CN101717090A - 超支化季铵盐改性有机蒙脱土及其制备方法 - Google Patents

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王锦成
杨科
郑晓昱
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Abstract

本发明公开了一种超支化季铵盐改性有机蒙脱土及其制备方法，制备方法包括如下步骤：(1)将有机化插层剂、超支化改性剂和催化剂，在N2保护下，于非极性溶剂中，120～150℃反应10～18h，然后收集其中的超支化季铵盐；(2)将步骤(1)获得的超支化季铵盐与无机蒙脱土混合，在N2保护下，加入乙醇的水溶液，加热至80～90℃，搅拌3～5h，然后收集其中的超支化季铵盐改性有机蒙脱土。本发明的超支化季铵盐改性有机蒙脱土，片层的粒径分布均匀，且粒径分布范围为50～80nm，与硅橡胶等有机硅聚合物的相容性优异，可直接应用于聚合物加工过程中，无需繁琐的溶液或熔融插层，生产成本低、易于实施。

Description

超支化季铵盐改性有机蒙脱土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性有机蒙脱土及其制备方法。
背景技术
蒙脱土又称微晶高岭土，是膨润土的主要成份。在电子显微镜下观察，晶体属单斜晶系，一般呈不规则片状。颜色为白色带浅灰，有时带浅蓝或浅红色，光泽暗淡，具有很强的吸附能力和离子交换能力，同时还具有高度的胶体性、可塑性和粘结力。
因为蒙脱土层间有大量无机离子，所以对有机化合物呈疏性，利用蒙脱土层间金属离子的可交换性，以有机阳离子(插层剂)交换金属离子，可使蒙脱土有机化。有机阳离子的作用主要有三个方面：(1)通过离子交换反应，将蒙脱土层间的金属离子置换出来，并形成离子键；(2)扩大蒙脱土层间的距离；(3)与高分子化合物有较强的结合力。
蒙脱土中常用的有机插层剂为季铵盐类表面活性剂，但经其改性后蒙脱土的层间距增大程度有限。
超支化表面活性剂是目前世界研究热点之一，而超支化季铵盐又是广义Gemini季铵盐的一种，其优异的性能吸引了无数人进行这方面的研究，并不断推出新的品种，开发出许多具有实际应用价值的新产品。
超支化季铵盐具有许多其他表面活性剂不具备的优异的性能：(1)具有极低的临界胶束浓度；(2)能和几乎所有常用阴离子表面活性剂混溶而不沉淀；(3)能和阴离子高分子聚合物混配而不沉淀；(4)耐酸、耐碱、耐盐；(5)在极低浓度下具有极好的杀菌能力；(6)极高的电荷密度和性能优良的乳化力。
李健婷等(超支化吉米奇(Gemini)季铵盐的合成、性能与应用，精细与专用化学品，2006，14：40-41.)以十二叔胺、环氧氯丙烷为原料，在80C反应4h先合成季铵盐，然后再在催化条件下，85℃反应8h聚合成超支化Gemini季铵盐。清华大学的曾红波等(CN1169863C)以双羟基或三羟基的叔胺为原料合成二官能度或三官能度卤代单季铵卤酸盐，然后以二氯乙烷作为萃取剂合成二官能度或三官能度卤代叔胺单体，最后加入沸石，加热回流反应，合成超支化聚季铵盐。苏州大学的张峰等(CN1394897)公开了一种端氨基超支化合物季铵盐及其制备方法。该方法采用端氨基超支化合物为母体，将其表面的氨基季铵化或接枝季铵盐侧链得到的聚季铵盐。制备方法为：将端氨基超支化合物溶解于去离子水中，再加入一定量的季铵化试剂，搅拌均匀后即可得到既具有超支化合物特征，同时又具有聚阳离子特征的聚季铵盐。江苏工业学院的翟光群等(CN101280032)公开了一种基于自缩合原子转移自由基(共)聚合制备超支化聚阳离子电解质的合成方法，其特征在于：利用含有季铵盐结构的引发型单体，通过其自身的水相自缩合原子转移自由基聚合，或与其它阳离子不饱和单体的水相原子转移自由基共聚合得到超支化聚阳离子电解质。上述论文和专利中的技术虽然能合成出超支化季铵盐，但其在蒙脱土等矿产资源的改性方面还未涉及，另外，超支化聚合物分子结构还不能完全满足有机硅类高分子材料用有机蒙脱土的应用要求，需要进行结构方面的重新设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种超支化季铵盐改性有机蒙脱土及其制备方法，以克服现有材料的缺陷。
本发明所说的超支化季铵盐改性有机蒙脱土的制备方法，包括如下步骤：
(1)超支化季铵盐的合成：
将有机化插层剂、超支化改性剂和催化剂，在N2保护下，于非极性溶剂中，120～150℃反应10～18h，然后抽真空以除去溶剂、未反应的超支化改性剂和催化剂，得超支化季铵盐；
所说的有机化插层剂选自二羟基季铵盐或二氨基季铵盐，优选的为双羟乙基十二烷基三甲基氯化铵、双羟基十八烷基二甲基苄基氯化铵、双羟基十八烷基三甲基溴化铵、双氨基十八烷基三甲基溴化铵或双氨基十八烷基二甲基苄基氯化铵等；
所述的超支化改性剂为含氢甲基硅二醇，其结构通式如下：
可采用美国道康宁公司牌号为PMX-0156的产品；
所述非极性溶剂选自己烷、乙醚、乙酸乙酯、氯仿、四氢呋喃、液状石蜡或植物油等；
所述催化剂为对甲苯磺酸、对甲苯磺酸吡啶嗡盐或2，5-二甲苯磺酸等；
有机化插层剂∶超支化改性剂∶催化剂＝1∶2～4∶0.2～0.4，摩尔比；
(2)超支化季铵盐改性有机蒙脱土的合成：
将步骤(1)获得的超支化季铵盐与无机蒙脱土混合，在N2保护下，加入乙醇的水溶液，加热至80～90℃，搅拌3～5h，然后收集其中的固体，即为所述的超支化季铵盐改性有机蒙脱土；
所说的无机蒙脱土可采用商业化的产品，如浙江丰虹粘土有限公司生产的SMP牌号的产品；
超支化季铵盐中，无机蒙脱土的浓度为0.5～1g/mL；
乙醇水溶液的体积浓度为50～95％，优选60～80％；
乙醇水溶液中，无机蒙脱土的浓度为1～1.25g/mL
本发明所制备的超支化季铵盐改性有机蒙脱土，片层的粒径分布均匀，且粒径分布范围为30～90nm，与硅橡胶等有机硅聚合物的相容性优异，可直接应用于聚合物加工过程中，无需繁琐的溶液或熔融插层，生产成本低、易于实施。
具体实施方式
实施例1
将1摩尔双羟乙基十二烷基三甲基氯化铵、2摩尔含氢甲基硅二醇和0.2摩尔对甲苯磺酸，于四颈烧瓶中，在N2保护下，于己烷溶剂中，120℃反应18h，然后抽真空以除去溶剂和未反应物质，得超支化季铵盐。
将100mL超支化季铵盐、50g无机蒙脱土，在N2保护下，加入50mL体积浓度为60％的乙醇水溶液，加热至90℃，搅拌3h，然后固液分离、洗涤，于60℃真空干燥4h，得超支化季铵盐改性有机蒙脱土。
采用《超支化聚合物》(谭惠民，罗运军编著，化学工业出版社，2004)报道的核磁共振法，测定超支化季铵盐的支化度，以四氢呋喃为溶剂。采用《聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践》(漆宗能，尚文宇编著，化学工业出版社，2002)报道的方法，采用小角衍射法测试有机蒙脱土的层间距，采用透射电镜法观察有机蒙脱土的粒子尺寸。见表1。
实施例2
将1摩尔双羟基十八烷基二甲基苄基氯化铵、3摩尔含氢甲基硅二醇和0.3摩尔对甲苯磺酸吡啶嗡盐，于四颈烧瓶中，在N2保护下，于己烷溶剂中，135℃反应15h，然后抽真空以除去溶剂和未反应物质，得超支化季铵盐。
将100mL超支化季铵盐、75g无机蒙脱土，在N2保护下，加入65mL体积浓度为70％的乙醇水溶液，加热至85℃，搅拌4h，然后固液分离、洗涤，于70℃真空干燥3h，得超支化季铵盐改性有机蒙脱土。
超支化季铵盐的支化度、有机蒙脱土的层间距及其尺寸，见表1。
实施例3
将1摩尔双氨基十八烷基二甲基苄基氯化铵、4摩尔含氢甲基硅二醇和0.4摩尔2，5-二甲苯磺酸，于四颈烧瓶中，在N2保护下，于己烷溶剂中，150℃反应10h，然后抽真空以除去溶剂和未反应物质，得超支化季铵盐。
将100mL超支化季铵盐、100g无机蒙脱土，在N2保护下，加入80mL体积浓度为80％的乙醇水溶液，加热至80℃，强力搅拌5h，然后固液分离、洗涤，于80℃真空干燥2h，得超支化季铵盐改性有机蒙脱土。
超支化季铵盐的支化度、有机蒙脱土的层间距及其尺寸，见表1。
表1超支化季铵盐的支化度、有机蒙脱土的层间距及其尺寸
  实施例   支化度   层间距   平均粒径(nm)
  1   0.3-0.5   无限大，剥离   30-50
  2   0.5-0.7   无限大，剥离   50-70
  3   0.7-0.9   无限大，剥离   70-90

Claims (10)

1.超支化季铵盐改性有机蒙脱土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将有机化插层剂、超支化改性剂和催化剂，在N2保护下，于非极性溶剂中，120～150℃反应10～18h，然后收集其中的超支化季铵盐；
(2)将步骤(1)获得的超支化季铵盐与无机蒙脱土混合，在N2保护下，加入乙醇的水溶液，然后加热至80～90℃，搅拌3～5h，然后收集其中的超支化季铵盐改性有机蒙脱土。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的有机化插层剂选自二羟基季铵盐或二氨基季铵盐。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所说的有机化插层剂选自双羟乙基十二烷基三甲基氯化铵、双羟基十八烷基二甲基苄基氯化铵、双羟基十八烷基三甲基溴化铵、双氨基十八烷基三甲基溴化铵或双氨基十八烷基二甲基苄基氯化铵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的超支化改性剂为含氢甲基硅二醇。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非极性溶剂选自己烷、乙醚、乙酸乙酯、氯仿、四氢呋喃、液状石蜡或植物油。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为对甲苯磺酸、对甲苯磺酸吡啶嗡盐或2，5-二甲苯磺酸。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有机化插层剂∶超支化改性剂∶催化剂＝1∶2～4∶0.2～0.4，摩尔比。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超支化季铵盐中，无机蒙脱土的浓度为0.5～1g/mL；乙醇水溶液的体积浓度为50～95％；乙醇水溶液中，无机蒙脱土的浓度为1～1.25g/mL。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，乙醇水溶液的体积浓度优选60～80％。
10.根据权利要求1～9任一项所述的方法制备的超支化季铵盐改性有机蒙脱土。
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