CN102963898A - 一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,包括以下步骤:(1)按重量份数计算,取硅烷偶联剂分散于乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,并用乙醇洗涤,再将固体产物在真空干燥,获得偶联剂接枝改性蒙脱土;(2)取偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入长链烷基季铵盐或季磷盐,将它们加入到超临界CO2反应釜中,反应后取出反应物;先用去离子水洗涤反应物至加入硝酸银溶液无沉淀产生,然后用无水乙醇洗涤,干燥后即得到双官能团有机改性蒙脱土。本发明不仅进一步扩大了蒙脱土的层间距,而且引入的硅烷偶联剂末端功能基团与聚合物之间特异性反应能增加蒙脱土与聚合物之间的相容性。

Description

一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料科学领域,尤其是一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法。
背景技术
[0002] 蒙脱土属2 : I型层状硅酸盐,其结构单元主要是由一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构,两四面体与嵌于其间的八面体通过共用氧原子形成,形成厚O. 96 nm,宽厚比约100-1000高度有序的准二维晶片。蒙脱土 /聚合物纳米复合材料兼具有机高分子材料和无机材料的特点,比常规聚合物基材表现出更优异的 力学性能、热性能等。但是这些优异的性能往往来自于蒙脱土在聚合物中纳米尺寸的分散和两者之间强的界面相容性。因此,在与聚合物进行共混前通常需要对蒙脱土进行有机化改性。
[0003]目前大部分的研究通过采用阳离子的季铵盐对蒙脱土进行有机化插层改性来提高其与聚合物基体之间的相容性。也有报道通过在聚合物基体中引入极性功能基团如马来酸酐来增加相容性。但是,所用改性剂的单一性限制了它们的应用。近年来,有研究者YoonJS 等(参见 Macromolecular Rapid Communications, 2005, 26, 183)报道将娃烧偶联剂引入有机蒙脱土进行有机化改性,硅烷偶联剂末端官能团能与聚合物基体之间产生特异性相互作用,增加蒙脱土与聚合物之间的界面相容性,扩大有机蒙脱土的应用范围。与未用偶联剂改性的蒙脱土相比,偶联剂改性蒙脱土 /聚合物纳米复合材料的性能显著增强,研究结果证实主要是由于改性蒙脱土与聚合物之间相容性增强的结果。但是该方法是直接选用商业化的有机蒙脱土进行硅烷偶联剂改性,选用的原料价格昂贵,对实际生产应用指导意义不大。
[0004] 此外,有机季铵盐插层一般采用溶液或熔融聚合的方法,但均有一定的局限性。溶液插层中大量有机溶剂的引入不易回收,带来环境污染问题,且一般反应时间较长。而熔融插层中高温可能引起季铵盐的降解,造成有机化改性达不到预期效果。通过超临界CO2反应法制备有机蒙脱土能直接得到超细粉末,且CO2具有来源广泛、廉价易得,无毒阻燃,反应条件适中,反应时间短等优点,因而近年来得到越来越广泛的应用。
发明内容
[0005] 本发明的目的是:提供一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,它能增加蒙脱土与聚合物之间的相容性,扩大有机蒙脱土的使用范围,同时实现插层过程的绿色环保,以克服现有技术的不足。
[0006] 本发明是这样实现的:双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,包括以下步骤:(1)按重量份数计算,取35〜90份硅烷偶联剂分散于乙醇和水的混合溶液中水解4小时,乙醇和水的质量比为9:1,然后加入100份蒙脱土,在70〜90°C的温度下加热回流24小时,获得偶联剂接枝改性蒙脱土 ;(2)取100份偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入30〜90份长链烷基季铵盐或季磷盐,将它们加入到超临界CO2反应釜中,在温度为40〜80°C、压力为20MPa的条件下反应2小时后,取出反应物;将反应物洗涤至加入硝酸银溶液无沉淀产生,即得到双官能团有机改性蒙脱土。
[0007] 所述的硅烷偶联剂的结构式为:
Figure CN102963898AD00041
所述的长链烷基季铵盐或季磷盐的结构式为:
Figure CN102963898AD00042
其中M为N或P, R为甲基或己基或苯基,R’为甲基或己基或苯基或轻乙基,η为12-14。
[0008] 在乙醇和水的混合溶液中还加入醋酸,使该混合溶液的PH为3. 5〜4. 5。酸性环境下,能使反应进行得更充分。
[0009] 与现有技术相比,本发明通过对蒙脱土在硅烷偶联剂接枝改性的基础上进行季磷盐插层,不仅进一步扩大了蒙脱土的层间距,而且引入的硅烷偶联剂末端功能基团与聚合物之间特异性反应能增加蒙脱土与聚合物之间的相容性,扩大了有机蒙脱土的应用范围,能有效提高有机蒙脱土的热稳定性;由于磷的原子半径大于氮原子,能进一步增大蒙脱土的层间距,层间距可达2. 4nm,本发明采用超临界CO2方法对硅烷偶联剂接枝改性的蒙脱土进行插层改性,制备过程简单,反应时间短,避免了有毒有机溶剂的使用,是一种绿色高效的插层改性方法。。本发明的制备方法工艺简单、易操作,非常适宜工业化生产。
附图说明
[0010] 附图I为实施例I-实施例5的XRD图。
具体实施方式
[0011] 实施例I :双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取35份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在70°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 23mmol/g;(2)取100份制备好的偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入30份十四烷基三甲基溴化铵,将它们加入到IL的超临界CO2反应釜中,在温度为40°C、压力为20MPa的条件下,通入二氧化碳搅拌,反应2小时后,排出反应釜中的气体,取出反应物;先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,。得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为14. 91%,层间距为I. 78nm。
[0012] 实施例2 :双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸 馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取90份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在70°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 41mmol/g;(2)取100份制备好的偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入90份三苯基羟乙基氯化磷,将它们加入到IL的超临界C02反应釜中,在温度为40°C、压力为20MPa的条件下,通入二氧化碳搅拌,反应2小时后,排出反应釜中的气体,取出反应物;先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,。得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为20. 02%,层间距为I. 79nm。
[0013] 本发明的实施例3 :双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取90份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在70°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 41mmol/g ; (2)取100份制备好的偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入68. 5份十四烷基三己基氯化磷,将它们加入到IL的超临界C02反应釜中,在温度为80°C、压力为20MPa的条件下,通入二氧化碳搅拌,反应2小时后,排出反应釜中的气体,取出反应物;先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为25. 1%,层间距为2. 30nm。
[0014] 实施例4 :双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取90份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在90°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 44mmol/g;(2)取100份制备好的偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入68. 5份十四烷基三己基氯化磷,将它们加入到IL的超临界C02反应釜中,在温度为40°C、压力为20MPa的条件下,通入二氧化碳搅拌,反应2小时后,排出反应釜中的气体,取出反应物;先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为28. 83%,层间距为2. 40nm。
[0015] 实施例5 :双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取70份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在90°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 39mmol/g;(2)取100份制备好的偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入30份十四烷基三甲基溴化铵,将它们加入到IL的超临界C02反应釜中,在温度为40°C、压力为20MPa的条件下,通入二氧化碳搅拌,反应2小时后,排出反应釜中的气体,取出反应物;先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为18. 0%,层间距为I. 75nm。 除了以上实施例中所采用的硅烧偶联剂外,当硅烷偶联剂中取代 基X为一NH2或一时,对蒙脱土的改性效果和取代基
Figure CN102963898AD00061
[0016] 另外,为了与现有技术进行对比,采用现有技术的方案进行了 3个对比例子 对比例I:
将100份钠基蒙脱土和68. 5份作为插层剂的十四烷基三甲基溴化铵加入到IL的高压反应釜中。设定反应温度40°C,通入二氧化碳搅拌,使反应釜中的压强达到20MPa。反应2h,排出反应釜中的气体,然后取出样品。先用水洗涤至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生,再用无水乙醇洗涤。季铵盐插层改性有机蒙脱土,其中插层剂负载量为12. 2%,层间距为 I. 60nm。
[0017] 对比例2:
按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取90份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在90°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 44mmol/g ; (2)将100份硅烷偶联剂接枝改性蒙脱土分散到1000份的水中,加热到60°C,搅拌4h,加入68. 5份的10%十四烷基三甲基溴化铵溶液,继续恒温搅拌6h,将反应物抽滤,得到白色沉淀物,洗涤至滴加O. lmol/L的AgN03没有沉淀产生。得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为10. 28%,层间距为I. 72nm。
[0018] 对比例3:
按重量份数计算,将1800份无水乙醇和200份蒸馏水进行混合,配得乙醇和水的混合溶液,向混合溶液中加入醋酸,使混合溶液的PH值为4 ;取90份硅烷偶联剂KH560分散于该乙醇和水的混合溶液中水解4小时,然后加入100份蒙脱土,在90°C的温度下加热回流24小时,将加热回流得到的产物在室温下过滤,并用乙醇多次洗涤,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土,其中硅烷偶联剂接枝量为O. 44mmol/g ; (2)将100份硅烷偶联剂接枝改性蒙脱土和68. 5份作为插层剂的十四烷基三甲基氯化铵加入到IL的高压反应釜中。设定反应温度40°C,通入二氧化碳搅拌,使反应釜中的压强达到20MPa。反应2h,排出反应釜中的气体,然后取出样品。先用水洗,至加入O. lmol/L的硝酸银溶液无沉淀产生,然后用无水乙醇洗涤。得双官能团有机改性蒙脱土,其中插层剂负载量为28. 83%,层间距为2. 40nm。
[0019] 各实 施例层间距大小由图I中XRD结果根据布拉格方程(ηλ =2dsin )计算得至IJ。由计算结果可知,实施例3及实施例4是5个实施例中,效果最理想 的两个。

Claims (4)

1. 一种双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)按重量份数计算,取35〜90份硅烷偶联剂分散于乙醇和水的混合溶液中水解4小时,乙醇和水的质量比为9:1,混合溶液为2000份,然后加入100份蒙脱土,在70〜90°C的温度下加热回流24小时,在室温下过滤,并用乙醇洗涤四次,再将固体产物在90°C下真空干燥24h,获得偶联剂接枝改性蒙脱土 ;(2)取100份偶联剂接枝改性蒙脱土,向偶联剂接枝改性蒙脱土中加入30〜90份长链烷基季铵盐或季磷盐,将它们加入到超临界CO2反应釜中,在温度为40〜80°C、压力为20MPa的条件下反应2小时后,取出反应物;先用去离子水洗涤反应物至加入硝酸银溶液无沉淀产生,然后用无水乙醇洗涤,90° C干燥24小时,即得到双官能团有机改性蒙脱土。
2.根据权利要求I所述的双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,其特征在于:所述的硅烷偶联剂的结构式为:
Figure CN102963898AC00021
其中 R 为一叫或一CHiCHi, V 为—0Z^-A),-NHi, —NH—CH2CH2——NH2 , —OCH(O)C(CHj)CHi 或长链烷基。
3.根据权利要求I所述的双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,其特征在于:所述的长链烷基季铵盐或季磷盐的结构式为:
Figure CN102963898AC00022
其中M为N或P,R为甲基或己基或苯基,R’为甲基或己基或苯基或轻乙基,n为12〜14。
4.根据权利要求I所述的双官能团有机改性蒙脱土的制备方法,其特征在于:在乙醇和水的混合溶液中还加入醋酸,使该混合溶液的pH为3. 5〜4. 5。
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