CN105646942A - 一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法，该制备方法是将木质素溶于NaOH水溶液中，加入木质素的阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在25-80℃条件下反应1-24小时，得木质素衍生物的水溶液；将层状硅酸盐加入到去离子水中配制成0.5-10wt％的水溶液，搅伴0.5-1小时；加入木质素衍生物的水溶液，调节溶液的pH值为2-10，在25-80℃的条件下搅伴1-72小时，得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。本发明采用木质素剥离层状硅酸盐，相对与其它改性剂而言，廉价易得，不仅减少了木质素对环境造成的污染，而且降低了聚合物的成本，赋予复合材料优良的力学性能及抗老化、抗紫外及阻燃等性能。

Description

一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种层状硅酸盐,具体涉及一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法，属于纳米材料领域。
背景技术
木质素是自然界中第一大可再生的芳香族天然高分子，木质素的衍生物---硫酸盐木质素及木质素磺酸盐是主要的两大工业木质素，但由于其高热含量常被用作燃料而未体现其真正的潜力。
纳米材料由于其特殊的性质在聚合物复合材料等领域有着广泛的应用，除了具有显著的增强效应以外，还能赋予聚合物其它优异特性，如导电性、导热性、阻隔性、阻燃性等。在众多的纳米材料中，层状硅酸盐由于其廉价易得，且结构特殊，被誉为21世纪最有前途的材料之一。层状硅酸盐是指一类具有2：1型片层结构且片层堆叠在一起的黏土矿物。每层薄片由两层硅氧四面体和夹在中间的一层铝氧或镁氧八面体组成，厚度大约为1nm，片层的横向尺寸可到达100-1000nm。片层之间具有可交换的阳离子，如Na+、K+、Ca2+等，这些阳离子容易被有机阳离子或阳离子染料置换，使得层状硅酸盐由亲水性变为疏水性。
层状硅酸盐常被用作聚合物的增强填料而促进其力学、热性能及阻隔性能，但这些性能主要取决于层状硅酸盐在聚合物基体的分散状态，通常层状硅酸盐很难通过简便的方法形成完全剥离的纳米片。为了获得性能优异的复合材料，通常采用各种有机改性剂(如有机季铵盐、有机季膦盐、硅烷偶联剂等)对层状硅酸盐进行疏水改性，以提高其与聚合物基体的相容性，从而期望在与聚合物复合的过程中达完全剥离的状态。一般而言，这些有机改性的层状硅酸盐可通过熔融插层、溶液插层、乳液插层等方法与聚合物复合制备纳米复合材料。事实上，有研究报道将未改性的层状硅酸盐通过这些方法制备纳米复合材料，但只有极少数的聚合物能使未改性的层状硅酸盐完全剥离。即便是有机改性的层状硅酸盐采用上述方法与聚合物复合，所得的复合材料也很难形成完全剥离的结构，大多数情况下是插层型的。在这些制备方法中，熔融插层法由于聚合物分子量很大，难以完全进入层状硅酸盐的层间，使得层间膨胀不够，剥离的比例较小，故很难得到理想的纳米复合材料。而溶液插层法与熔融插层法一样具有这样的问题。并且，此方法采用有机溶剂，从环境和经济性的角度而言，溶液插层法并不适合工业化应用。而乳液插层法制备层状硅酸盐/聚合物复合材料时，需要考虑到乳液粒径、搅伴速度、温度等因素。这对制备工艺的控制要求较高，而且此方法也不能得到完全剥离的纳米复合材料。
发明内容
本发明针对现有技术的问题，提供一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法，形成以单片层稳定分散于水中的硅酸盐胶体。
本发明为了使得层状硅酸盐在聚合物基体中形成完全剥离的结构，采用木质素衍生物剥离层状硅酸盐，使其形成以单片层稳定分散于水中的硅酸盐胶体，该胶体与聚合物复合时易形成完全剥离型的层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料。此方法结合了有机改性剂改性层状硅酸盐及乳液插层法的优点，过程简单，由于采用木质素衍生物改性层状硅酸盐，不仅有利于减少木质素对环境造成的污染，而且廉价易得。
环氧丙基三甲基氯化铵是一种阳离子醚化剂，可使木质素阳离子化，从而有利于木质素与层状硅酸盐的作用。本发明使用环氧丙基三甲基氯化铵作为木质素的阳离子醚化剂，制得的阳离子化的木质素作为吸附质可交换层状硅酸盐层间的金属阳离子，这种阳离子化木质素修饰的层状硅酸盐杂化材料能稳定分散于水溶液中。
一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，包括以下步骤和工艺条件：
第一步，制备木质素衍生物：将木质素溶于NaOH水溶液中，加入木质素的阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在25-80℃条件下反应1-24小时，得木质素衍生物的水溶液；
第二步，制备由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐胶体：将层状硅酸盐加入到去离子水中配制成0.5-10wt％的水溶液，搅伴0.5-1小时；加入木质素衍生物的水溶液，调节溶液的pH值为2-10，在25-80℃的条件下搅伴1-72小时，得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
为进一步实现本发明的目的，优选地，第一步中，每克木质素加入1-400ml的NaOH水溶液；所述NaOH水溶液的浓度为0.5-2mol/L。
优选地，第一步中，每克木质素加入环氧丙基三甲基氯化铵10-200mmol。
优选地，所述木质素衍生物与层状硅酸盐的质量比为1:1-10:1。
优选地，所述木质素为工业碱木质素、硫酸盐木质素、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、木质素磺酸镁、乙酸木质素和高沸醇木质素中的一种或多种。
优选地，所述层状硅酸盐为钠基蒙脱土、钙基蒙脱土、高岭土或陶土。
一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐，由上述制备方法制得。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1)本发明采用阳离子化的木质素作为层状硅酸盐的改性剂，不仅能使层状硅酸盐在水介质中完全剥离成单片层，从而具备了在聚合物基体中完全剥离的条件。
2)本发明采用的阳离子醚化剂---环氧丙基三甲基氯化铵可实现木质素的阳离子化，从而作为吸附质交换层状硅酸盐层间的阳离子，这种阳离子化的木质素修饰的层状硅酸盐杂化材料能稳定分散于水溶液中。
3)本发明木质素的亲有机性可使其成为硅酸盐片层与聚合物基体的界面相容剂，进一步提高聚合物性能。
4)本发明采用木质素剥离层状硅酸盐，相对与其它改性剂而言，廉价易得，不仅减少了木质素对环境造成的污染，而且降低了聚合物的成本，赋予复合材料优良的力学性能及抗老化、抗紫外及阻燃等性能。
附图说明
图1为实施例1制备的稳定分散于水中的木质素衍生物剥离的层状硅酸盐胶体的照片。
图2为实施例1中蒙脱土(a)、木质素(b)及木质素与蒙脱土质量比分别为(c)0.1:1，(d)0.2:1，(e)0.4:1，(f)0.8:1，(g)2:1，(h)4:1，(i)6:1和(j)8:1的木质素改性层硅酸盐胶体的XRD曲线。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
第一步，将20g碱木质素溶于200ml的浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，再向其中滴加入80mmol阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在50℃条件下反应20小时，即得木质素衍生物的水溶液。
第二步，将10g钠基蒙脱土分散于500g去离子水中，搅伴0.5小时，然后向蒙脱土悬浮液中加入第一步所得的木质素衍生物的水溶液，调节溶液pH值到3，在50℃条件下反应48小时，即得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
图1为pH＝3条件下制备的稳定分散于水中的木质素衍生物剥离的层状硅酸盐胶体的照片。图2为pH＝3时木质素衍生物与蒙脱土质量比分别为(c)0.1:1，(d)0.2:1，(e)0.4:1，(f)0.8:1，(g)2:1，(h)4:1，(i)6:1和(j)8:1的木质素改性层硅酸盐胶体的XRD曲线，图2中，(a)为蒙脱土的XRD曲线，(b)为木质素的XRD曲线。当木质素与蒙脱土质量比大于1:1后，蒙脱土的晶面间距大于4.41nm，意味着此时的木质素-蒙脱土杂化体处于完全剥离状态(当层状硅酸盐的晶面间距大于4nm时为完全剥离状态)。
将由木质素衍生物剥离的单片层状硅酸盐胶体(木质素-蒙脱土质量为2:1)与天然橡胶胶乳混合(天然橡胶胶乳配方：天然橡胶100phr，改性蒙脱土变量，其加入量见表1所示，氧化锌5phr，硬脂酸2phr，促进剂CZ1.5phr，促进剂DM0.5phr，硫磺1.5phr；硫化条件143℃×T90)，经絮凝、水洗、干燥，最后与橡胶配合剂混炼、硫化，即得层状硅酸盐/橡胶纳米复合材料，该复合材料与没加入木质素衍生物改性蒙脱土的天然橡胶相比，定伸强度、拉伸强度、撕裂强度、硬度均得到了提高，具有优良的力学性能，且随着木质素衍生物剥离的单片层状硅酸盐用量的加入，复合材料的定伸强度、拉伸强度、撕裂强度、硬度逐渐提高，扯断伸长率虽然有所下降，但始终保持在600％以上(如表1所示)。
表1木质素衍生物剥离的层状硅酸盐/天然橡胶纳米复合材料的物理机械性能
实施例2
第一步，将30g硫酸盐木质素溶于100ml浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，再向其中滴加入150mmol阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在40℃条件下反应18小时，即得木质素衍生物的水溶液。
第二步，将15g钙基蒙脱土分散于500g去离子水中，搅伴1小时，然后向蒙脱土悬浮液中加入第一步所得的木质素衍生物水溶液，调节溶液pH到7，在50℃条件下反应24小时，即得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
实施例3
第一步，将30g木质素磺酸钙溶于250ml浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，再向其中滴加入60mmol阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在75℃条件下反应10小时，即得木质素衍生物的水溶液。
第二步，将30g钠基蒙脱土分散于500g去离子水中，搅伴0.5小时，然后向蒙脱土悬浮液中加入第一步所得的木质素衍生物水溶液，调节溶液pH到5，在70℃条件下反应72小时，即得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
实施例4
第一步，将50g木质素磺酸钠溶于400ml浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，再向其中滴加入200mmol阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在25℃条件下反应24小时，即得木质素衍生物的水溶液。
第二步，将10g高岭土分散于500g去离子水中，搅伴0.5小时，然后向高岭土悬浮液中加入第一步所得的木质素衍生物水溶液，调节溶液pH到2，在25℃条件下反应72小时，即得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
实施例5
第一步，将20g乙酸木质素溶于200ml浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，再向其中滴加入100mmol阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在50℃条件下反应24小时，即得木质素衍生物的水溶液。
第二步，将20g陶土分散于500g去离子水中，搅伴0.5小时，然后向陶土悬浮液中加入第一步所得的木质素衍生物水溶液，调节溶液pH到8，在50℃条件下反应48小时，即得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
实施例2-5的应用结果与实施例1相当，不一一列举。
上述实施例是为说明本发明方法的具体举例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于包括以下步骤和工艺条件：
第一步，制备木质素衍生物：将木质素溶于NaOH水溶液中，加入木质素的阳离子醚化剂环氧丙基三甲基氯化铵，在25-80℃条件下反应1-24小时，得木质素衍生物的水溶液；
第二步，制备由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐胶体：将层状硅酸盐加入到去离子水中配制成0.5-10wt％的水溶液，搅伴0.5-1小时；加入木质素衍生物的水溶液，调节溶液的pH值为2-10，在25-80℃的条件下搅伴1-72小时，得稳定分散于水中的单片层硅酸盐胶体。
2.根据权利要求1所述的由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于，第一步中，每克木质素加入1-400ml的NaOH水溶液；所述NaOH水溶液的浓度为0.5-2mol/L。
3.根据权利要求1所述的由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于，第一步中，每克木质素加入环氧丙基三甲基氯化铵10-200mmol。
4.根据权利要求1所述的由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于，所述木质素衍生物与层状硅酸盐的质量比为1:1-10:1。
5.根据权利要求1所述的由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于，所述木质素为工业碱木质素、硫酸盐木质素、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、木质素磺酸镁、乙酸木质素和高沸醇木质素中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，其特征在于，所述层状硅酸盐为钠基蒙脱土、钙基蒙脱土、高岭土或陶土。
7.一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐，其特征在于其由权利要求1-6任一项所述制备方法制得。
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