CN101428810A

CN101428810A - 纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法

Info

Publication number: CN101428810A
Application number: CNA2008102040578A
Authority: CN
Inventors: 张迎晨; 吴红艳; 邱夷平
Original assignee: Donghua University; Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Donghua University; Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2009-05-13

Abstract

本发明涉及纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，包括：将纳米蒙脱土置于等离子体处理设备的专用传输装置上，在大气压，开放环境下，直接将等离子体喷射到纳米蒙脱土表面，使纳米蒙脱土在等离子体氛围中运动，处理功率为10W－5000W，时间为0.01s－6000s，产生纳米蒙脱土表面改性。本发明方法在大气压和常温下可一步直接改善纳米蒙脱土的表面性质、结构和形态，工艺可控性强，改换工艺简单、干法加工工艺对环境的污染小；发明所得纳米蒙脱土颗粒表面产生同性相斥的效果，达到减少纳米颗粒团聚的可能性。

Description

纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法

技术领域

本发明属纳米蒙脱土材料的改性制备领域，特别是涉及纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法。

背景技术

由于纳米材料具有尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应等特性，从而在光学、力学、电学、磁学等方面表现出不同于一般宏观材料的显著特征，近年来得到迅速发展。

蒙脱土(Montmorillonite)是属于蒙脱土族的矿物，蒙脱土族矿物共发现11个，他们是滑间皂土、贝得土、锂皂土、蒙脱土、钠脱土、皂土、锌皂土、斯皂土、锂蒙脱土、铬蒙脱土和铜蒙脱土等，但从内部结构来讲可分为蒙脱土亚族(二八面体)与皂土亚族(三八面体)。蒙脱土是典型的层状硅酸盐矿物之一，但是与其他层状硅酸盐矿物不同之点是层与层之间空隙特别大，这样就可在层与层中含有不定数量的水分子及交换性阳离子。

蒙脱石是由二层共顶联接的硅氧四面体片夹一层共棱联接的铝(镁)氧(氢氧)八面体片，构成2:1型含结晶水的硅酸盐矿物。其结构支柱的八面体中Al3+被Mg3+、Fe3+、Fe2+等的同晶置换，造成八面体畸变，进而迫使四面体片作出旋转、伸长、歪扭等形式来予以调正，直至出现断键，使多面体核心阳离子裸露，并在层间产生强弱不同的永久性负电荷。为了平衡电荷，蒙脱石就具有吸附阳离子到层间的特性，且只要所处介质中阳离子(不论有机阳离子或无机阳离子)浓度高于其层间的阳离子的浓度，层间域中的离子就会被交换出来。这也是蒙脱石负电吸附特性。

蒙脱石颗粒极细，有很大的残缺表面和断键，表面呈强极性，具有很高的表面能和化学活性，对于多种气体、液体、有机分子有一定的吸附能力.因而膨润土被广泛地应用于造纸、钻井泥浆、废水处理等工业领域。由于蒙脱石矿物单元层结构中的四面体或八面体的离子置换，造成正电荷不足.而由层间阳离子来补偿。层间阳离子的存在和水化性使蒙脱石具有很强的阳离子交换能力和吸水性.蒙脱石层间结合力弱，易剥离.层间剥离后，吸水性和吸附有机分子的能力明显下降。这就要求膨润土在加工时经适当表面处理，使其表面性能发生改变，吸水性和膨胀性降低，亲有机物性能增强，从而拓宽其应用。但利用大气压、常温等离子体对纳米蒙脱土表面改性的技术未见专利报道。

发明内容

本发明的纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，本方法为干法改性，在大气压和室温、开放的环境下可一步直接获得纳米氧化锌表面的改性。

本发明的纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，包括：

将纳米蒙脱土置于等离子体处理设备的专用传输装置上，在大气压，开放环境下，直接将等离子体喷射到纳米蒙脱土表面，使纳米蒙脱土在等离子体氛围中运动，处理功率为10W-5000W，时间为0.01s-6000s，产生纳米蒙脱土表面改性。

所述的纳米蒙脱土为市售的商品。

所述的等离子体选自氦气、氩气或功能性气体中的一种或几种，其中氦气、氩气摩尔比为50％-99.99％，功能性气体为0.001～30％，同时流经等离子体形成区形成等离子体氛围。

所述的氦气或氩气的纯度为99.99％。

所述的功能性气体为SO₂、氨气、氧气、氢气、氮气、四氟化碳、二氧化碳、甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)、丁烷(C₄H₁₀)、戊烷(C₅H₁₂)、己烷(C₆H₁₄)、庚烷(C₇H₁₆)、辛烷(C₈H₁₈)、壬烷(C₉H₂₀)、癸烷(C₁₀H₂₂)、十一烷(C₁₁H₂₄)、十二烷(C₁₂H₂₆)、十三烷(C₁₃H₂₈)、乙烯(C₂H₄)、丙烯(C₃H₆)、丁烯(C₄H₈)、戊烯(C₅H₁₀)、己烯(C₆H₁₂)、丙二烯(C₃H₄)、丁二烯(C₄H₆)、异戊二烯(C₅H₈)、己三烯(C₆H₈)、乙炔(C₂H₂)、丙炔(C₃H₄)、丁炔(C₄H₆)、戊炔(C₅H₈)、己炔(C₆H₁₀)、庚炔(C₇H₁₂)、辛炔(C₈H₁₄)、壬炔(C₉H₁₆)、癸炔(C₁₀H₁₈)、十一炔(C₁₁H₂₀)、四氟乙烯和硅烷、各种硅氧烷气体、丙烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它们组合气体。

所述的在喷射等离子体氛围前提下将纳米蒙脱土表面按不同要求的需求进行表面改性。

所述的改性纳米蒙脱土应用于高分子材料改性、高分子复合材料改性以及纤维。

在大气压、常温等离子体改性的处理方法改善纳米蒙脱土表面性能的体系中，主要包括由等离子体产生高能活性粒子、纳米蒙脱土表面被刻蚀或激活、接枝等使纳米蒙脱土表面产生同性相斥的效果。在喷射等离子体氛围前提下形成自由基并由此引发进一步的自由基引起的纳米蒙脱土表面与其他材料和组分在一定条件下形成自由基接枝反应而得到的纳米蒙脱土表面改性，以及由于等离子体引发的纳米蒙脱土表面自由基引起的自由基聚合即等离子体引发原子转移自由基聚合(ATRP)。等离子体纳米蒙脱土表面改性为干法改性，主要采用以上所述的气体以及它们的混合气体，利用大气压、常温等离子体设备产生的等离子体对纳米蒙脱土进行表面处理。等离子体表面改性方法通常一步完成，通过调整形成等离子体的气体组分、配比可以实现对不同物性材料的相容性的提高。

有益效果

(1)本发明方法工艺可控性强，改换工艺简单、工艺流程短，无需后处理，并且自动化程度高，能耗低、对环境的污染小，容易实现工业化大规模生产并且可以直接添加在蒙脱土加工生产线上，实现连续化生产；

(2)本发明所得纳米蒙脱土表面产生同性相斥的效果，达到减少纳米颗粒团聚的可能性；

(3)本发明所得纳米蒙脱土颗粒内部结构不被破坏，其纳米晶体颗粒均匀度且粒径分布范围变窄，在相关材料中的分散性提高，与相应高分子的结合性能提高。

附图说明

图1所得样品的透射电子显微镜照片；

图2为所得样品的水溶胶(0。5/1000纳米粉/水)静置24小时对比实验照片，1号为商品纳米蒙脱土原粉氦等离子体处理样品，2号为商品纳米蒙脱土原粉氧等离子体处理样品，3号为商品纳米蒙脱土原粉；

图3为纳米蒙脱土表面等离子体改性装置示意图，1等离子体载气(氦气或氩气)，2功能性气体，3等离子体发生控制系统，4等离子体发生器及喷头，5纳米粉体输送装置，6未表面处理纳米粉体，7已表面处理过纳米粉体。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

取一定量商品化纳米蒙脱土放在等离子体处理设备的专用传输装置上。示意图如图3(或加装等离子体喷嘴的通道)，该容器或载体置于常压、常温等离子体喷射装置的喷口下方特定距离2厘米以内(喷嘴部分通道的设计按特定要求)，纳米粉体铺放厚度按5毫米厚度铺放，在开启常压、室温等离子体的前提下，容器或载体做特定速度的运动.实现纳米蒙脱土在氦气等离子体氛围、功率40瓦及5秒时间下得到处理。该样品的透射电子显微镜照片如图1。由该样品形成的水溶胶(0.5/1000纳米粉/水)静置24小时对比实验照片如图2-1号样品。

实施例2

取一定量商品化纳米蒙脱土放在等离子体处理设备的专用传输装置上。示意图如图3(或加装等离子体喷嘴的通道)，该容器或载体置于常压、常温等离子体喷射装置的喷口下方特定距离2厘米以内(喷嘴部分通道的设计按特定要求)，纳米粉体铺放厚度按2-9毫米厚度铺放，在开启常压、室温等离子体的前提下，容器或载体做特定速度的运动.实现纳米蒙脱土在氧气等离子体氛围、功率40瓦及5秒时间下得到处理。该样品的透射电子显微镜照片如图1。由该样品形成的水溶胶(0.5/1000纳米粉/水)静置24小时对比实验照片如图2-2号样品。

Claims

1.纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，包括：

2.根据权利要求1所述的纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，其特征在于：所述的等离子体选自氦气、氩气或功能性气体中的一种或几种，其中氦气、氩气摩尔比为50％-99.99％，功能性气体为0.001～30％，同时流经等离子体形成区形成等离子体氛围。

3.根据权利要求2所述的纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，其特征在于：所述的氦气或氩气的纯度为99.99％。

4.根据权利要求2所述的纳米蒙脱土表面大气压、常温等离子体改性处理方法，其特征在于：所述的功能性气体为SO₂、氨气、氧气、氢气、氮气、四氟化碳、二氧化碳、甲烷CH₄、乙烷C₂H₆、丙烷C₃H₈、丁烷C₄H₁₀、戊烷C₅H₁₂、己烷C₆H₁₄、庚烷C₇H₁₆、辛烷C₈H₁₈、壬烷C₉H₂₀、癸烷C₁₀H₂₂、十一烷C₁₁H₂₄、十二烷C₁₂H₂₆、十三烷C₁₃H₂₈、乙烯C₂H₄、丙烯C₃H₆、丁烯C₄H₈、戊烯C₅H₁₀、己烯C₆H₁₂、丙二烯C₃H₄、丁二烯C₄H₆、异戊二烯C₅H₈、己三烯C₆H₈、乙炔C₂H₂、丙炔C₃H₄、丁炔C₄H₆、戊炔C₅H₈、己炔C₆H₁₀、庚炔C₇H₁₂、辛炔C₈H₁₄、壬炔C₉H₁₆、癸炔C₁₀H₁₈、十一炔C₁₁H₂₀、四氟乙烯和硅烷、各种硅氧烷气体、丙烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它们组合气体。

5.根据权利要求1—4中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述的在喷射等离子体氛围前提下将纳米蒙脱土表面按不同要求的需求进行表面改性。

6.根据权利要求1—4中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述的改性纳米蒙脱土应用于高分子材料改性、高分子复合材料改性以及纤维。