[发明专利]表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及黏土的表面改性，特别涉及表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土及其制备方法和用途。

背景技术

黏土是一种资源丰富的矿物，由于其具有层间离子可交换容量大、层间电荷很高、片层的径厚比和比表面积大等许多优点，被广泛应用于钻井、铸造、催化、化妆品、制药、涂料等生产中。自从日本丰田汽车研究院的科学家制备出了具有纳米结构的聚酰胺6/黏土杂化材料(Polym.Prepr.1987，28(2)：447～448)，并揭示其具有轻质、高强、耐热、优异的阻隔性能等特点以来，聚合物/黏土纳米复合领域引起研究者的极大兴趣。其中研究最多并最具应用前景的黏土是蒙脱石。蒙脱石是一种层状硅酸盐黏土，其基本结构单元是由一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构，厚度约为1nm，长宽在数十至几百纳米之间。

黏土的优异性能及其应用取决于其表面性质，因此黏土的表面改性一直是该领域研究与发展的一个热点。由于黏土表面的亲水性特征，实际应用中往往需要进行表面改性。例如聚合物/黏土纳米复合材料的研究表明，亲水的黏土表面不利于聚合物的插层，因此需要对黏土进行有机化处理，提高其与聚合物的相容性，才能更好地在聚合物基体中分散，制备插层型乃至剥离型纳米复合材料。其它领域的应用，如催化剂负载，重金属和有机污染物吸附等，都依赖于黏土表面性质的可调控性及表面改性。

目前广泛应用的改性方法是利用黏土层间有可交换的离子这一特性，利用离子交换的原理，将有机改性剂(阳离子表面活性剂，通常为有机铵盐)插入黏土片层之间，扩张其片层间距，改善层间的微环境，使黏土的内外表面由亲水性转化为疏水性。这种方法的优势在于易操作，适用范围广，但是其缺点也很明显。有机铵盐改性的有机黏土热稳定性较差，其热分解温度一般在200℃左右，熔融共混制备聚合物/黏土纳米复合材料的时候，在高温高剪切的作用下，铵盐的分解、流失会导致黏土片层坍塌、聚合物分子降解和纳米复合材料结构的不稳定。研究表明，在有机黏土中，约有20％的铵盐吸附在黏土的侧面，这是导致其热稳定性较差的主要原因(J.Am.Chem.Soc.1940，62(6)：1457～1464；J.Phys.Chem.1952，56(6)：751～753.)。此外，用于有机改性的商业化有机铵盐，由于其末端功能团种类有限，也限制了有机黏土的功能化。由于晶型结构的不完善等因素，黏土硅酸盐片层的侧面边缘含有可反应性的羟基，可以进行侧面的改性，从而克服有机黏土中吸附铵盐的较差热稳定性。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土，硅烷偶联剂通过共价键接枝在黏土片层上，在改善黏土表面亲油性的同时，具有较强的热稳定性，同时可实现黏土的功能化。

本发明的另一目的在于提供表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土的制备方法。

本发明的再一目的是提供表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土在聚合物纳米复合材料中的应用。

本发明的表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土，是利用黏土片层上的可反应性羟基与硅烷偶联剂的缩合反应，在黏土的表面通过共价键接枝有硅烷偶联剂，实现硅烷偶联剂的接枝改性。改性黏土中硅烷偶联剂的接枝量为0.2～5×10^-3摩尔/克黏土。

所述的硅烷偶联剂，其通式为(X′-R)_n-Si-X_(4-n)，含有可水解的基团X和末端官能团X′，是一种有机硅化合物，被广泛应用于无机填料的表面修饰。本发明提供的硅烷偶联剂接枝改性黏土，在用于制备聚烯烃、聚酯和聚酰胺等聚合物纳米复合材料时，具有较好的热稳定性，同时能提高聚合物与黏土的界面相互作用，有利于黏土的分散。

本发明的表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土的制备方法，首先制备黏土在反应溶剂(分散剂)中的悬浮液，再将含有预水解的硅烷偶联剂的溶液加入黏土悬浮液中，通过硅烷偶联剂上预水解得到的硅羟基与黏土片层上的羟基进行缩合反应，得到表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土；或者直接将硅烷偶联剂加入黏土悬浮液中，通过硅烷偶联剂上的-X基团与黏土片层上的羟基直接反应，得到表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土。

本发明的表面接枝硅烷偶联剂的改性黏土的制备方法包括以下步骤：

1)黏土悬浮液的制备：将1～10重量份的黏土缓慢分散于100～200重量份的反应溶剂中，搅拌，形成浓度为0.5～10wt％的均匀的黏土悬浮液。