[发明专利]一种溶剂热法制备纳米凹凸棒石的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种溶剂热法制备纤维状纳米凹凸棒石的方法，具体为将硅酸钠、无机镁盐和铝盐等通过溶胶凝胶作用形成具有不同Si/Al和Si/Mg比的前驱体，再利用溶剂热反应生成纤维状纳米凹凸棒石晶体，属于纳米硅酸盐材料制备技术领域。

背景技术

凹凸棒黏土(又名坡缕石或坡缕缟石)是一种具有层链状分子结构的一维纳米含水富镁、铝硅酸盐矿物。凹凸棒黏土由凹凸棒石晶体组成，独特的纳米纤维状微结构赋予了其比表面积大、吸附能力强、耐盐碱性好和补强性能优等理化性质，而特殊表面硅羟基基团的存在也赋予了其优良的反应活性。因此，凹凸棒黏土在油品脱色、钻井泥浆、功能补强材料、催化或药物载体材料、功能复合肥料、水处理和涂料等诸多领域显示出极大应用前景。

但天然凹凸棒黏土棒晶间由于存在静电或氢键相互作用，通常以棒晶束或聚集体形式存在，仅是一种纳米材料的前驱体，并不具备纳米材料特性。将凹凸棒黏土棒晶束聚集体进行解离后，纳米材料的各种性能得以显著提升，但难以实现将凹凸棒石棒晶束的完全解离，而且在解离过程中棒晶还会折断，进而损失性能。此外，凹凸棒黏土属于不可再生资源，而且不同矿点或同一矿点不同深度凹凸棒石棒晶发育程度、理化性能、纯度、活性等性能差别较大，不利于实现批次稳定的生产和应用。受此限制，目前天然凹凸棒黏土的应用仍然以低附加值产品为主。因此，通过人工合成的方法获得均一稳定、纯度高和分散性好的纳米凹凸棒石，既可以避免对天然凹凸棒黏土复杂的解离和提纯处理，又会解决因不同产地凹凸棒黏土的差异引起的批次不稳定的问题，对实现凹凸棒黏土这一“工业味精”的高端应用及凹凸棒黏土产业链的可持续性发展具有深远的意义和应用价值。

目前黏土矿物的合成主要有共沉淀法、水热法和溶剂热法，例如：中国专利CN101817510A公开了晶相结构完整和晶粒尺寸均匀的水滑石的共沉淀合成方法，文献(孙红娟，等.人工晶体学报，2008，37(4)：844-848)和专利(CN101289193)分别报道了锂皂石和蛇纹石纳米管的水热法合成方法。溶剂热反应是水热反应的发展，它与水热反应的不同之处在于所使用的溶剂不是水，而是有机溶剂。在溶剂热反应中，一种或几种前驱体溶解在非水溶剂中，在液相或超临界条件下，反应物分散在溶液中并且变的比较活泼，发生反应并缓慢生成产物。该过程相对简单而且易于控制，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发。另外，物相的形成、粒径的大小、形态也能够控制，而且，产物的分散性较好。在溶剂热条件下，溶剂的性质变化很大，反应物(通常是固体)的溶解、分散及化学反应活性大大提高，这就使得反应能够在较低的温度下发生。因此，溶剂热合成方法具有产物形貌容易控制、结晶性好、合成方法简单、重复性优良、易于工业放大、环境友好等优点，是实现纳米材料形貌控制的最有效途径之一。为此，以溶剂热制备高品质纳米凹凸棒石为目标，以解决当前天然凹凸棒黏土应用过程中遇到的批次不稳定、解离提纯困难等一系列问题为背景，以实现凹凸棒黏土在高端领域的高值化利用为导向，在大量实验研究工作的基础上，设计利用溶胶凝胶技术结合溶剂热合成方法制备出具有均一棒晶发育程度、理化性能、纯度和活性的纳米凹凸棒石。相比其它方法，该方法工艺和设备要求简单、反应条件温和、成本低廉、产品稳定且性状可控，可用于医药、吸附剂、化妆品和有机-无机纳米复合材料制备等诸多领域。

发明内容

鉴于技术背景中介绍的限制天然凹凸棒黏土利用的一系列问题如：(1)通常以棒晶束或聚集体存在，难以发挥纳米材料的特性，解离可以显著提高其纳米性能，但充分解离难以实现，且解离过程中要以折断棒晶为代价；(2)不同产地凹凸棒石的棒晶发育程度、理化性能、纯度、活性等性能差别较大，存在明显的地域差异，难以实现批次稳定的生产和应用；(3)凹凸棒黏土属不可再生资源，开发人工合成技术是实现可持续性利用的基本前提，本发明的目的是提供一种高产率、易操作、低成本、高效性以及可适用性强的纳米凹凸棒石的溶剂热制备技术，利用廉价的无机盐为原料制备出棒晶长度均一、分散性好、批次稳定的纳米凹凸棒石，为纳米凹凸棒黏土在高技术领域的应用奠定基础。

本发明的原理是利用硅酸钠、无机镁盐和铝盐在分别经过酸化和碱化过程后形成固体凝胶状产物，通过控制原料比例调节固体产物中的Si/Al和Si/Mg比，将凝胶产物陈化、洗涤、干燥后得到凹凸棒石前驱体。所得前驱体与有机溶剂按一定比例混合后，在高温和高压溶剂热条件下可以重新结晶，并沿一定方向上生长形成具有层链状结构的纤维状纳米凹凸棒石。通过控制Si/Al和Si/Mg比，反应时间长短，可以得到具有不同棒晶长度的纳米凹凸棒石。