[发明专利]高岭石/1,2-丙二醇插层复合材料的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及以二甲亚砜、1，2-丙二醇为插层剂，采用液相两步插层法，以高岭石/二甲亚砜插层复合物为前驱体，通过1，2-丙二醇对高岭石/二甲亚砜插层复合物中二甲亚砜分子的取代，制备高岭石/1，2-丙二醇插层复合材料，属于复合材料领域。本发明制备的高岭石/1，2-丙二醇插层复合材料在催化剂、功能载体、吸附剂、先进陶瓷材料等领域具有广阔的应用前景。

二、技术背景

高岭石矿物属于1:1型层状硅酸盐，其结构单元层是由一片Si-O四面体片和一片Al-(O、OH)八面体片结合而成，结构单元层在a轴和b轴方向上延续，在c轴方向上堆叠，层间由氢键连结。八面体空隙中只有2/3位置为Al所占据，故称为二八面体型矿物。在矿物的晶层内，缺乏同形置换，结构单元层间没有阳离子，因此高岭石的离子交换能力十分弱。其结构单元层二面组成不同，一面全是氧，另一面全是氢氧根。氢氧原子面与氧原子面直接重叠，通过氢键紧紧连结，所以晶层内解理完整，而缺乏膨胀性。高岭石的各层八面体空位位置都相同，单位晶胞只有一层，厚约0.72nm，属三斜晶系。由于高岭石具有上述晶体构造的特点，故阳离子交换容量小，水分不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物。

高岭石有机插层复合材料既具有粘土矿物特有的吸附性、分散性、流变性、多孔性和表面酸性，又具有机化合物的多变功能团和反应活性，因而作为新型复合材料，在功能陶瓷、催化剂、功能载体、吸附剂、离子吸附、离子导体、电极、传感器、光电功能材料和环境保护等方面都具有广阔的应用前景。在过去十几年中，关于高岭石插层复合材料的研究工作已成为一个极为活跃的研究领域，吸引着众多研究者。这种复合材料不同于传统的复合材料，其微区通常为纳米尺度，在其内部各组分的协同作用下会产生一些母体所不具备的特异性质【顾涛，邹正光.高岭石有机插层复合材料的研究及其应用[J].硅酸盐通报，2005，4】。

高岭石层间不存在可以用来置换的离子，且层间氢键的作用较强，因此只有少数有机分子能够直接插入到高岭石层间，能直接插入到高岭石层间域的有机化合物主要是分子量小、分子极性较强的少数几种有机物，如二甲亚砜(DMSO)、肼、甲酰胺、乙酰胺、N-甲基甲酰胺、醋酸铯、醋酸钾、醋酸铵、PNO等；其它有机分子虽不能直接进入层间，但可以通过取代、夹带的方式间接进入高岭石层间，如甲醇、烷基胺、苯甲酰胺、脂肪酸盐、1，4-丁二醇、对硝基苯胺等。

根据插层剂和高岭石插层反应的状态不同，高岭石插层反应的方法主要包括蒸发溶剂插层法、液相插层法、机械力化学插层法、微波反应法和超声波反应法。(1)蒸发溶剂插层法是指小分子在蒸发溶剂浓缩混合体系的过程中进入高岭石层间而实现的插层反应；(2)液相插层法是插层剂在液态、溶液或熔融状态下进行的插层反应，根据插层剂的特点和插层反应的步骤可分为直接插层、两步插层和三步插层；(3)机械力化学插层法是指通过机械力化学作用实现插层；(4)超声波反应法作为一种特殊的能量作用形式，其动力不仅来源于分子间的相互作用，更主要的是来源于超声空化作用，通过提供局部超高温、超高压等特殊反应条件和“活性种”，起到清洗结构单元层间杂质及提供插层能量的作用【王寻，周平，李博文，等.聚苯乙烯/高岭土纳米复合物材料的制备与表征[J].硅酸盐学报，2003，31(10)】；(5)微波反应法是利用微波“内加热”，使被加热物体在不同深度同时产生热，具有加热速度快和加热均匀的特点，同时在强磁场的作用下，在微波中存在着用热力学方法得不到的高能态的原子、分子和离子，因而可使一些在热力学上较难进行甚至不能进行的反应得以发生【张先如，樊东辉，徐政.微波诱导快速制备高岭石/二甲亚砜插层复合物[J].同济大学学报(自然科学版)，2005，33(12)】。

二甲亚砜是一种强极性的溶剂，偶极矩为3.9D，具有很强的得质子的能力，能够直接插入高岭石层间，与高岭石的内表面羟基形成相对稳定的氢键，因而形成稳定的高岭石/二甲亚砜插层复合物，在干态时能够相对较长时间在空气中稳定存在。高岭石/二甲亚砜插层复合物层间的二甲亚砜分子能被其它一些不能直接插入层间的有机分子所置换(如丙烯酰胺等)，扩大了高岭石/有机物复合物的范围。1，2-丙二醇是一种极性的质子隋性溶剂，偶极矩为2.27D，具有一定的得质子的能力，不能够破坏高岭石层间的氢键直接插入高岭石层间，但可以通过二次插层取代高岭石/二甲亚砜插层复合物中的二甲亚砜分子，与高岭石内表面羟基形成相对稳定的氢键，从而形成稳定的高岭石/1，2-丙二醇插层复合材料。