超聲波法制備高嶺土二甲基亞插層復(fù)合物

超聲波法制備高嶺土二甲基亞插層復(fù)合物

隨著科學(xué)研究的發(fā)展，納米已成為人們的研究熱點(diǎn)，而高合層納米材料也在其良好的性能和應(yīng)用前景方面引起了人們的關(guān)注。由于高嶺土的空間結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)的特殊性,高嶺土的插層比較困難,只有少量極性小分子,如:醋酸鉀、二甲基亞砜(dimethylsulphoxide,DMSO)、甲酰胺傳統(tǒng)的制備高嶺土/有機(jī)插層復(fù)合物的方法耗時長,一般需要幾天乃至幾個月,且工藝復(fù)雜,效率低。近年來,人們致力于尋求快速、高效的插層方法,例如:通過高溫或其他特殊的反應(yīng)環(huán)境(微波、超聲波等)來實現(xiàn)高嶺土的快速插層,并取得了很大進(jìn)展,可將插層反應(yīng)縮短至幾個小時1實驗1.1拓展了拓展應(yīng)用材料實驗所用超細(xì)高嶺土(<2μm)來自蘇州高嶺土有限公司,經(jīng)X射線衍射(X-raydiffraction,XRD)和透射電鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)分析,不含其它雜質(zhì),可直接使用;DMSO和95%乙醇均為分析純,由上海東懿化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。采用超聲波法制備高嶺土插層復(fù)合物。取高嶺土、DMSO和水按一定比例混勻,在實驗溫度下置于超聲波儀(VCX605型,美國SonicsMaterialsInc.產(chǎn))中,恒溫超聲振蕩相應(yīng)的時間(對應(yīng)比例、溫度和反應(yīng)時間條件見正交表安排),之后抽濾,蒸餾水洗滌,乙醇洗滌,60℃下真空干燥。采用正交法分析水、溫度及超聲波強(qiáng)度(超聲波強(qiáng)度與輸出功率成正比,文中用輸出功率表示)等因素對高嶺土/DMSO插層反應(yīng)的影響。具體因素與水平條件如表1所示,采用L9(31.2表達(dá)性分析用RigakuD/max3B粉晶衍射儀測試粉末樣品的XRD譜,測量條件為CuK2結(jié)果與討論2.1xrd分析圖1為高嶺土和高嶺土/DMSO插層復(fù)合物的XRD譜。由圖1可以看出:高嶺土的晶面間距(d2.2紅外光譜分析在圖3高嶺土/DMSO插層復(fù)合物的紅外光譜中,經(jīng)DMSO插層后的曲線2同未經(jīng)處理的高嶺土曲線1相比,在3017cm2.3正交實驗的結(jié)果分析將正交實驗的產(chǎn)品用XRD表征分析,并用峰強(qiáng)度變化的比值(I)來衡量其插層反應(yīng)進(jìn)行的程度,即插層率:其中:I2.3.1直接分析2.3.2主要影響因素的確定根據(jù)每個因素對實驗指標(biāo)影響程度的不同,通常用極差R(Range,該因素各水平實驗值均值的最大值和最小值之差)來區(qū)分主次。因素的極差越大,說明該因素對試驗指標(biāo)影響越大,它就是主要影響因素;反之,則是次要因素。由表2可見:對于插層率,這4個因素的主次排序為:反應(yīng)時間→超聲波強(qiáng)度→水含量→溫度。(2)最佳實驗條件趨勢圖(見圖4)是以水平數(shù)為橫坐標(biāo),各指標(biāo)的平均數(shù)為縱坐標(biāo)而繪制的。取每個因素的最佳水平組成一個組合,視為最佳實驗條件。由圖4可以看出:水含量為10%、溫度為90℃、超聲波強(qiáng)度為200W和反應(yīng)時間為3h為最佳工藝條件。(3)時間對插層率的影響方差是判斷該因素對實驗的影響是否顯著的依據(jù)。表3為實驗的方差分析。由表3可以看出:當(dāng)取顯著水平α=0.1時,因素D(時間)的F臨界值大于F值,因此,時間對插層率的影響是顯著的。將4個因素按對應(yīng)的F臨界值進(jìn)行顯著程度排序,即得:反應(yīng)時間→超聲波強(qiáng)度→水含量→溫度。2.4影響插層效果的因素對于通常條件下制備高嶺土/有機(jī)插層復(fù)合物過程中、水含量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等因素對插層效果都有很大影響。但在超聲波這種特殊的反應(yīng)環(huán)境中,對插層率的影響因素又有所不同。2.4.1體系中水的添加量水對高嶺土插層反應(yīng)的影響通過兩個方面來起作用。一方面,適量水的存在使聚集的DMSO分子發(fā)生解離,成為單體,從而有利于插層反應(yīng)的進(jìn)行從實驗統(tǒng)計的結(jié)果來看,在無水條件下,三組實驗的插層率均值僅為58.437%,而當(dāng)水含量增到10%時,插層率明顯上升,但隨著體系中水的繼續(xù)增多,插層率反而下降。因此,反應(yīng)體系中水量應(yīng)有一個合適的量,即10%左右。但相對而言,在實驗中,水的影響并不是很顯著,這應(yīng)該與實驗用高嶺土自身的特性有關(guān)。高嶺土就其結(jié)晶形態(tài)而言,分為兩種,即六方片狀晶型和管狀(或稱針狀)晶型,如圖5所示2.4.2《決定》是由不同的、前后兩部門聯(lián)合而產(chǎn)生的溫度對于高嶺土插層反應(yīng)的影響也是較為突出的。常溫下攪拌制備高嶺土需幾天乃至幾個月,而在142℃條件下,3h即可使插層率達(dá)到90%以上2.4.3超聲波強(qiáng)度的影響實驗中,超聲波強(qiáng)度對插層反應(yīng)有明顯影響。隨著超聲波強(qiáng)度的增大,插層率持續(xù)增大,但趨勢有所緩和。其原因可能是:隨著超聲波強(qiáng)度的增大,產(chǎn)生的“空化”現(xiàn)象越強(qiáng)烈,在體系中形成的高溫高壓微環(huán)境就越有利于高嶺土的插層。但隨著超聲波強(qiáng)度的進(jìn)一步增大,由于高嶺土和插層的有機(jī)小分子之間是以氫鍵連接的,作用力不大,當(dāng)超聲波強(qiáng)度足夠大時,其產(chǎn)生的機(jī)械振蕩會使部分已插層的有機(jī)小分子從層間脫嵌,因而增幅有所降低。2.4.4超聲輔助插層率的影響在傳統(tǒng)的制備高嶺土/有機(jī)復(fù)合物的工藝中,從幾天到幾個月,時間一直是最為重要的因素。在用超聲波制備高嶺土/DMSO插層復(fù)合物實驗中,時間也是唯一的一個影響顯著的因素,較之傳統(tǒng)工藝也有很大突破。從正交實驗結(jié)果看(見表2),在其他條件合適的情況下,3h即可達(dá)到90%的插層率。從正交效應(yīng)曲線看(見圖4d),從1h到3h,插層率基本上以線性關(guān)系隨時間的延長而增長,到3h后趨于緩和,超過4h則插層率有所下降。這些數(shù)據(jù)表明:在4h內(nèi),高嶺土基本上完成插層反應(yīng),隨著時間的繼續(xù)延長,超聲波的機(jī)械振蕩會使已插層的二甲基亞砜分子從層間脫嵌。因此,反應(yīng)時間應(yīng)以4h為宜。3超聲條件對產(chǎn)品插層率的影響以超聲波法快速制備高嶺土/DMSO插層復(fù)合物的反應(yīng)中,水含量、溫度、超聲波強(qiáng)度和反應(yīng)時間對插層反應(yīng)的進(jìn)行程度都有影響,其中反應(yīng)時間的影響最為顯著,超聲波強(qiáng)度次之,水和溫度再次。但是,由于實驗用蘇州高嶺土自身的含水量較多以及超聲波提供的局部超高溫超高壓的特殊環(huán)境,使得水和溫度的影響相對弱化了。反應(yīng)的最佳條件是:水含量為10%、溫度為90℃、超聲波強(qiáng)度為200W和反應(yīng)時間為4h。經(jīng)實驗驗證,在該條件下,插層率可達(dá)92%。直接比較9次實驗的插層率。由表2可見:獲得的產(chǎn)物插層率最高的實驗是4號,實驗的基本工藝為:含水量10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的混合物在30℃、超聲波強(qiáng)度為150W條件下反應(yīng)5h。