CN110127713A - 一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法 - Google Patents
一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高岭石插层复合物的制备领域,具体涉及一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法。所述的方法除包括插层反应外还包括预酸洗。所述的预酸洗为将甲醇/高岭石层间接枝复合物与酸混合加热,再离心,然后用甲醇洗涤、离心。本发明预酸洗后,将所得离心沉淀物与阳离子型有机分子进行插层反应,成功制备得到了阳离子型有机分子/高岭石插层复合物,解决了阳离子型有机分子无法插层酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的问题。同时,此工艺对高岭石的插层反应机理具有重要的研究意义。
Description
技术领域
本发明属于高岭石插层复合物的制备领域,具体涉及一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法。
背景技术
高岭石作为一种储量丰富、价格低廉的非金属粘土矿物,在负载、催化、涂料、橡塑填料等领域都有广泛的应用。其结构是典型的1:1型层状硅酸盐矿物,两个相邻的片层之间通过氢键牢固结合在一起,导致高岭石剥片困难。
刘钦甫等人,以DMSO、尿素、N-甲基甲酰胺插层高岭石复合物为前驱体,将前驱体与甲醇按照质量1:10混合搅拌,在室温下搅拌16天,每天更换新鲜甲醇,成功制备了甲醇/高岭石层间接枝高岭石复合物(刘钦甫,左小超,张士龙,等.置换插层制备高岭石-甲醇复合物的机理[J].硅酸盐学报,2014,42(11):1428-1434.)。然后,以甲醇/高岭石层间接枝复合物为前驱体,使用烷基胺及季铵盐进一步插层,成功制备了长链有机物/高岭石插层复合物的制备,并实现了高岭石的超薄剥片,在高岭石晶格内应力的驱动下,超薄剥片后的高岭石形貌由板状卷曲成管状(刘钦甫,王定,郭鹏,等.季铵盐-高岭石系列插层复合物的制备及结构表征[J].硅酸盐学报,2015(2):222-230.)
以上所述的“极性小分子-甲醇-阳离子型长链有机物”的三步插层法中,当属第二步甲醇层间接枝高岭石反应工艺最为复杂(需要每天更换新鲜甲醇),耗时最长(7~15天)。针对这一问题,CN201710516945.2公开了一种甲醇/高岭石层间接枝复合物的快速制备方法,以酸为催化剂,无须换洗,即可在半小时内完成甲醇层间接枝高岭石反应。
然而,本发明人在后续的研究中发现,阳离子型长链有机分子只能插层传统换洗工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,无法插层如CN201710516945.2中描述的酸催化快速制备工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,尽管两者具有完全相同的XRD及IR图谱。
本发明人通过大量的研究,探明了传统工艺中甲醇必须换洗的根本原因,并以此机理出发,提出预酸洗工艺,解决了阳离子型有机物无法插层如CN201710516945.2酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的问题,从而完成了本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术问题:
一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,包括插层反应,其中,所述的方法还包括预酸洗。
本发明人为解决甲醇/高岭石层间接枝复合物的制备工艺复杂、耗时较长的问题,提出了一种基于酸催化的快速制备工艺(如CN201710516945.2)。将传统的甲醇换洗、酸催化的快速制备两种工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物进行对比发现,两者的X射线粉末衍射图谱及红外图谱完全相同,说明两者具有相同的晶格结构及官能团。但在第三步阳离子型有机分子插层反应中,季铵盐、烷基胺只能插层传统换洗工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,无法插层如CN201710516945.2快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物。
本发明针对这一现象,经过大量的研究,实验结果表明,高岭石表面吸附的金属阳离子是这一问题的症结所在。高岭石在地质形成的过程中,表面会吸附大量金属阳离子。这些金属阳离子在悬浮液中,会在高岭石表面形成DLVO扩散双电层结构。极性小分子-甲醇-阳离子型有机分子三步插层法中,第一步极性小分子可以自由通过DLVO扩散双电层,进入高岭石层间。而甲醇分子极性较弱,无法穿过DLVO扩散双电层。这也是在以往的甲醇/高岭石插层复合物的制备工艺中,必须每天更换新鲜甲醇的原因。更换过程中的XRD显示,前三次更换甲醇时,甲醇的插层率几乎为零,从第四次更换开始,甲醇插层率有巨大提升。这是因为在前三次更换中,甲醇无法穿过高岭石表面的DLVO扩散双电层,未能进入高岭石层间。但前三次的甲醇脱除了高岭石表面的金属阳离子,DLVO扩散双电层遭到严重破坏。因此在第四次换洗过程中,甲醇得以进入高岭石层间,完成接枝反应。
而CN201710516945.2的酸催化快速制备工艺中,甲醇分子虽然进入高岭石层间完成接枝反应,但高岭石表面的金属阳离子尚未脱除,DLVO扩散双电层结构仍在,因此在第三步插层反应中,阳离子型有机分子因其极性较弱,依然无法穿过DLVO扩散双电层进入高岭石层间。
由此机理出发,本发明针对性地提出了预酸洗工艺,即在插层反应前先进行预酸洗工艺,成功地解决了这一问题。
本发明中,所述的预酸洗在插层反应前进行。
具体地说,本发明所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,包括预酸洗和插层反应。
进一步的,所述的预酸洗为:将甲醇/高岭石层间接枝复合物与酸混合加热,再离心,然后用甲醇洗涤、离心。
本发明中,在对甲醇/高岭石层间接枝复合物与阳离子型有机分子进行插层反应前,先对其进行预酸洗,具体为将甲醇/高岭石层间接枝复合物与酸混合加热,再离心,然后用甲醇洗涤、离心,将所得离心沉淀物再与阳离子型有机分子进行插层反应,成功制得了阳离子型有机分子/高岭石插层复合物,解决了阳离子型有机分子无法插层酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的问题。
更具体地说,本发明所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,包括如下步骤:1)将甲醇/高岭石层间接枝复合物与酸混合加热,再离心,然后用甲醇洗涤、离心;
2)将所得离心沉淀物与阳离子型有机分子进行插层反应,即得阳离子型有机分子/高岭石插层复合物。
本发明中,所述的甲醇/高岭石层间接枝复合物优选采用CN201710516945.2的酸催化快速制备工艺制得的甲醇/高岭石层间接枝复合物。
本发明中,所述的插层反应为本领域常见的工艺,可参照现有技术中阳离子型有机分子插层高岭石的方法进行。
进一步的,所述的酸的质量百分比浓度为5~25%。
本发明考察了酸洗时酸的浓度对高岭石表面金属离子脱除的影响。当酸浓度低于5%时,金属杂质残余含量依然较大,导致十六烷基三甲基溴化铵插层不完全。当酸浓度大于25%时,阳离子型有机物插层率并未得到显著提升,且造成了盐酸原材料浪费,因此无需进一步提高酸浓度。
进一步的,所述的酸为盐酸或硫酸。
进一步的,所述加热的温度为70~90℃。
本发明考察了酸洗时的温度对高岭石表面金属离子脱除的影响。试验表明,当温度低于70℃时,金属杂质残余含量依然较大,导致十六烷基三甲基溴化铵插层失败。当温度大于90℃时,阳离子型有机物插层率并未得到显著提升。
进一步的,所述加热的时间为30~60min。
进一步的,所述的酸与甲醇/高岭石层间接枝复合物的质量比为1:1~1:3。
酸用量太小,高岭石粉末在酸中分散的浆液就太粘稠,搅拌不开;用量太多又造成浪费,而在本发明选择的范围内,反应的结果几乎没有变化。因此,本发明中酸与甲醇/高岭石层间接枝复合物的质量比选择1:1~1:3。
进一步的,所述的甲醇与甲醇/高岭石层间接枝复合物的质量比为2:1~10:1。
进一步的,所述的预酸洗在密闭容器内进行或添加冷凝回流装置。
进一步的,所述的阳离子型有机分子为季铵盐或烷基胺。
采用上述技术方案后,本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
本发明人提出了一种甲醇/高岭石层间接枝复合物的快速制备工艺,如CN201710516945.2中所描述的酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,但其所制备的产物却无法被烷基胺、季铵盐等阳离子型有机分子插层。本发明的发明人进行大量的研究认为,这是由于高岭石表面吸附的金属阳离子形成的DLVO扩散双电层导致阳离子型有机分子无法进入高岭石层间。因此本发明提出一种预酸洗工艺,脱除高岭石表面的金属阳离子,阳离子型有机分子得以顺利插层成功。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
图1为CN201710516945.2酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的高岭石XRD图谱,复合物层间距为0.89nm。
图2为实施例1中所制备的十六烷基三甲基溴化铵/高岭石插层复合物的XRD图谱;从图中可以看出高岭石层间距由甲醇接枝复合物的0.89nm扩大至3.98nm,插层率为98.10%。
图3为实施例2中所制备的十八胺/高岭石插层复合物的XRD图谱,从图中可以看出高岭石层间距由甲醇接枝复合物的0.89nm扩大至6.13nm,插层率为98.35%。
图4为对比例1中所制备的十六烷基三甲基溴化铵/高岭石插层复合物的XRD图谱,从图中可以看出十六烷基三甲基溴化铵未插层进入高岭石层间。
图5为对比例2中所制备的十八胺/高岭石插层复合物的XRD图谱,从图中可以看出十八胺未插层进入高岭石层间。
需要说明的是,这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围,而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明具体实施方式中所述的催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物为按照CN201710516945.2酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物。
实施例1
将酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与5%稀盐酸按照质量比1:1混合,加热温度为70℃置于单口烧瓶中加热,烧瓶口添加冷凝回流器,加热60min。然后将悬浮液离心,使用甲醇洗涤三次,每次洗涤时,甲醇/高岭石层间接枝复合物与甲醇的质量比为2:1,然后离心,所得沉淀物即为预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,测得XRD如表1所示。其中Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO、ZrO2即为高岭石表面吸附的金属阳离子杂质。将十六烷基三甲基溴化铵溶于甲醇,浓度为1mol/L。将经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十六烷基三甲基氯化铵的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十六烷基三甲基溴化铵,制得十六烷基三甲基溴化铵/高岭石插层复合物。从图2可以看出,十六烷基三甲基溴化铵成功插层进入高岭石层间,层间距扩大至3.98nm,插层率为98.10%。
实施例2
将酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与25%稀硫酸按照质量比1:3混合,加热温度为90℃置于单口烧瓶中加热,烧瓶口添加冷凝回流器,加热30min。然后将悬浮液离心,使用甲醇洗涤三次,每次洗涤时,甲醇/高岭石层间接枝复合物与甲醇的质量比为10:1,然后离心,所得沉淀物即为预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,测得XRD如表1所示。其中Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO、ZrO2即为高岭石表面吸附的金属阳离子杂质。将十八胺溶于甲醇,浓度为1mol/L。将经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十八胺的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十八胺,制得十八胺/高岭石插层复合物。从图3可以看出,十八胺成功插层进入高岭石层间,层间距扩大至6.13nm,插层率为98.35%。
实施例3
将酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与10%稀盐酸按照质量比1:2混合,加热温度为80℃置于单口烧瓶中加热,烧瓶口添加冷凝回流器,加热40min。然后将悬浮液离心,使用甲醇洗涤三次,每次洗涤时,甲醇/高岭石层间接枝复合物与甲醇的质量比为8:1,然后离心,所得沉淀物即为预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物。将十六烷基三甲基溴化铵溶于甲醇,浓度为1mol/L。将经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十六烷基三甲基氯化铵的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十六烷基三甲基溴化铵,制得十六烷基三甲基溴化铵/高岭石插层复合物。经分析发现,十六烷基三甲基溴化铵成功插层进入高岭石层间,层间距扩大至3.82nm,插层率为98.23%。
实施例4
将酸催化快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与15%稀硫酸按照质量比1:1.8混合,加热温度为90℃置于单口烧瓶中加热,烧瓶口添加冷凝回流器,加热50min。然后将悬浮液离心,使用甲醇洗涤三次,每次洗涤时,甲醇/高岭石层间接枝复合物与甲醇的质量比为5:1,然后离心,所得沉淀物即为预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物。将十八胺溶于甲醇,浓度为1mol/L。将经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十八胺的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十八胺,制得十八胺/高岭石插层复合物。经分析发现,十八胺成功插层进入高岭石层间,层间距扩大至5.96nm,插层率为98.28%。
对比例1
将未经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十六烷基三甲基氯化铵的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十六烷基三甲基溴化铵,从图4可以看出,十六烷基三甲基氯化铵未插层进入高岭石层间。
对比例2
将未经预酸洗的甲醇/高岭石层间接枝复合物,与十八胺的甲醇溶液按照质量比1:20混合,反应24小时。离心取沉淀物,使用甲醇淋洗,除去多余的十八胺,从图5可以看出,十八胺未插层进入高岭石层间。
试验例1
该试验例对传统换洗工艺、CN201710516945.2酸催化快速工艺以及本发明实施例1和实施例2制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物进行了测试。其结果见表1所示。
表1、甲醇/高岭石层间接枝复合物的XRF
含量较高的金属阳离子在高岭石表面会形成DLVO扩散双电层,阻碍阳离子型有机分子进入高岭石层间。使用传统的换洗工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的XRF测试结果显示,Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO、ZrO2等金属离子的总含量为2.61,含量较低,DLVO扩散双电层较弱,因此阳离子型有机分子可以插层进入高岭石层间。而使用酸催化工艺快速制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的金属离子含量为5.98,远远高于前者,DLVO扩散双电层较强,所以阳离子型有机分子无法插层。经过预酸洗之后,实施例1中金属离子含量降低至2.14,实施例2中金属离子含量降低至1.34,低于传统换洗工艺制备的甲醇/高岭石层间接枝复合物的金属阳离子含量。因此实施例1和2中,经过预酸洗之后,阳离子型有机分子可以完成插层。
试验例2
该试验例考察了酸洗时的温度对高岭石表面金属离子脱除的影响。
方法:制备方法同实施例1,所不同的是采用不同的加热温度,对酸洗之后的甲醇/高岭石层间接枝复合物的XRF,以及所制备的十六烷基三甲基氯化铵/高岭石插层复合物的插层率进行了检测。结果见下表2所示:
表2
温度(℃) | 60 | 70 | 80 | 90 |
金属杂质含量(%) | 4.67 | 2.14 | 1.93 | 1.85 |
十六烷基三甲基溴化铵插层率(%) | — | 98.10 | 98.56 | 98.79 |
由表2可知,当温度低于70℃时,金属杂质残余含量依然较大,导致十六烷基三甲基溴化铵插层失败。当温度大于90℃时,阳离子型有机物插层率并未得到显著提升。但较高的加热温度对反应的密闭容器或冷凝回流装置有更高的要求,因此无需进一步提高加热温度。
试验例3
该试验例考察了酸洗时盐酸浓度对高岭石表面金属离子脱除的影响。
方法:制备方法同实施例1,所不同的是采用不同的盐酸浓度,对酸洗之后的甲醇/高岭石层间接枝复合物的XRF,以及所制备的十六烷基三甲基氯化铵/高岭石插层复合物的插层率进行了检测。结果见下表3所示:
表3
盐酸浓度(%) | 3 | 5 | 15 | 25 | 30 |
金属杂质含量(%) | 3.91 | 2.14 | 1.87 | 1.54 | 1.55 |
十六烷基三甲基溴化铵插层率(%) | 24.31 | 98.10 | 98.68 | 98.81 | 98.79 |
由表3可知,当酸浓度低于5%时,金属杂质残余含量依然较大,导致十六烷基三甲基溴化铵插层不完全。当酸浓度大于25%时,阳离子型有机物插层率并未得到显著提升,且造成了盐酸原材料浪费,因此无需进一步提高酸浓度。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本发明的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述提示的技术内容作出些许变动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,包括插层反应,其特征在于,所述的方法还包括预酸洗。
2.根据权利要求1所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的预酸洗为:将甲醇/高岭石层间接枝复合物与酸混合加热,再离心,然后用甲醇洗涤、离心。
3.根据权利要求2所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的酸的质量百分比浓度为5~25%。
4.根据权利要求2或3所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的酸为盐酸或硫酸。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述加热的温度为70~90℃。
6.根据权利要求5所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述加热的时间为30~60min。
7.根据权利要求2-6任意一项所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的酸与甲醇/高岭石层间接枝复合物的质量比为1:1~1:3。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的甲醇与甲醇/高岭石层间接枝复合物的质量比为2:1~10:1。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的预酸洗在密闭容器内进行或添加冷凝回流装置。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的促进阳离子型有机分子插层高岭石的方法,其特征在于,所述的阳离子型有机分子为季铵盐或烷基胺。
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