第五章插层复合材料.

第五章 插层复合材料
第五章 插层复合材料
粘土大多数属于2:1型的层状或片状硅酸盐矿物， 主要结构是二维排列的硅氧四面体和二维排列的 铝氧八面体。 比如蒙脱土 的结构：
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高岭土
高岭土主要由小于2微米的微小片状、管状、叠片 状等高岭石簇矿物组成，理想的化学式为Al2O32SiO2-2H2O，除高岭石簇矿物外，还有蒙脱石、伊利 石、叶腊石、石英和长石等其它矿物伴生 。
性。
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5.2 粘土
粘土的主要成分是粘土矿物，是一类颗粒极细、 粒度一般在2μm以下的具有层状结晶的硅酸盐。 膨润土就是以蒙脱土为主要组分的粘土，它的 物理化学性质和工艺技术性能以及使用价值主要 取决于所含蒙脱土的属性和相对含量等。 粘土的种类：高岭土、蒙脱土、伊利土、凸凹 棒石、海泡石（沸石）等。
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④粘土稳定性好 作为插层用的粘土是一种不具有氧化还原性质的 惰性主体，插入到层间的可聚合的单体、复合材料 的加工过程等，就可以不必考虑粘土的可变性。 以蒙脱土为代表的粘土对有机聚合物的作用不仅 表现在结构上的优越性，而且对复合材料的综合性 能有着更重要的影响，特别是对复合材料的力学性 能方面。
插层纳米复合材料成为各种方法制备的纳米复合 材料中最具有商品化价值的材料品种之一。
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插层复合材料的特点： ①粘土的含量一般<5%，复合材料的力学性能已有很 大提高。
传统的增强材料白炭黑、炭黑、轻质碳酸钙的填充量却要达到 20%～60%。
②纳米粘土片层具有高度一致的结构和各向异性，提 高了复合材料对溶剂分子和气体分子的阻隔性、抗静 电性和阻燃性。
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制备纳米复合材料的粘土所需具备的特殊性质： ①粘土是层状的矿物。
粘土颗粒能够分散成细小晶层，高径比达1000的 完全分散的晶层。
这种片层晶体具有的畸变、缺陷和断键等形成更 多的断面，导致较高的物理、化学活性，具有显著 的吸附性能。
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②粘土的纯度 有效的层状硅酸盐片晶含量要高，在诸多的粘土 矿物中，蒙脱土是比较优秀的用于制备纳米复合材 料的层状矿物，其蒙脱土有效含量可达95%以上。
中国是世界上最早发现和利用高岭土的国家。远 在3000年前的商代所出现的刻纹白陶，就是以高岭土 制成。江西景德镇生产的瓷器名扬中外，历来有"白 如玉、明如镜、薄如纸、声如罄"的美誉。
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高岭土的结构是由一层硅氧四面体和一层铝氧八 面体通过共同的氧互相连接形成的一个晶层单元， 所以成为1:1型层状硅酸盐。 高岭土层间距很小，很难插层高分子聚合物，必 须先插层极性聚酰胺类物质，使层间距扩大，再进 行高分子聚合物取代插层，形成复合材料。 高岭土有机插层复合材料的研究还刚刚起步，随 着研究工作的深入，高岭土纳米复合材料的种类、 复合技术、性质及其应用将会更加丰富。
由于有很好的吸水膨胀性能以及分散、悬浮和造 浆性，可用于钻井泥浆、阻燃(悬浮灭火)，可在造 纸工业中做填料，以及优化涂料的性能，如附着力、 遮盖力、耐水性、耐洗刷性等。
由于有很好的粘结力，还可代替淀粉用于纺织工 业中的纱线上浆，既节粮，又不起毛，浆后还不发 出异味。
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自1920年美国开始应用膨润土代替一般粘土，用 作铸造型砂粘结剂以来，其应用领域在机械、冶金、
③复合材料能够保持低应力条件下较好的尺寸稳定性。
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④具有较高的热形变温度 ⑤热塑性插层纳米复合材料具有再生性，并且再生
的复合材料能够获得进一步增强的力学性能。
⑥复合材料因分散有纳米级片层材料，因而具有光
滑的表面结构。
注：不同的插层主体还可赋予复合材料不同的功能
特性，硅酸盐片层具有阻隔性、纳米石墨具有导电
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膨润土(Bentonite)
它最早发现于美国的怀俄明州的古地层中，为黄 绿色的粘土；因加水后膨胀成糊状，后来人们就把 这种性质的粘土，统称为膨润土。 膨润土的主要成份是蒙脱土，是由两层硅氧四面 体中间夹一层铝氧八面体组成的层状粘土矿物。根 据蒙脱石所含的可交换阳离子种类、含量及结晶化 学性质的不同，分为钠基、钙基、镁基、铝（氢） 基等膨润土。
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蒙脱土离子交换的规律：
①浓度高的阳离子优先 ②浓度相同的情况下，离子价数高的优先 ③浓度相同、离子价数相同的情况下，离子半径大的优先
Hale Waihona Puke Baidu
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膨润土除了含量在85%～90%的蒙脱土外，另 含少量长石、石英、贝得石、方解石等。可呈白
色、含杂质时呈淡绿、灰白、粉红、紫色等色。
可以成致密块状，也可为松散的土状，用手指搓 磨时有滑感，小块体加水后体积胀大数倍至数十 倍，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状。
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膨润土有很强的阳离子交换性能，可用于除去 食油的毒素、汽油和煤油的净化及废水处理。
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5.1 概述
插层复合材料：粘土与聚合物以某种方式形成的
粘土以纳米级分散的复合材料。
这类复合材料最早是由日本学者在1987年开创
的，当时制造了尼龙6插层粘土纳米复合材料。后
来又开发了聚酰亚胺插层粘土纳米复合材料。 商品化的插层纳米复合材料，作为工程塑料应 用于汽车零部件上。
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③可以进行离子交换，以便调节粘土的表面化学特 性。 粘土的二维有序的层状结构，层间通常吸附阳离 子来维持电荷平衡。阳离子既可以是无机金属阳离 子，也可以是有机阳离子。
对于钠-蒙脱土而言，有机阳离子通过离子交换进 入蒙脱土的层间，形成有机蒙脱土，聚合物或有机 单体等插层客体因而容易插层到有机蒙脱土的片层 间。粘土与聚合物之间存在强亲和性，插层客体不 易脱落。
钻探、石油、化工、食品、环保等行业中不断扩展。
据不完全统计，中国目前膨润土产品年产销量约 270万吨，其中用于铸造型砂100～110万吨，用于钻 井泥浆70万吨，用于冶金球团45万吨，用于油脂脱 色（活性白土）20万吨，用于其他20～30万吨 。
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蒙脱土为细小鳞片状， 最简单的化学成分是Al2O3· 4SiO2· 3H2O