納米片層蒙脫土復(fù)合材料的制備及性能表征

王風(fēng)軍　王紅梅

【摘 要】蒙脫土（MMT）是一種具有納米片層結(jié)構(gòu)添加物，納米片層結(jié)構(gòu)具有較好的吸附能力，補(bǔ)強(qiáng)性和觸變性等優(yōu)異特性。本文就是將蒙脫土分散到海藻酸鈉紡絲原液中，通過(guò)偏光鏡、透射電鏡對(duì)復(fù)合紡絲液進(jìn)行了表征，表征蒙脫土發(fā)生了剝離，通過(guò)流變數(shù)據(jù)對(duì)納米復(fù)合紡絲液的性能進(jìn)行表征，表征了納米片層結(jié)構(gòu)對(duì)紡絲溶液性能的影響。

【關(guān)鍵詞】蒙脫土；納米片層分散；海藻纖維；紡絲溶液

0 引言

在21世紀(jì)，納米復(fù)合材料迅速發(fā)展為最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。由于蒙脫土本身具有納米尺度的層狀結(jié)構(gòu)，世界蒙脫土資源極為豐富，分布甚廣，所以被應(yīng)用到許多領(lǐng)域。蒙脫土是一種層狀硅酸鹽，層狀硅酸鹽的晶體片層間距1nm左右，片層表面主要為氫鍵和電荷作用，在外界物質(zhì)作用下，該片層很容易擴(kuò)大或者剝離。片層容易擴(kuò)大這個(gè)特性為制備納米復(fù)合材料提供天然的微反應(yīng)器，片層容易剝離使其更廣泛的被應(yīng)用于納米復(fù)合材料的制備。利用層狀硅酸鹽制備納米復(fù)合材料，是我國(guó)當(dāng)前材料科學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 蒙脫土的改性及SA/MMT紡絲原液的配制

蒙托土的改性及其紡絲溶液的配制總共分成了四步：

第一步：將蒙脫土元土和氯化鈉[m（MMT）/m（H2O）=1：5，氯化鈉的用量按蒙脫土離子交換容量計(jì)算的理論用量的150%]，60度下磁力攪拌6h，然后抽濾，洗去多余的氯化鈉，真空干燥得到Na-MMT；蒙脫土片層通常吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水合陽(yáng)離子，從而使層間距發(fā)生變化。蒙脫土具有較大的初始層間距以及可交換的層間陽(yáng)離子，這些結(jié)構(gòu)特征使得利用離子交換的方式可以將蒙脫土層間距擴(kuò)大到能夠允許聚合物分子鏈插入[1]。

第二步：將Na-MMT與去離子水以1：1000的比例混合，使蒙脫土充分溶脹5天[2]。

第三部：將第二步中的溶液超聲30mins，當(dāng)作溶劑配制2%的海藻酸鈉溶液。 配小濃度的便于顆粒的均勻分散，但是濃度也不能太小，這樣會(huì)使沒(méi)有足夠的大分子進(jìn)入片層之間，從而使片層打開。配小濃度的便于顆粒的均勻分散，但是濃度也不能太小，這樣會(huì)使沒(méi)有足夠的大分子進(jìn)入片層之間，從而使片層打開[3]。

第四步：將配好的稀溶液再進(jìn)行粉碎超聲1h，隨后再加入海藻酸鈉粉末繼續(xù)配制所需的溶液。

1.1 MMT的海藻酸鈉溶液偏光圖片

為了表征蒙脫土在溶液中的存在形式，我們使用了偏光顯微鏡。有文獻(xiàn)記載說(shuō)，蒙脫土如果在水中以單片層的形式存在，則溶液中會(huì)看到蝶狀的片層，厚度約為1nm，直徑約為30nm，呈蝶狀[4]。從圖1中我們可以在復(fù)合溶液看到蝶狀的片層，則說(shuō)明蒙脫土在溶液中發(fā)生了剝離現(xiàn)象，即部分蒙脫土以單片層的形式存在于復(fù)合溶液中。

圖1 復(fù)合溶液的偏光照片

圖2 蒙脫土在去離子水中的TEM

1.2 透射電鏡對(duì)紡絲原液的觀察

在蒙脫土分散到紡絲原液的過(guò)程中，我們采用了先將蒙脫土在去離子水中溶脹一段時(shí)間，然后用蒙脫土的懸浮液配制紡絲原液，下圖是蒙脫土在去離子水中的存在形態(tài)。

從上圖2（a）中我們可以看到，蒙脫土還是堆積在一起的，還沒(méi)有完全溶脹開，從圖2（b）圖中我們看到的就是溶脹開的蒙脫土。讓蒙脫土先在去離子水中溶脹，這樣層間距就增大，有利于海藻酸鈉大分子插入蒙脫土片層，將蒙脫土的片層間距增大，然后再利用超聲分散的方法使蒙脫土以單片層的形式存在于紡絲原液中，從而更好的起到改性的作用。

圖3 為蒙脫土在紡絲原液中的TEM

從圖3（a）中，我們看出這是一個(gè)蒙脫土的單片層，這說(shuō)明我們已將蒙脫土片層打開，紡絲原液里的蒙脫土部分是以單片層的形式存在的。溶液中蒙托土有團(tuán)聚體出現(xiàn)，由于單純的超聲未能充分打開蒙脫土片層，例如圖3（b）中，蒙脫土片層的間距與在去離子水中的相比是明顯增大了，但是分散的還不均勻，雖然有些分布不是很均勻，但是蒙脫土仍然起到很好的改性作用。為了使纖維得到更好的改性，我們可以使用紫外光照射處理將蒙脫土片層打開，紫外光照射能夠激活納米材料的表面，在顆粒表面產(chǎn)生很多黏結(jié)點(diǎn)，海藻酸鈉大分子能夠與這些黏結(jié)點(diǎn)很好地結(jié)合，從而使蒙脫土片層打開并均勻分散在紡絲原液中[5]。

2 MMT片層對(duì)海藻酸鈉紡絲原液粘度的影響

圖4 不同MMT含量的紡絲原液的流動(dòng)曲線（T=50℃）

圖4為50℃時(shí)四種紡絲原液的表觀粘度-剪切速率曲線。從上圖我們可以看出，幾種紡絲原液在低剪切速率下，粘度曲線都比較平緩，相比較而言純海藻酸鈉紡絲原液的曲線更平緩些，接近于牛頓流體。從圖4我們還可得出結(jié)論，在MMT的添加比例為0.1%、0.2%時(shí)，隨納米蒙脫土添加量的增大，紡絲原液的表觀粘度出現(xiàn)了大幅度的增加，但是當(dāng)蒙脫土的添加量達(dá)到1%時(shí)，紡絲原液的表觀粘度比純?nèi)芤旱娜杂写蠓仍黾?，但是?fù)合紡絲原液的表觀粘度隨蒙脫土添加量的增大出現(xiàn)了小幅度減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，一種原因是，海藻酸鈉大分子在紡絲溶液中呈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀，這些線團(tuán)是無(wú)規(guī)纏結(jié)的，蒙脫土的加入增加了纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)目，影響了海藻酸鈉大分子的移動(dòng)；另種原因是，海藻酸鈉大分子插入蒙脫土片層內(nèi)，該大分子的一段被片層固定住，則此時(shí)大分子的某些鏈段形成了“凍膠”，從而影響了大分子的運(yùn)動(dòng)，大分子又是相互纏結(jié)的，這就使一連串的大分子被“凍膠”，如圖5所示，影響了高分子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蒙脫土添加量達(dá)到1%時(shí)，溶液的粘度雖然與純?nèi)芤合啾热杂写蠓鹊脑黾樱桥c0.1%相比卻出現(xiàn)了微小的減小趨勢(shì)，這種現(xiàn)象的原因可能與蒙脫土分散不均勻，出現(xiàn)很大的團(tuán)聚體，從而使纏結(jié)點(diǎn)的數(shù)目下降，所以才出現(xiàn)了微小的降低現(xiàn)象。

圖5 海藻酸鈉大分子鏈插層示意圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)紡絲原液的偏光測(cè)試和透射電鏡測(cè)試，對(duì)蒙脫土在紡絲原液中的分布進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明部分片層蒙脫土是以單片層的形式存在的。通過(guò)TEM測(cè)試，可以觀察到單片蒙脫土，兩個(gè)結(jié)果同時(shí)說(shuō)明，蒙脫土在紡絲原液中有剝離現(xiàn)象，當(dāng)然，我們還看到了多片層的蒙脫土及其蒙脫土的團(tuán)聚體，根據(jù)復(fù)合溶液的流變性能，我們可以掌握復(fù)合材料蒙脫土的添加量問(wèn)題，從而為納米復(fù)合材料的制備參數(shù)提供了很好的依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賴鵬，彭響方.聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].塑膠工業(yè)，2007，10（3）：37-39.

[2]代旭明，劉鑫，馬敬紅.聚 （N-異丙基丙烯酰胺）/海藻酸鈉/黏土復(fù)合水凝膠的制備及其性能[J].化工進(jìn)展，2009，28（4）：661-664.

[3]余天石.鈣基蒙脫土納米復(fù)合腈綸的形態(tài)和性能表征[J].紡織學(xué)報(bào)，2011，32（5）：29-32.

[4]Rosta， L. and H. Von Gunten， Light scattering characterization of laporite sols. Journal of colloid and interface science，1990，134（2）：397-406[Z].

[5]賈曉林，譚偉.納米粉體分散技術(shù)發(fā)展概況[J].非金屬礦，2003，26（4）：1-3.

[責(zé)任編輯：湯靜]