[发明专利]一种大晶面间距的有机粘土及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机粘土的组成和生产工艺，特别涉及一种有机累托石及其生产方法。同时，本发明也涉及一种石油、天然气、地矿、建筑工程等行业用于钻井液、完井液的胶体材料。

背景技术

一、大晶面间距的有机粘土的实现途径

有机粘土在工业上可广泛应用于石油钻井液、涂料、聚合物纳米复合材料及其它的精细化工领域。经过有机化改性的粘土，其原有晶面间距变大。在钻井液、流变剂等领域，胶体体系的悬浮性、流变性与有机粘土的晶面间距正相关。在聚合物复合材料领域，有机粘土的晶面间距越大，粘土相越容易剥离成片状分散至聚合物基体之中，从而提高材料性能。

有机粘土的组分一般由粘土原料、有机改性剂构成，组分中有时还需添加一些助剂，以促进有机化反应，或提高应用性能。

现有有机粘土的原料以膨润土类为主。膨润土的主要成分为蒙脱石。依蒙脱石层间阳离子的不同类型，其晶面间距d[001]一般为1.2～1.5nm；若无层间阳离子，d[001]则为0.96nm。有机膨润土的d[001]可以达到2nm以上。

增大晶面间距的途径有二。一条途径是选择分子量更大的适当的有机改性剂，如双长链烷基季铵盐能提供更大的分子量，遗憾的是，世界上已知的粘土矿藏中，只有少数矿藏适合于用双长链烷基季铵盐有机改性，大部分膨润土不适合双长链烷基季铵盐有机改性；另一条途径是选择初始晶面间距更大的粘土，累托石的d[001]为2.2～2.7nm，是已知的各种粘土中原始晶面间距最大的粘土矿物之一，以其为原料制备有机粘土是提高晶面间距的有效途径。

专利02115758.8公开了一种有机复合累托石及其制备方法，其中的有机累托石由累托石、有机插层剂(如长链烷基季铵盐、己二酸己二胺或碳原子数6～12的氨基酸)、质子化剂组成。所谓有机插层剂即为有机改性剂。例如，所称的长链烷基季铵盐插层剂为十六烷基胺、十六烷基三甲基胺(原文如此)或碳原子数为12～18的其它长链烷基季铵盐，为单长链烷基季铵盐，每100份累托石加入的有机插层剂最多可至30份。即使采用纯度90%以上的累托石为原料，制得的有机累托石晶面间距d[001]最高仅能达到3.8～4.1nm。

专利02115876.2公开了一种用于合成纳米复合材料的累托石/有机复合物及其制备方法，其有机累托石复合物由累托石与胺或胺盐、氨基酸、内酰胺、二胺二酸盐类等有机单体或有机单体和质子化试剂发生离子交换反应制成。据文献“累托石在聚合物纳米复合材料中的应用”(《工程塑料应用》2004年，第32卷，第1期)报道，应用该技术，经有机阳离子交换反应所制得的高纯累托石/有机复合物的晶面间距d[001]由2.2616nm提高到4.2924nm。

上述两个专利中有机累托石由粘土/有机改性剂/质子化剂三种组分或粘土/有机改性剂两种组分构成，其中的有机改性剂不包括双长链烷基的季铵盐，改性剂分子量尚不足够高，其有机化产物不易获得更大的晶面间距。

作为以超大分子量为有机改性剂制备有机累托石的例子，专利200610124484.6公开了一种壳聚糖季铵盐/累托石纳米复合材料及其制备方法，该复合材料实质上是一种有机累托石，基本组成为壳聚糖季铵盐和累托石，以壳聚糖季铵盐为有机改性剂，插层后累托石晶面间距d[001]在2.9nm～3.5nm之间。另一个有关壳聚糖季铵盐类有机改性剂的涉及有机累托石的专利是200910213896.0，所用有机改性剂为羧甲基壳聚糖季铵盐，其有机累托石的晶面间距d[001]在4.2nm～4.72nm之间。但是，壳聚糖类季铵盐的成本高昂，其有机累托石产品定位于医药材料、生物材料，不具备在石油钻井、涂料、工程塑料、橡胶等领域应用的经济性。

专利201010258856.0、专利201510893277.6、专利201511005536.3公开了几种不同的油基钻井液用有机累托石及其生产方法，其中的有机累托石都是由累托石和单长链烷基季铵盐构成，其权利要求、发明内容阐明了所用季铵盐改性剂的通名为m-烷基三甲基卤化铵或n-烷基二甲基苄基卤化铵。因此，就有机改性剂分子量的对比而言，其有机化产物不易获得更大的晶面间距。