高嶺石插層復(fù)合物制備研究進展

梁夏夏++張白梅

摘 要：高嶺石是一種1∶1型的層狀硅酸鹽粘土礦物，通過插層改性使高嶺石堆垛體發(fā)生層間剝離是制備納米高嶺石的重要技術(shù)，也是研究的熱點。該文對高嶺石插層復(fù)合物進行了介紹；然后對其主要制備方法進行了分類介紹；最后對高嶺石插層復(fù)合物制備的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高嶺石 插層復(fù)合物 取代插層 發(fā)展趨勢

中圖分類號：P619 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0055-02

高嶺石是我國儲量最為豐富的粘土礦物之一，是典型的 1∶1型層狀硅酸鹽礦物，具有特殊的六方片層結(jié)構(gòu)和層間域環(huán)境。硅氧四面體的頂尖指向鋁氧八面體，并通過共用頂氧而緊密連接形成高嶺石的基本結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元沿c 軸堆垛，形成層片狀堆垛結(jié)構(gòu)。高嶺石的層間域一面是硅氧四面體表面，一面是鋁氧八面體面，具有不同化學(xué)性質(zhì)，有利于層間有機分子的自組裝和分子識別。有機分子在高嶺石層間限制性環(huán)境中有序排列，并具有各向異性[1]。這種特有的層間結(jié)構(gòu)特征，使高嶺石有機插層復(fù)合物具有許多潛在的、優(yōu)異的應(yīng)用性能。高嶺石有機插層復(fù)合物的制備，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，成為研究的熱點。

1 高嶺石插層復(fù)合物

高嶺石插層復(fù)合物是將有機化合物分子插入高嶺石層間而形成的有機/無機復(fù)合物，由于高嶺石層間幾乎沒有可交換離子，層間具有較強的氫鍵等層間作用力，其插層較為困難，只有少量的極性小分子可直接進入高嶺石層間。最初高嶺石的有機插層始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時用有機低分子量化合物醋酸鉀，研究高嶺土的膨脹性，主要目的是進行粘土礦物種類的鑒別[2]。隨著檢測手段的進步，這種插層復(fù)合物的性能被逐漸認識，顯現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，研究工作也得到深入發(fā)展。其研究主要在插層劑的選擇、插層方法及工藝的改進等方面[3]。

2 高嶺石插層復(fù)合物制備方法

2.1 直接插層法

直接插層法制備高嶺石插層復(fù)合物是研究最早也是最常用的一種方法。該方法主要適用于極性小分子二甲基亞砜、水合肼等對高嶺石的插層。一般采用液相反應(yīng)進行，也可采用蒸發(fā)溶劑法。前者指插層劑在溶液或乳狀液形式下與高嶺石進行反應(yīng)，進入其層間。后者指小分子插層劑在溶劑不斷蒸發(fā)過程中不斷濃縮，在此過程中逐漸進入高嶺石層間。直接插層法可一步制得高嶺石插層復(fù)合物，但由于高嶺石層間作用的特殊性，僅有少數(shù)的極性小分子能夠完成插層，由于分子較小，高嶺石層間距增大十分有限，難以實現(xiàn)高嶺石片層的剝離，其應(yīng)有效果十分有限。

2.2 取代插層法

取代插層是以直接插層制備極性小分子高嶺石插層復(fù)合物為前驅(qū)體，采用其他有機分子取代極性小分子進入高嶺石層間進行制備插層復(fù)合物的一種方法。這種方法具有更廣的選擇性，并且能將較大的有機分子引入高嶺石層間，大的有機分子不僅使高嶺石層間距進一步擴大，而且具有較多的活性基團，能夠賦予高嶺石插層復(fù)合物更多優(yōu)異的性能，成為當(dāng)前高嶺石插層復(fù)合物的技術(shù)關(guān)鍵和研究熱點。劉欽甫等[4]采用逐步取代插層法制備了一系列高嶺石烷基胺插層復(fù)合物，其層間距達到1.24～4.23 nm。Bulent Caglar等[5]采用多次取代法制備了吡啶-2-甲醇/高嶺石插層復(fù)合物，首先制備N-甲基甲酰胺高嶺石插層復(fù)合物，然后采用甲醇取代甲基甲酰胺制備高嶺石甲醇插層復(fù)合物，最后采用吡啶-2-甲醇與高嶺石/甲醇復(fù)合物進行反應(yīng)。該復(fù)合物層間距增大到13.57。

2.3 輔助插層法

高嶺石插層復(fù)合物的制備過程一般耗時較長，需要數(shù)十個小時甚至數(shù)周的時間。為了提高插層效率，一些研究者采用微波、超聲波等手段輔助制備高嶺石插層復(fù)合物，有效提高了插層效率。張先如等[6]將微波技術(shù)引入到制備高嶺石有機物插層復(fù)合材料的研究，采用微波誘導(dǎo)二甲亞砜對高嶺石進行插層，大大縮短了處理時間，且達到了較理想的插層效果。研究發(fā)現(xiàn)，微波誘導(dǎo)插層時間為30 min時，插層率即可達到75%以上。孫嘉等[7]研究了微波對不同插層劑插入高嶺石的作用。結(jié)果表明：微波對大偶極距的二甲亞砜等小分子物質(zhì)的插層反應(yīng)具有十分顯著的促進作用，經(jīng)1 h處理DMSO插層率已經(jīng)達到82.2%時，相比通常的幾天反應(yīng)時間，其插層速率大大提高。其研究也表明，微波對高嶺石插層復(fù)合物制備的促進作用具有一定的選擇性，對醋酸鉀、尿素等物質(zhì)的插層促進作用比較小。徐中等[8]用超聲波振蕩法制備高嶺土/二甲基亞砜插層復(fù)合物，結(jié)果表明超聲振蕩1 h，超聲溫度50 ℃時，插層率就達到90.1%。馮莉等[9]采用用超聲波法比較了不同類型插層劑與高嶺石的插層產(chǎn)物。在超聲波條件下，采用60 ℃的反應(yīng)溫度，經(jīng)3 h處理，將高嶺石/二甲基亞砜作為前軀體，采用兩步插層法快速制備了高嶺石/乙醇復(fù)合物。

3 結(jié)語

綜上所述，關(guān)于高嶺石插層復(fù)合物的研究，目前主要集中在插層方法工藝及插層劑的選擇等方面。研究者通過改進工藝方法，不斷提高高嶺石插層復(fù)合物的制備效率和綜合性能，探尋適用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的制備方法。但由于高嶺石層間作用復(fù)雜，目前發(fā)現(xiàn)的適用的有機單體分子種類較少，制備插層復(fù)合材料仍然有一定困難，各種研究還處于實驗和理論探索階段。但高嶺石礦產(chǎn)資源豐富，價格低廉，隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，高嶺石/有機插層復(fù)合材料的種類和應(yīng)用領(lǐng)域都將更加廣泛。

參考文獻

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[6] 張先如，樊東輝，徐政.微波誘導(dǎo)快速制備高嶺石/二甲亞砜插層復(fù)合物[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，33（12）：

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[9] 馮莉，林喆，劉炯天，等.超聲波法制備高嶺石插層復(fù)合物[J].硅酸鹽學(xué)報，2006，34（10）：1226-1231.