有机改性蒙脱石研究进展

刘慧 李元元

摘 要：蒙脱石是一种层状硅铝酸盐矿物，是天然的纳米结构材料。目前蒙脱石广泛应用于高分子复合材料方面。其在多个方面性能优良，如阳离子交换性、强大的吸附能力、分散性能等，正是因为其性能优良，在多个领域使用广泛。但是其也有性能的弱点，那就是其表面极性大，很难与聚合物融合，我们需要进行性能的改良，实现其聚能局限的优化。因此本文论述的重点是有机改性蒙脱石的方法以及改性后的蒙脱石的吸附性能。

关键词：蒙脱石 改性方法 阳离子交换性 吸附性能

中图分类号：TQ 323.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0079-02

1 蒙脱石结构

蒙脱石的主要成分是2︰1型的三层结构层状硅铝酸盐，其晶胞构成是两个硅氧四面体和一个铝氧八面体，平均每层的厚度都在1nm，不同层之间吸附有容易被其他阳离子置换的Ca2+、Mg2+、Na+等离子。这种紧密堆积的四面体和八面体，其内部晶格间分布着有序的排列结构，其中四面体和八面体是通过共用氧原子连接的，晶胞则是平行重叠排列。对应的晶胞内Si4+、Al3+容易被其他低价阳离子置换，因此蒙脱石结构的片层带有负电荷，而剩下的负电荷依靠吸附游离于层间的Na+、Ca2+和K+等阳离子确保晶胞电荷的平衡。

2 蒙脱石的性能改良

蒙脱石具有较好的离子交换性、吸附能力强，并且具有经济实惠、储存量大、无污染等特点，其性能的优势使得其在化工、石油、交通、食品及医疗中应用广泛，也被形象地称为“万能材料”。为满足各行各业的实际应用需求，特别是重金属废水处理，需要提高蒙脱石的质量及其使用效率，因此要对蒙脱石进行改性处理。当前蒙脱石的改良方法有多种，最常见的是无机改良、有机改良和复合改良3种，而最为有效的是有机改良。

2.1 无机改性

无机改性是利用无机物改性剂中的阳离子置换蒙脱石层间原有的金属阳离子，改变层间结构，从而提高蒙脱石吸附性、表面酸性的浓度和强度等。常用的无机改性有酸改性、无机盐改性和钠化改性3种。其中酸改性主要是用酸试剂对蒙脱石进行洗涤或者对含有酸的蒙脱石液加热，使蒙脱石层间的Na+、Ca2+和K+等阳离子置换为相应酸的可溶性盐类，提高蒙脱石的吸附和催化性；酸改性的蒙脱石，可以作为脱色剂、吸附剂等。无机盐改性是蒙脱石层间阳离子与无机金属盐阳离子进行离子交换，从而达到改性效果。用于蒙脱石改性的盐类主要有铝盐、锌盐、镁盐、铜盐等；天然蒙脱石以钙基蒙脱石为主，还有少量的钠基蒙脱石、铝基蒙脱石等。但是，以钠基蒙脱石的产品性能最佳。钠基蒙脱石有较高的阳离子交换性、膨胀性、胶质性以及较高的热干压强度和湿压强度。

2.2 有机改性

对蒙脱石进行有机改良可以将蒙脱石层间的水化无机金属阳离子交换出来，增加层间距。有机季铵盐改性使层间增大且降低其表面的亲水性，提高亲油性，加强蒙脱石与聚合物的结合力；聚合物单体改性是利用聚合物单体作为改性剂插层到蒙脱石层间，再通过聚合反应得到其纳米复合材料；偶联剂改性是利用蒙脱石表面与活性官能团进行吸附，并对蒙脱石进行表面修饰，从而可以提高其润湿性和相容性。

2.3 无机/有机复合改性

无机/有机复合改性是把无机与有机两种改性方法合理地结合起来运用，先进行蒙脱石的无机改良，再进行有机改良，最终得到有机复合型蒙脱石。这种方法被广泛运用于污水、废水处理方面。

3 有机改性蒙脱石

李莉等以钠蒙脱石和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）有机改性蒙脱石为吸附剂对水溶液中的邻苯二甲酸二丁酯（DBP）进行了静态吸附对比，观察吸附时间、溶液初始pH等因素对吸附效果的影响，研究了DBP在蒙脱石有机改性前后的两种吸附剂上的吸附机制。杨性坤等以河南信阳膨润土为原料，经提纯钠化后用十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）作有机插层剂与蒙脱土层间的阳离子进行交换，制备出层间距不同的有机蒙脱土，用XRD、TG、DSC对产品进行表征，探讨了有机改性的工艺条件及所得有机蒙脱土的吸附性能。研究发现，当CTMAB与蒙脱土量之比为100mmol/100g时，特别是又处于75℃的温度中，持续2～3h，此时蒙脱土的层间距最大，具备较强的吸附能力，因此可以有效去除水溶液中苯酚类的有毒物质。

齐杉等为了提升富锌防腐涂料各方面的效能，选择硅丙乳液、硅溶胶、氢氧化钾作为主体材料，在主体材料中分别加入经过HOOC（CH2）17NH3+和CH3（CH2）17NH3+有機改良的蒙脱石作为抗沉剂，创新研发出具备改良性能的硅酸钾富锌防腐涂料，实现其各方面性能的优化补充。

而学者Nevin Oztekin则重点研究了阳离子聚合物乙烯亚胺与膨润土的吸附作用，在大量的研究之后，其认为两者之间的吸附产生原理是两者之间存在静电影响作用，膨润土在聚乙烯亚胺阳离子的静电刺激下，其原有的悬浮流变性能改变，而其又将对聚合物的吸附能力实现了最大程度的发挥，其流变性能随着膨润土中交换性阳离子的变化而变化。

学者Sanchez-Martin则用长链表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵改良蒙脱石，高岭石及海泡石等矿物质，将改良后所获得的矿物用于农药污染水体的治理，对比天然的粘土矿物，经过改良的粘土矿物对有机农药具有更强的吸附能力，研究发现，改良后的蒙脱石对戊菌唑和甲霜灵的吸附能力是天然蒙脱石的100倍以上。

根据大量的实验表明，改性蒙脱石通过离子交换，将蒙脱石层间的金属离子置换出来，扩大蒙脱石层间距离，增加高分子化合物的相容性和吸附性，使其吸附性能得到很大提高。

4 结语

众多无机纳米粒子中，蒙脱土由于其在我国储藏丰富，性能全面而优良，其经济实惠，因此备受青睐。特别是工业生产中，具有很强的应用价值。从最开始的阳离子表面活性剂对粘土进行表面有机化处理，到聚合物的添加剂、有毒物质的吸附剂、催化剂等。尤其是聚合物/蒙脱石纳米复合材料，实现了蒙脱石利用价值的最大限度发挥。它大幅度地改善了纳米复合材料的力学性能、阻燃性能和热稳定性能及其他特殊性能等。虽然目前人们对蒙脱石的改性及其应用研究已经日趋成熟，但蒙脱石作为“万能材料”仍有很大的研究空间，如对有机蒙脱石合成工艺的研究、对有机蒙脱石在环保方面的应用研究、利用有机蒙脱石进行新材料的开发研究等。

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