CN104445240B - 凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法，它是将凹凸棒石黏土与占其质量2-80%的阳离子有机化合物混合并研磨处理后，按固液比1:200~1:10分散在水中，超声处理5-60min，再加入助剂，调pH值为5-12，转入水热反应釜中在压力2-10MPa、温度80~300℃条件下反应14~72h，反应产物经分离、洗涤、干燥和粉碎处理，得到具有纳米棒/层混维构型的有机化纳米材料。本发明通过水热反应促使一维纳米棒向二位纳米层转变并实现原位有机化，制备工艺简单，棒/层比例和有机度可控，用于霉菌毒素吸附和功能载体悬浮等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法，属于天然非金属矿深加工和纳米材料合成技术领域。
背景技术
有机化纳米硅酸盐黏土矿物由于具有优异的化学稳定性、绝缘性、阻透性、相容性、吸附性和补强性，在功能吸附剂、纳米复合材料、载体、悬浮剂等诸多领域获得广泛应用，成为现代工业中不可或缺的基础材料或助剂之一。但硅酸盐黏土矿物呈亲水性，制约了其在很多领域中的应用。因此，必须进行有机化处理改善其疏水性能，从而拓展其应用领域。
中国专利CN103011184A公开了一种表面带有芳叔胺结构的凹凸棒石粒子的制备方法，首先将原矿分散在水中，加入六偏磷酸钠分散，搅拌，洗涤，干燥后得到纯化凹凸棒石；然后将纯化凹凸棒石酸化，再用伯氨基硅烷改性，最后用希夫碱反应引入芳叔胺结构，得到功能化凹凸棒石。中国专利CN102424395A公开了一种含氟阴离子表面活性剂有机化凹凸棒石的制备方法，分别采用制浆分散-调pH值-与表面活性剂反应3步得到了有机化凹凸棒石。中国专利CN102583419A公开了一种利用脂肪胺有机改性蒙脱石的方法，首先将蒙脱石制备成分散液，脂肪胺酸化，然后将二者混合，在加热条件下插层，最后用大量水洗涤得到有机化蒙脱石。中国专利CN103433003A公开了一种环糊精有机化改性蒙脱石的方法，首先将马来酸酐和环糊精聚合物通过酰胺化反应接入多巴胺，然后利用多巴胺与蒙脱石上的羟基反应形成有机化蒙脱石。经过有机改性的硅酸盐黏土矿物，表现出较原矿更好的疏水性或悬浮性，但仍存在改性方法繁琐、成本高等不足。
通过原位合成方法获得有机化纳米材料因具有简单、高效、环保的优势而备受关注。在文献（BisioCetal.,One-potsynthesisandphysicochemicalpropertiesofanorgano-modifiedsaponiteclay.Langmuir,2011;27(11):7250-7）中报道了利用无机盐原位法一步合成有机化皂石的研究。近年来，具有纳米棒/纳米层混维结构的有机化纳米黏土由于集成了一维和二维纳米材料的优势，在吸附、胶体、载体和补强等方面展现出广阔应用前景，但目前主要以物理混合的方法制备，尚没有利用纳米棒原位转化制备具有纳米棒/纳米层结构有机化混维纳米材料的先例。凹凸棒石是一种一维纳米含水富镁、铝硅酸盐黏土矿物，具有独特的纳米棒状形态和贯穿的纳米孔道结构。我们曾利用水热法实现了凹凸棒石的晶型转变（专利CN103708483A），在此基础上我们又探索了在水热反应和有机分子共同作用下，凹凸棒石纳米棒选择性向纳米层转变并原位有机化的方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法，采用水热反应和有机分子相互作用，在一维凹凸棒石纳米棒向二维纳米层转变的同时原位实现有机化，提升其在霉菌毒素吸附和功能载体悬浮等领域的应用性能。
本发明的技术解决方案是：它是将凹凸棒石与占其质量2%-80%的有机化合物混合并研磨10-60min后，按固液比1:200~1:10分散在水中，超声处理5-60min，再加入助剂，调pH值为5-12，转入水热反应釜中在压力2-10MPa、温度80~250℃条件下反应14~72h，反应产物经分离、洗涤，干燥、粉碎，得到有机化混维纳米材料。
其中，所述有机分子为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、双十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、苄基三甲基溴化铵、四庚基溴化铵、四丙级溴化铵、四丁基溴化铵、苄基三丁基溴化铵、四乙基溴化铵、苯基三甲基溴化铵、甜菜碱、阳离子瓜尔胶、季铵化壳聚糖中的一种。
其中，反应过程中所添加助剂为乙醇胺、乙酰胺、甲酰胺、四甲基乙二胺、偏铝酸钠、偏铝酸钾、硅酸钾、硅酸钠、硫化钾或硫化钠，加入量为凹凸棒石质量的0.05~5%（质量分数）。
其中，反应结束后的反应产物依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子。
与现有方法相比，本发明具有以下优点：
1、以天然凹凸棒石为原料，通过一步水热反应实现晶格转变和原位有机化，得到具有棒/层混维构型的有机化纳米材料。
2、该制备方法工艺简单，过程易于控制，产品质量稳定，可用于霉菌毒素吸附和功能载体悬浮等领域。
附图说明
图1为凹凸棒石和有机化混维纳米材料的透射电镜（TEM）图，OC1-2代表不同条件下制备的有机化混维纳米材料。
图2为凹凸棒石和有机化混维纳米材料的XRD图谱。
图3为凹凸棒石和有机化混维纳米材料的热重（TG）曲线。
图4为凹凸棒石和有机化混维纳米材料的红外光谱（FTIR）图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术解决方案做进一步说明，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
实施例1：将100g凹凸棒石与2g十六烷基三甲基溴化铵混合均匀，研磨60min后分散在1000mL水中，加入0.05g乙醇胺，调pH值为5，超声处理60min，置于1.5L压力可调水热反应釜中在压力10MPa、温度80℃条件下反应14h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥，粉碎过200目筛，得到灰色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到82%，与凹凸棒石（14%）相比提高了5.86倍。
实施例2：将5g凹凸棒石与4g苄基三甲基溴化铵混合均匀，研磨10min后分散在1000mL水溶液中，加入0.25g助剂甲酰胺，调pH值为8，超声5min处理后，置于1.5L可调耐压反应釜中在压力2MPa、温度180℃条件反应72h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥、粉碎过200目筛，得到灰白色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到85%，与凹凸棒石（14%）相比提高了6.07倍。
实施例3：将50g凹凸棒石与25g十二烷基三甲基氯化铵混合均匀，研磨30min后分散在1000mL水溶液中，加入0.05g助剂硫化钠，调pH值为12，超声30min分散均匀后，置于1.5L可调耐压反应釜中在压力5MPa、温度250℃条件反应72h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥，粉碎过200目筛，得到白色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到88%，与凹凸棒石（14%）相比提高了6.29倍。
实施例4：将25g凹凸棒石与2.5g甜菜碱混合均匀，研磨10min后分散在1000mL水溶液中，加入1.25g助剂乙酰胺，调pH值为10，超声10min处理后，置于1.5L可调耐压反应釜中在压力3MPa、温度160℃条件反应48h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥，粉碎过200目筛，得到米白色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到90%，与凹凸棒石（14%）相比提高了6.43倍。
实施例5：将10g凹凸棒石与8g季铵化壳聚糖混合后，研磨60min后分散在1000mL水溶液中，加入0.5g助剂偏铝酸钠，调pH值为12，超声处理20min后，置于1.5L可调耐压反应釜中在压力10MPa、温度130℃条件反应14h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥，粉碎过200目筛，得到白色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到92%，与凹凸棒石（14%）相比提高了6.57倍。
实施例6：将100g凹凸棒石与5g四丙级溴化铵混合后，研磨60min后分散在1000mL水溶液中，加入0.01g助剂硅酸钠，调pH值为11，超声处理30min后，置于1.5L可调耐压反应釜中在压力5MPa、温度180℃条件反应14h，自然降温后，分离，依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子，干燥，粉碎过200目筛，得到白色有机化混维纳米材料。对玉米赤霉烯酮的吸附率达到80%，与凹凸棒石（14%）相比提高了5.71倍。
本发明产品的结构表征：通过透射电子显微镜（TEM）、X-射线粉末衍射（XRD）、热重分析（TG）和红外光谱（FTIR）证实凹凸棒石和有机化混维纳米材料的结构和形态。从附图1可以看出，凹凸棒石为纳米棒状结构，经本发明所述方法处理后，棒状晶体比例减少，片状晶体比例增加，同时在棒晶表面和片状晶体表面覆盖有有机物层，形成了有机化混维纳米材料。从附图2可以看出，原凹凸棒石在2θ=8.38°和2θ=13.85°处分别出现了110和200晶面的特征衍射峰，经过本发明所述方法处理后，凹凸棒石的这两个特征衍射峰明显减弱，未加有机分子时，在2θ=5.74°处出现了镁皂石的001晶面特征峰；加入有机分子后，该峰位移至2θ=4.72°（OC-1）和2θ=4.78°（OC-2）处，说明形成了有机插层复合物。从附图3中可以看出，有机纳米混维材料失重率明显高于原凹凸棒石。附图4在红外光谱图中在2920cm-1处也可以观察到明显的有机分子的特征峰，说明形成了有机化混维纳米材料。
Claims (2)
1.凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法，其特征在于：它是将凹凸棒石与占其质量2-80%的有机化合物混合并研磨处理10-60min后，按固液比1:200~1:10分散在水中，超声处理5-60min，再加入助剂，调pH值为5-12，转入水热反应釜中在压力为2-10MPa、温度为80~250℃条件下水热反应14~72h，反应产物经分离、洗涤、干燥、粉碎，得到具有纳米棒/层混维构型的有机化纳米材料；所述有机化合物为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、双十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、苄基三甲基溴化铵、四庚基溴化铵、四丙级溴化铵、四丁基溴化铵、苄基三丁基溴化铵、四乙基溴化铵、苯基三甲基溴化铵、甜菜碱、阳离子瓜尔胶、季铵化壳聚糖中的一种；反应过程中所添加助剂为乙醇胺、乙酰胺、甲酰胺、四甲基乙二胺、偏铝酸钠、偏铝酸钾、硅酸钾、硅酸钠、硫化钾或硫化钠，加入量为凹凸棒石质量的0.05~5%质量分数。
2.根据权利要求1所述的凹凸棒石原位制备有机化混维纳米材料的方法，其特征在于：反应结束后的反应产物依次用水和乙醇洗涤未与混维纳米材料结合的有机分子。
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