（摘自：高岭土插层改性的现状与研究进展，作者张汀兰）
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