超声波法制备高岭土二甲基亚插层复合物

超声波法制备高岭土二甲基亚插层复合物

随着科学研究的发展，纳米已成为人们的研究热点，而高合层纳米材料也在其良好的性能和应用前景方面引起了人们的关注。由于高岭土的空间结构及其物理化学性质的特殊性,高岭土的插层比较困难,只有少量极性小分子,如:醋酸钾、二甲基亚砜(dimethylsulphoxide,DMSO)、甲酰胺传统的制备高岭土/有机插层复合物的方法耗时长,一般需要几天乃至几个月,且工艺复杂,效率低。近年来,人们致力于寻求快速、高效的插层方法,例如:通过高温或其他特殊的反应环境(微波、超声波等)来实现高岭土的快速插层,并取得了很大进展,可将插层反应缩短至几个小时1实验1.1拓展了拓展应用材料实验所用超细高岭土(<2µm)来自苏州高岭土有限公司,经X射线衍射(X-raydiffraction,XRD)和透射电镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)分析,不含其它杂质,可直接使用;DMSO和95%乙醇均为分析纯,由上海东懿化学试剂公司生产。采用超声波法制备高岭土插层复合物。取高岭土、DMSO和水按一定比例混匀,在实验温度下置于超声波仪(VCX605型,美国SonicsMaterialsInc.产)中,恒温超声振荡相应的时间(对应比例、温度和反应时间条件见正交表安排),之后抽滤,蒸馏水洗涤,乙醇洗涤,60℃下真空干燥。采用正交法分析水、温度及超声波强度(超声波强度与输出功率成正比,文中用输出功率表示)等因素对高岭土/DMSO插层反应的影响。具体因素与水平条件如表1所示,采用L9(31.2表达性分析用RigakuD/max3B粉晶衍射仪测试粉末样品的XRD谱,测量条件为CuK2结果与讨论2.1xrd分析图1为高岭土和高岭土/DMSO插层复合物的XRD谱。由图1可以看出:高岭土的晶面间距(d2.2红外光谱分析在图3高岭土/DMSO插层复合物的红外光谱中,经DMSO插层后的曲线2同未经处理的高岭土曲线1相比,在3017cm2.3正交实验的结果分析将正交实验的产品用XRD表征分析,并用峰强度变化的比值(I)来衡量其插层反应进行的程度,即插层率:其中:I2.3.1直接分析2.3.2主要影响因素的确定根据每个因素对实验指标影响程度的不同,通常用极差R(Range,该因素各水平实验值均值的最大值和最小值之差)来区分主次。因素的极差越大,说明该因素对试验指标影响越大,它就是主要影响因素;反之,则是次要因素。由表2可见:对于插层率,这4个因素的主次排序为:反应时间→超声波强度→水含量→温度。(2)最佳实验条件趋势图(见图4)是以水平数为横坐标,各指标的平均数为纵坐标而绘制的。取每个因素的最佳水平组成一个组合,视为最佳实验条件。由图4可以看出:水含量为10%、温度为90℃、超声波强度为200W和反应时间为3h为最佳工艺条件。(3)时间对插层率的影响方差是判断该因素对实验的影响是否显著的依据。表3为实验的方差分析。由表3可以看出:当取显著水平α=0.1时,因素D(时间)的F临界值大于F值,因此,时间对插层率的影响是显著的。将4个因素按对应的F临界值进行显著程度排序,即得:反应时间→超声波强度→水含量→温度。2.4影响插层效果的因素对于通常条件下制备高岭土/有机插层复合物过程中、水含量、反应温度和反应时间等因素对插层效果都有很大影响。但在超声波这种特殊的反应环境中,对插层率的影响因素又有所不同。2.4.1体系中水的添加量水对高岭土插层反应的影响通过两个方面来起作用。一方面,适量水的存在使聚集的DMSO分子发生解离,成为单体,从而有利于插层反应的进行从实验统计的结果来看,在无水条件下,三组实验的插层率均值仅为58.437%,而当水含量增到10%时,插层率明显上升,但随着体系中水的继续增多,插层率反而下降。因此,反应体系中水量应有一个合适的量,即10%左右。但相对而言,在实验中,水的影响并不是很显著,这应该与实验用高岭土自身的特性有关。高岭土就其结晶形态而言,分为两种,即六方片状晶型和管状(或称针状)晶型,如图5所示2.4.2《决定》是由不同的、前后两部门联合而产生的温度对于高岭土插层反应的影响也是较为突出的。常温下搅拌制备高岭土需几天乃至几个月,而在142℃条件下,3h即可使插层率达到90%以上2.4.3超声波强度的影响实验中,超声波强度对插层反应有明显影响。随着超声波强度的增大,插层率持续增大,但趋势有所缓和。其原因可能是:随着超声波强度的增大,产生的“空化”现象越强烈,在体系中形成的高温高压微环境就越有利于高岭土的插层。但随着超声波强度的进一步增大,由于高岭土和插层的有机小分子之间是以氢键连接的,作用力不大,当超声波强度足够大时,其产生的机械振荡会使部分已插层的有机小分子从层间脱嵌,因而增幅有所降低。2.4.4超声辅助插层率的影响在传统的制备高岭土/有机复合物的工艺中,从几天到几个月,时间一直是最为重要的因素。在用超声波制备高岭土/DMSO插层复合物实验中,时间也是唯一的一个影响显著的因素,较之传统工艺也有很大突破。从正交实验结果看(见表2),在其他条件合适的情况下,3h即可达到90%的插层率。从正交效应曲线看(见图4d),从1h到3h,插层率基本上以线性关系随时间的延长而增长,到3h后趋于缓和,超过4h则插层率有所下降。这些数据表明:在4h内,高岭土基本上完成插层反应,随着时间的继续延长,超声波的机械振荡会使已插层的二甲基亚砜分子从层间脱嵌。因此,反应时间应以4h为宜。3超声条件对产品插层率的影响以超声波法快速制备高岭土/DMSO插层复合物的反应中,水含量、温度、超声波强度和反应时间对插层反应的进行程度都有影响,其中反应时间的影响最为显著,超声波强度次之,水和温度再次。但是,由于实验用苏州高岭土自身的含水量较多以及超声波提供的局部超高温超高压的特殊环境,使得水和温度的影响相对弱化了。反应的最佳条件是:水含量为10%、温度为90℃、超声波强度为200W和反应时间为4h。经实验验证,在该条件下,插层率可达92%。直接比较9次实验的插层率。由表2可见:获得的产物插层率最高的实验是4号,实验的基本工艺为:含水量10%(质量分数,下同)的混合物在30℃、超声波强度为150W条件下反应5h。