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海泡石改性方法概述 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-05-20 11:03:58 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/文龍)海泡石是一種纖維狀鎂硅酸鹽粘土礦物,結構通式為Si12Mg8O30(OH)4,在其結構單元中,硅氧四面體與鎂氧八面體相互交替,具有層狀和鏈狀的過渡特征。正是由于這種獨特的結構,使得海泡石的比表面積高,孔隙率大,具有良好的吸附性、流變性和催化性,應用前景十分廣闊。
但是,天然海泡石礦品位低、雜質含量較高、表面酸性弱、通道小及熱穩定性差,這些弱點一定程度上限制了海泡石的應用。因此,必須預先經過提純、超細加工、改性等一系列處理,獲得其優良的性能。就目前研究階段,主要應用的改性手段有酸處理、離子交換、表面有機改性及活化處理等。
1.海泡石的改性
1.1 酸處理改性
海泡石結構中的Mg2+是弱堿,遇弱酸生成沉淀而沉積于海泡石的微孔結構中,故目前處理所用的酸均為強酸(如HCl、H2SO4、HNO3等)。酸處理海泡石均為H+取代八面體中的Mg2+,并與Si-O骨架形成Si-OH基。首先,H+與通道邊緣的Mg2+反應,并逐漸向中間位置深入而形成不同脫鎂水平的改性海泡石。同時,四面體骨架相對保持穩定。經酸處理的海泡石與天然海泡石相比,內部通道連通,比表面積增大,半徑小于1nm的孔洞數量減少,半徑為1-1.5nm的孔洞百分率增加,使之對特定反應具有適宜的孔徑和較高的比表面積。除此之外,表面酸中心熱穩定性增強,酸中心數量增加,可用來制備高比表面積的催化劑或催化劑載體等。
酸處理改性的程度主要受到酸的濃度、改性時間等影響,改性的程度可用海泡石的脫鎂率來表示。酸的濃度越高,對海泡石的脫鎂能力越強,但脫鎂速度隨酸濃度的增加逐漸減小。隨著改性時間的增加,脫鎂率隨之增加。當改性處理一定時間后,脫鎂率增加的不明顯??赡苁荋+逐步向孔道深處擴散的同時,H+濃度逐漸降低,海泡石鎂含量逐步減少。因此要通過實驗來確定最佳的酸濃度、改性時間。
1.2 離子交換改性
離子交換改性是用金屬離子取代海泡石骨架中的鎂離子,可使海泡石產生中等強度的酸性或堿性,但不改變其結構。高價金屬離子的引入能誘發強的表面酸性,對引進不同價態的陽離子來說,價態高的離子能誘發更強的酸中心。對于同族的高價金屬陽離子,離子半徑越小、電荷密度越高,交換后海泡石的酸性也越強。與此相反,低價金屬離子的引入則能產生強堿中心。低價金屬的電負性越小,即給電子能力越強,八面體中O原子的電荷密度也就越高,相應的堿金屬-海泡石的堿性也就越強。同價金屬陽離子取代Mg2+時,海泡石的結構及表面酸性無顯著變化。
不同地區海泡石礦的結構相近,但組成各異,海泡石中鋁的含量將很大程度上影響其離子交換性能。海泡石的離子交換能力在廢水處理、催化劑的制備方面有著重要的應用。如低價堿金屬離子對海泡石處理可制得強堿性的海泡石催化劑。
1.3 表面有機改性
為了改善海泡石的分散性能,強化海泡石-高分子材料界面粘結,通常采用偶聯劑或表面處理劑對海泡石表面進行有機改性。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基團。表面處理劑有有機硅烷或有機硅偶聯劑、有機鈦酸酯偶聯劑、有機酸和有機醛、吡啶及其衍生物、陽離子表面活性劑等。
不同表面改性劑,其原理有所不同。有機硅烷水解后產生的硅醇可與海泡石表面的-OH基發生醚化反應,從而使有機硅烷被接枝到海泡石表面。有機酸可與海泡石表面的Si-OH基發生酯化反應,從而可在表面引入不同碳鏈長度的烴基。有機醛可與海泡石表面Si-OH基發生縮合反應,也可在海泡石表面引入不同的碳氫鏈,從而改善表面的疏水性能。用帶有活性基團的吡啶衍生物處理海泡石,可使吡啶環上的氮原子與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團的有機分子,活性基團與高分子進一步反應,可大大提高海泡石的補強性能。用陽離子表面活性劑處理海泡石,海泡石較強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樹脂中的分散性能。
目前已應用于海泡石改性的有機改性劑有硫丙基三甲氧基硅烷、三異硬脂?;佀岙惐?、月桂酸、丙烯醛、癸醛、4乙烯基吡啶等。在橡膠工業中,常采用有機硅烷偶聯劑對海泡石進行預處理,提高表面的縮水性能,降低表面能,改進海泡石在膠料中的潤濕和分散性能,提高抗張強度,增加硫化膠的模量。
1.4 活化處理改性
目前研究得較多的是將海泡石預先經過活化處理,考察其吸附性能、催化性能等?;罨幚恚赐ㄟ^加熱或酸處理,在一定溫度范圍內(100-300℃)焙燒,除去其中孔道中的水分子,從而形成內表面積很大的空穴,可吸附并存儲大分子,同時加大了晶體內部通道的橫截面,使被吸附分子更容易進入,提高其吸附和離子交換能力。
2. 結語
目前,海泡石改性方法研究較多,但在實際應用中,往往是以上幾種改性方法的聯合使用,如活化處理中包含了酸處理,酸處理也可稱為酸活化。將海泡石作為離子交換材料,必須經過復合處理。未經酸處理的海泡石基本上無離子交換能力(對金屬離子僅起物理吸附作用)。而經過酸處理的海泡石,其離子交換能力大大增強。因此,在實際生產應用中,要注重聯合運用多種改性方法,以達到最佳改性效果,獲得最好的使用性能。
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