有機膨潤土結構及流變行為研究

在有機溶劑的條件下，有機潤潤土可以形成具有制造界面的傾斜凝膠，并且能承受150200c的高溫。因此，它具有良好的耐水性、化學穩定性和耐熱性。基于這些性質，有機潤潤土可用于燃料擠出、潤滑劑、石油鉆孔等工業部門。由于合成有機膨潤土的原料來源不同,其組成和結構各有差異,從而賦予膨潤土不同的性能.本文以河南信陽膨潤土為原料,用一系列長碳鏈季銨鹽對其進行覆蓋,然后用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)、差熱分析(DTA)、掃描電鏡(SEM)、粘度及粒徑測試儀等,對制備的有機膨潤土進行了結構分析,并討論了其結構與性能的關系.1有機膨潤土的表征將河南信陽膨潤土分散于水中,以懸浮沉降法提純.把精制的膨潤土漿與一定比例的長碳鏈季銨鹽混合,在一定溫度下進行交換反應,得到的產物經過濾、洗滌、干燥、研磨及篩分等工藝,制得有機膨潤土.用日本島津SA-CP3型粒度分析儀進行粒徑分析.用NDJ-I型旋轉粘度計,按照HG/T2248-91的要求,對粘度進行測定.用NicoleFT-IR5DX紅外吸收光譜儀進行滲合技術測定,使用DTA-I型差熱分析儀測定有機膨潤土的DTA曲線,用日本理學D/max-rAX?射線衍射儀進行X?射線衍射分析,用日本日立S-2700掃描電鏡觀察微觀形貌.2結果與討論2.1季銨陽離子在膨潤土層間的排列方式圖1是無機膨潤土和有機膨潤土的XRD圖.由圖1可以看出,有機土的層間距d(001)值(2.0031nm)比無機膨潤土(1.2488nm)明顯增大,而d(001)值越大,產品的疏水性越好.圖2示出改性鈉基膨潤土和有機膨潤土的形貌.由圖可見,季銨陽離子引入膨潤土層間對膨潤土的形貌不發生影響,因為鈉基土和有機膨潤土都呈現團聚狀態,但鈉基土粒子緊密,有機膨潤土比較疏松,這反映出無機膨潤土的親水性,其在空氣中易吸潮而抱團.相反,有機土膨潤憎水,不吸潮則松散.文獻認為,有機陽離子在蒙脫石層間的排列為雙層排列.如圖3所示,有機陽離子被吸附在蒙脫石層間的上下層面上,帶正電荷的一端指向被吸附的層面,非極性的一端則背離層面.有機離子與上下層面的夾角θ及鏈長L與層間距離d(001)之間存在的關系為:d(001)=Lsinθ+0.96.據此,可判斷不同碳鏈的季銨陽離子在晶層中的排列方式(見表1).由表1可見,有機長碳鏈在膨潤土層間的定向排列方式不同,其疏水性是不一樣的,d(001)值愈大,疏水性愈好.2.2無膨潤土和有機膨潤土的紅外吸收峰圖4是有機膨潤土和改性鈉基膨潤土的紅外吸收光譜圖.對照2個樣品的分析結果可以看出,在1030、920、890、790cm-1附近都有吸收,它們分別代表SiO、AlOH、FeOH和MgOH的伸縮振動,說明蒙脫石層間陽離子被有機基團置換后,層狀硅酸鹽的骨架沒有改變.在無機膨潤土和有機膨潤土中,都有OH伸縮振動(在3610cm-1和3400cm-1附近),但有機膨潤土明顯較無機土弱得多,說明有機膨潤土中層間的吸附水基本上已脫去,而晶格中的結構仍然保留.層狀硅酸鹽骨架雖然沒有變,但4個吸收峰位置在不同的有機膨潤土中有較大差異,其偏離量與膨潤土和有機覆蓋劑的結構有關.由于紅外吸收峰的頻率高低反映出晶格中原子間的成鍵強度,所以可以通過吸收峰偏離值的大小來描述膨潤土中AlO(OH)八面體和SiO四面體晶格的扭曲程度.因此,偏離值愈大,晶格扭曲愈嚴重,粘流性變化愈大(見表2).2.3有機膨潤土的熱穩定性圖5是膨潤土的DTA曲線.由圖可見,改型鈉基膨潤土在110℃時,有一個較強的吸熱峰,在490℃時,有微弱的吸熱,它們分別對應于失去層間的吸附水(nH2O)和被晶格破壞失去的結構水[OH].雖然有機膨潤土有類似的吸熱峰,但失去層間吸附水的溫度更低,說明有機膨潤土層間吸附水的結合力較弱.在有機膨潤土中,有機碳鏈愈長,其分解溫度愈高,即耐熱性愈好.2.4有機膨潤土凝膠性的機理有機膨潤土的凝膠性能是指它在有機溶劑中發生的凝膠過程,以及形成凝膠的強度和觸變性.圖6示出有機膨潤土在二甲苯中形成的凝膠于恒定轉速(6r/min)下,動力粘度隨時間的變化.可見,由有機膨潤土形成的凝膠屬于非牛頓流體的觸變體系.當靜止時,有機膨潤土聚集在一起組成疏松而不穩定的空間架結構,并將大量的溶劑分子包裹在網狀空隙中,此時體系粘度劇增,失去流動性,呈凝膠狀.由于凝膠狀的有機膨潤土,其結構很不穩定,只要稍加剪切力,空間架結構就被破壞,使包裹的大量溶劑重新釋放出來,體系又恢復原有的流動性(粘度降低并趨于穩定).因此,這樣的結構特征使有機膨潤土具有較好的觸變性.實驗表明,有機膨潤土的觸變性能與季銨陽離子的結構、碳鏈的長短、有機土膠粒子的大小與形狀及溶劑分子的極性等因素有關.利用有機膨潤土的凝膠性,可以把它作為流變助劑加入到有機體系中,以改善體系的流變性.3有機膨潤土的特性(1)有機膨潤土的疏水性與層間距d(001)值有關,d(001)值越大,其疏水性越好.(2)有機膨潤土的粘流性與晶格扭曲程度有關,晶格扭曲愈嚴重,粘流性變化愈大.(3)有機膨