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新型合成膨润土助剂及其应用

来源:毕克助剂(上海)有限公司 作者:周克尧 时间:2019-10-04 点击:
导读:合成膨润土是一种人工合成的源自于无机片状硅酸盐的独特助剂。合成膨润土可以添加到许多水性产品,比如涂料、家用清洁和个人护理品配方中。它提供触变性,有黏度剪切敏感、改善贮存性和防分水性。着重介绍了合成膨润土在涂料中的作用机理及其应用。
0 引言
膨润土又称鹏润岩或者斑脱岩,是以蒙脱石为主要成分的黏土岩——蒙脱石黏土岩。其化学成分相当稳定,被誉为“万能石”。膨润土源于1888 年在美国怀俄明州福特本顿堡(Fort Benton)附近被发现的黄绿色、柔和、吸水膨胀的黏土物质。美国地质学家W.C. Knight 于1898 年以其产地“Fort Benton”命名为“Bentonite”。以后,人们把凡是具有膨润土部分物理特性的黏土统称为膨润土。20 世纪初期,火山成因理论比较流行。有一部分科学家和地质学家,包括Condra(1908)、Werry(1917)、Hwitt(1917)和Shnnon(1926)等认为,“膨润土主要是由火山物质蚀化而成的结晶黏土矿物组成”。随着时间的推移,许多国家的科学家和地质学家陆续发现火山物质和膨润土之间并没有直接的联系。1972 年,在西班牙马德里举行的国际黏土会议(AIPEA)上,R.E.Grim 提出了膨润土的广泛定义,Grim 认为,膨润土是以蒙脱石类矿物为主要组分的岩石,是蒙脱石矿物达到可利用含量的黏土或黏土岩。其中,蒙脱石(Montmorillonite)是由其发现地——法国蒙托利隆(Montmorillon)而命名的。
固体膨润土颗粒分散在水中后具有胶体的一些特性,大体可以分为:运动性质、平衡性质和稳定性质。膨润土颗粒具有固体物质的吸附性能,颗粒表面带有电荷,有的带正电,有的带负电。由于离子热运动,离子在界面上建立起具有一定分布规律的扩散双电层,这就决定了膨润土胶体的物理、化学性质。

1 膨润土的物理性质和化学性质
1.1 吸水膨胀性
膨润土具有吸湿性,能吸附相当于其自身体积8~15 倍的水量。吸水后的膨胀倍数是其自身体积的30 多倍。膨润土的主要成分蒙脱石是2∶1 层状硅酸盐。其中的Al3+ 和Si4+ 可以被Mg2+、Ca2+ 或Fe2+ 置换,可交换的阳离子骨架有剩余负电荷,加上蒙脱石晶层间结合力较弱,能吸附阳离子和极性水分子,根据阳离子种类及相对湿度,层间能吸附一层或两层水分子。另外,在蒙脱石晶胞表面也吸附了一定量的水分子。但是,蒙脱石的吸水作用有一定限度,所吸的水分子层(即水化膜)达到一定厚度并分布均匀时,吸水量即达到平衡,若此平衡遭破坏即失水后,吸水膨胀性能又得以恢复。
1.2 分散悬浮性
蒙脱石以胶体分散状态存在于溶液中。蒙脱石矿物颗粒细小,它在单位晶层之间易分离,水分子易进入晶层与晶层之间,充分水化后以溶胶形式悬浮于水溶液中。一种或几种物质分散在另一种物质中的分散体,成为分散体系。被分散的物质称为分散相,分散相颗粒所在的连续介质称为分散介质。按分散相颗粒的分散程度不同,分散体系可以分为3 类,如表1 所示。
分散体系的特征
钠基蒙脱石颗粒细小(钙基蒙脱石矿物颗粒较粗),在水介质中可以解离成单位晶胞,分布均匀,沉积速率较慢,故分散性好。
1.3 触变性
触变性是指胶体溶液搅拌时剪切变稀(剪切力降低),而静置后变稠(剪切力升高)的特征。膨润土结构中的羟基在静置的介质中会产生氢键,使之成为均匀的胶体,并且有一定的黏度。在外界剪切力存在下进行搅拌时,氢键被破坏,黏度降低。所以膨润土溶液在搅动时悬浮液表现为流动性良好的溶胶液;停止搅动时就会自行排列成具有立体网状结构的凝胶,不发生沉降分层和有水离析。
1.4 粘结性和可塑性
1.4.1 粘结性
粘结性是指膨润土的胶体悬浮液具有较高的黏度。黏度是胶体流动时固体颗粒之间、固体颗粒与液体颗粒之间、液体颗粒之间等的内摩擦力。
膨润土与水混合具有的粘结性由多种因素所致,如膨润土亲水、颗粒细小、晶体表面电荷多样化、颗粒不规则、羟基与水形成氢键等。由多种聚附形式形成溶胶,使膨润土与水混合具有很大的粘结性。高膨胀性的蒙脱石在水溶液中具有较高的分散度。同时粘土颗粒在一般条件下聚集状态稳定,颗粒絮凝具有一定的凝聚强度。
1.4.2 可塑性
膨润土具有较好的可塑性,它的可塑性及含水量大大高于高岭石和伊利石,而形变所需要的力则较其他粘土小。膨润土中的应力- 应变值随其中交换阳离子种类的不同而变化。钠基膨润土的可塑性高,粘结性强。
1.5 离子交换性
从结构上看,蒙脱石是由两层硅氧四面体加一层硅氧八面体构成的,在晶胞结构内,Si4+、Al3+ 可被低价阳离子置换,使单位晶层中的电荷不平衡,出现过剩的负电荷,即蒙脱石晶胞成为“大负离子”,每个晶胞所带的净电荷约为-0.66。粘土矿物的层单胞电荷数在0~4 之间变动。电荷数约为0.7 和1.3 的粘土矿物,其表面和层间的阳离子均具有交换性能,在层间可以进入可交换阳离子和水分子。因此,在水或极性溶液中可以发生体积膨胀。
1.6 对有机物的吸附性
蒙脱石中硅氧四面体或铝氧八面体中的Si4+ 或Al3+ 被其它低价离子取代的晶格置换引起内部电荷不平衡,形成电负性吸附中心,从而具有吸附各种阳离子和极性分子的能力,因此蒙脱石晶层和晶胞表面可吸附多种有机分子。同时,又由于蒙脱石独特的双八面体结构和层状组合,使其具有较大的比表面积(456~676 m2/g),所以蒙脱石对大分子有机物也具有较高的选择吸附性。
1.7 稳定性
1.7.1 热稳定性
膨润土具有一定的热稳定性。在受热情况下,仍具有一定的阳离子交换能力和热膨胀性能。当加热至100 ℃时,离子交换容量(CEC)能达到90 mmol/100 g 以上。继续加热,离子交换容量逐渐降低,钠基蒙脱石的CEC 在300~390 ℃时中等强度降低,在390~490 ℃时丧失膨胀性能。
蒙脱石晶层间吸附水于300 ℃左右完全释出,结构水于500 ℃时大量释出,于800 ℃时完全释出,生成无水蒙脱石。
蒙脱石的熔点与化学成分有关。高铁蒙脱石在1 000 ℃以下熔化,贫铁蒙脱石在1 200~1 300 ℃尚不熔化,碱金属和碱土金属的存在使蒙脱石的耐火度降低。
1.7.2 无毒性
膨润土对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用,对人体皮肤无刺激,对神经、呼吸系统无影响。因此,可用于医药载体、赋形剂和饲料添加剂等。
1.7.3 化学稳定性及溶解度
蒙脱石不溶于一般的酸,氢氟酸是其唯一的溶剂。蒙脱石在室温下不与碱、氧化剂、还原剂发生化学反应,具有较好的化学稳定性。
蒙脱石的晶格骨架不溶于水,同晶置换在晶层底面的阳离子在水介质中具有亲水性,形成水化膜,同时作为交换剂的反离子可以溶解在水中。
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