有机膨润土的性能与结构关系的研究.pdf

第 3 4卷第 8期 2 O 0 o年 8月 西安交通大学学 报 J OUR N AL OF Xl A N J I A OT ONG UNI VE R S I TY 1 ．- ． 3 4 8 Au g．2 0 0 0 文章编号 0 2 5 3 9 8 7 X 2 0 0 0 0 8 0 0 9 2 0 4 cl c 1 有机膨润土的性能与结构关系的研究 陈德芳，王重 李运康 ， 两通 大 学． 7 1 0 0 4 9 ． 西 安 弋 5 1 摘要利用 X R D 、 I R、 D T A 、 S E M等测试仪， 对有机膨润土的结构及性能进行 了分析， 并研究了有 机膨润土的微观结构和形貌． 通过凝胶实验、 触变性评定， 探讨了有机膨润土的流变行为 实验结果 表明 层间距 d 0 0 1 值越大， 有机土的疏水性越好； 晶格扭曲愈严重， 粘流性变化愈大； 有机碳链愈 大， 分解温度愈 高． 研究还发现 ， 有机碳链的长度、 结构、 极性 ， 有机土的细度 以及 溶剂分子的极性 ， 对有机土的凝胶性也有很大影响 ． 关 键 词 查 塾 塑 圭 ； 塑 墨 堕 塑 圭； 逛 翌 竺 塑 ； 性 能 中图分类号 T D 8 7 5 ． 5 文献标识码 A 务 栩一 栏阮夫 系 ， Re l a t i o n b e t we e n Pr o p e r t i e s a n d S Wu c t es f o r Or g an o b e n t o n i t e s C h e n De f a n g，Wa n gZ h o n g，L i Y u n k a n g X i 。 a n J ia o t o n g UNv r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e mi c ms t r u c t u r e a n d mo r p h o l o g y o f o r g a n o b e n t o n i t e a r e e x a mi n e d b y X r a y d i f f r a c t i o n， i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y，d i f f e r e n t i a l t h e r ma l a n a l y s i s a n d e l e c t r o r n i c mseo p e ．Th e r h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f o r g a n o b e n t o n i t e s i s i n v e s t i g a t e d b y e x p e r i me n t o n g e la t i n i z i n g a n d t h i x o t r o p y b e h a v i o r Th e r e s u l t s s h o w t h a t l a r g e v a l u e 0 f d O O 1 t e n d s t o e n h a n c e o i l p h i l i c p r o p e r t y wh i l e s e v e r e d e f o rm a t i o n o f l a t t i c e c o r r esp o n d s t o l arg e c h a n g e o f fl u i d i t y．L o n g l e n g t h o f c a r b o n c h a i n r e q u i r e s a h i g h e r t e mp e r a t u r e o f d e c o mp o s i t i o n Al s o t h e c o n s t r u c t i o n，l e n g t h a n d po l a rit y o f c a r bo n c h a i n o f o r g a n i s m ，p a r t i c l e s i z e o f o r g a n o b e n ton i t e s a n d po l ari t y o f s o l v e n t h a v e a i 1 s i g n i f i c a n t df e c t o n t h e g e l a t i n e s s o f o r g a n o b e n t o n i t e s ． Ke y w o r d s o r g a n o b e z t o n i t e s； s o di u m b a s e b e n t o n i t e ； mi c r o s g r u c t u r e； p r o p e r t y 有机膨润土在有机溶剂 中， 可形成触变性凝胶 体 ， 能耐 1 5 0℃ --2 0 0℃的高温 ． 因此具有很好的防 水性、 化学稳定性和热稳定性 ． 基于这些性质 ， 有机 膨润土作为一种流变助剂广泛地应用 于油漆 、 润滑 脂、 石油钻井等工业部门． 由于合成有机膨润土的原料来源不同 ， 其组成 和结构各有差异 ， 从而赋予膨润土不同的性 能． 本文 以河南信 阳膨润土为原料 ， 用一系列 长碳链季铵盐 对其进行覆盖 ． 然后用 x射线衍射 X RD 、 红 外光 谱 I R 、 差热分析 D TA 、 扫描 电镜 S E M 、 粘度及 粒径测试仪等 ， 对制备 的有机膨 润土进行了结 构分 析 ， 并讨论了其结构与性能 的关系． 1 实验部分 将河南信阳膨润土分散于水中， 以悬浮沉降法 收稿 日期 1 9 9 9 - 0 9 2 0 作者简开 陈德 芳 ， 女 ， 1 9 4 1年 4月生 ． 环 境与化学工 程学院应用化学 系． 研 究员 级高级工程 师 维普资讯 第 8期 陈德芳 ． 等 有机膨润土的性 能与结构关 系的研究 提纯 把精制的膨 润土浆与一定 比例的长碳链季铵 盐混合， 在一定温度下进行交换反应 ， 得到的产物经 过滤 、 洗涤、 干燥 、 研磨及筛分等工艺 ， 制得有机膨润 土 ． 用 日本岛津 S AC P 3型粒度分析仪 进行粒径 分析 ． 用 N D J I 型旋转粘度计， 按照 HG／ I 2 4 8 9 l的要求 ， 对粘度进行测 定 用 Ni c o l e F TI R 5 DX 红外吸收光谱仪进行渗台技术测定 ， 使用 D T AI 型差热分析仪测定有机膨润土的 D T A曲线， 用 日本 理学 D ／ ma xr , a K - 射线衍射仪进行 x 一 射线衍射分 析， 用 日本 日立 S 一2 7 0 0扫描电镜观察微观形貌 靠 器 2 结果与讨论 2 ． 1 疏 水性 图 l 是无机膨润土和有机膨润土的 X RD图 由 图 l可以看出， 有机土的层 间距 d 0 0 1 值 2 ． 0 0 3 l n I i 1 比无 机 膨 润 土 1 ． 2 4 8 8 n 1 3 r1 明 显 增 大， 而 d 0 0 1 值越大， 产品的疏水性越好 ． 图 2示 出改性钠基膨润 土和有 机膨 润土的形 貌． 由图可见 ， 季铵阳离子引入膨润 土层间对膨润土 的形貌不发生影响 ， 因为钠基土和有机膨润土都呈 现团聚状态 ， 但钠基土粒子紧密 ， 有机膨润土 比较疏 2 8 ／ r 。 c a 十 烷基 三 甲基 胺 膨 润 土 2 8z 】 b 改 性 钠 基 膨 润 土 图 1 膨润 土的 X R D 曲线 维普资讯 西安交通太学学报 第 3 4卷 b 改性钠基膨润土 图 2 膨润 土的微观形 貌 松 ， 这反映出无机膨润土的亲水性 ， 其在空气 中易吸 潮而抱团． 相反 ， 有机土膨润惜水 ， 不吸潮则松散． 文献[ 1 ] 认为， 有机阳离子在蒙脱石层间的排列 为双层排列． 如 图 3所示 ， 有机 阳离子被吸附在蒙脱 E二三二] E二三二] 【 a 十 躺 [二三二] E三三二] b 半 斜 青 案 脱 石 『 0 8 n m l 。 。 n m蒙脱石 图 3 有机 阳离子在蒙脱石层间 的排列示意 图 石层间的上下层面上 ， 带正 电荷的一端指 向被吸附 的层面 ， 非极性的一端则背离层面 ． 有机离子与上下 层面的夹角 0及链 长L 与层 间距离 d 0 0 1 之间存 在的关系为 d 0 0 1 Ls i n 00 ． 9 6 ． 据此 可判断 不同碳链 的季铵阳离子在晶层 中的排列方式 见表 1 ． 表 1 3种季铵阳离子在有机膨润土中的排列方式 莲 A 为 十 六 烷 基 三 甲胺 膨 捐土 ； B为 十 八 烷基 三 甲胺 膨澜 土 C为取十八 烷基二 甲基胺膨润土 由表 1可见， 有机长碳链 在膨润土层间的定向 排列方式不 同， 其疏水性 是不一样 的， d 0 0 1 值愈 大， 疏水性愈好 ． 2 ． 2 粘流性 图 4是有机膨润土和改性钠基膨润土的红外吸 5 8 ．5 】 2 a 有 机 膨 润 土 A／ m b 改 性 钠 基 膨 润 土 图 4 膨润土 的红外光谱 图 收光谱图． 对照 2个样 品的分析结果可 以看 出 在 1 0 3 0 、 9 2 0 、 8 9 0、 7 9 0 c I n 。 。 附近都 有吸收， 它们分别 代 表S 卜 O 、 A 1 一 OH 、 F e O H 和M H 的伸缩振动 ， 说明蒙脱石层 间阳离子被有 机基 团置 换后 ， 层状硅酸盐的骨架没有改变 ． 在无机膨润土和有机膨润土中， 都有 OH伸缩 振动 在 3 6 1 0 c r n I 1 和 3 4 0 0m 附近 ， 但有机膨 润土明显较无机土弱得多， 说 明有机膨润土 中层间 的吸附水基本上已脱去 ， 而晶格中的结构仍然保留． 层状硅酸盐骨架虽然没有变 ， 但 4个 吸收峰位 置在不同的有机膨润土中有较 大差异 ， 其偏离量与 膨澜土和有机覆盖剂 的结构有关． 由于红外 吸收峰 的频率高低反映出晶格中原子 f fi 1 的成键强度 ， 所 以 可以通 过 吸收 峰偏 离值 的大 小 来描 述 膨润 土 中 石 蜕 脱 孽 鼙 n n 6 r 6 卜 2 1 百 脱 脱 鼙 蒙 m m ％ T _ 卜 皇 i m一 晕 维普资讯 第 8 期 陈德芳 ， 等 有机膨榈土的性能与结构关系的研究 Al o oH八面体和 S i o 四面体 晶格 的扭 曲 程度 ]因此 ， 偏 离值 愈大， 晶格扭 曲愈严重 ， 粘流 性变化愈大 见表 2 ． 袁 2 有机膨润土 I R吸收位移值与粘度 的关系 试样 A B C 红 外 吸 收 粤 台 。 ” ．5 5q 5．0 ．2 15 ．5FItl7t 1 U 1 “ ／ 。s l ， J 】 3 l 注 试 样 编 号 尉 表 1 2 ． 3耐热性 图 5是膨润土的 D TA曲线， 由图可见 ， 改型钠 基膨润土在 1 1 O℃时， 有一个较强的吸热峰 ， 在 4 9 0 ℃时， 有微弱的吸热， 它们分别对应于失去层间的吸 附水 o 和被晶格破坏失去的结构水[ O H] ． 虽 然有机膨润土有 类似 的吸热 峰， 但失去层间吸附水 的温度更低 ， 说 明有机膨润土层间吸附水的结合力 较弱 ． 丁 ℃ 图 5 膨 润土的 D T A曲线 有机土在 2 0 0℃ ～ 4 0 0℃之间有 2个强放 热峰 ． 这是有机 膨润土 中的有 机物燃烧所 致 对比几种有机膨润土的 放热峰 ， 其峰位 出现的 温度随碳链的增长而逐 渐升 高． 这反 映了不同 的有机黪润土在耐热性 方面是有差别的． 在有机 膨润 土中， 有机碳链愈 长， 其 分解 温度愈 高， 即耐热性 愈 好 ． 2 ． 4 凝胶性 有机膨润土的凝胶 性能是指它在有机溶剂 中发生 的凝胶过 程， 以 及形成凝胶的强度和触 变性． 图 6示出有机膨 润土在二 甲苯中形成的 凝胶 于恒 定转 速 6 r ／ mi n 下 ， 动力粘度随 时 间的变化可见 ， 由有机 膨润土形成的凝胶属于 非牛 顿 流 体 的触 变 体 系． 当静止时 ， 有机膨润 土聚集在一起组成疏松 而不稳定的空间架结构 ． 并将大量的溶剂分子包裹 在网状空隙 中， 此时体系粘度剧增， 失去流动性， 呈 凝胶状． 由于凝胶状的有机膨澜 土， 其结 构很不稳 定 ， 只要稍加剪切力 ， 空间架 结构就被破坏， 使包裹 的大量溶剂重新 释放 出来 ， 体系又恢复原有的流动 性 牯度降低并趋于稳定 ． 因此， 这样的结构特征使 有机膨润土具有较好的触变性 实验表明， 有机膨润 土的触变性能与季铵阳离子的结构 、 碳链的长短 、 有 机土胶粒子的大小与形状及溶剂分子的极性等因素 有关 【 3 j ． 一 图 6 有机膨 润土的 随 ￡ 的变化 曲线 利用有机膨润土的凝胶性 ， 可以把它作为流变 助剂加入到有机体系中， 以改善体系的流变性 3 结论 1 有机嘭润土的疏水性与层间距 d 0 0 1 值有 关 ， d 0 0 1 值越大， 其疏水性越好 ． 2 有机膨澜土的粘流性与晶格扭曲程度有关， 晶格扭 曲愈严重 ， 牯流性变化愈大． 3 有机膨润土 的耐热性与土中有机碳链 的长 度有关， 碳链愈长 ， 分解温度愈高． 4 有机膨澜土 的凝胶性与 土中有机碳链 的性 质 长度， 结构， 极性 、 有机土粒子的大小以及溶剂 分子的极性等因素有关 ． 在各影响因素相匹配时 ， 有 机土将具有优越的凝胶性 ． 参考文献 ．1 J J o r d a n J W O r g a n o p h i l i c b e n t o n j t l J ] ． J P h y s C h e m， 1 9 4 9．5 32 9 4 ～3 0 6． 2 ] 刘树堂， 苏海全， 胡襄， 等 有机膨润土的制备及特性 研究[ J ]地质实验室， 1 9 9 4 ， 1 0 1 5 1 --5 4 3 ] 王 重 有机膨润土合成工艺丑性能的研究 [ D ]西 安 西安交通大学化 学工程学院 ， 1 9 9 6 编辑管咏梅 6 6 54 3 ． ＼ 二 土 ～ ， 糍 ／／／ 奇 十基 一 维普资讯