蒙脱石基复合材料的制备及表征

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1、蒙脱石基复合材料的制备及表征重庆大学硕士学位论文学生姓名：李贞指导老师：杨长辉教授专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二○一一年五月PreparationandCharacteristicsofMontmorilloniteBasedCompositeMaterialAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringByLiZhenSupervisorbyProf.Chang-huiYangMajor

2、:MaterialScienceandEngineeringCollegeofMaterialsScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.May,2011中文摘要摘要蒙脱石（Montmorillonite）储量丰富，是膨润土的主要组成矿物，是由两层硅氧四面体片[SiO4]中间夹一层铝氧八面体片[AlO2(OH)4]构成的2：1型层状硅酸盐。我国蒙脱石矿物的开发利用比先进国家起步晚，蒙脱石的应用仅限于加工初级产品，附加值较低。寻找或者制备环境友好型、经济实用、多功能复合材料是蒙脱石研究的热点之一。开展本课题的研

3、究，对充分利用我国储量丰富的蒙脱石资源，对其进行深加工，优化孔结构，提高比表面积和热稳定性等性能，制备出高质量、性能稳定的材料，对促进材料科学与工程、矿物加工工程和环境工程等学科的交叉方面的研究具有重要的理论和实际意义。本课题以四川双流蒙脱石为基质，通过研究蒙脱石合理膨胀性能的基础上，对蒙脱石进行钠化改型研究，利用PVA对改型后的钠基蒙脱石进行改性，重点研究不同冷冻条件下、PVA掺量不同时所制备的聚乙烯醇/蒙脱石复合材料的结构特征，采用XRD、SEM、FT-IR、TG-DSC、孔结构和比表面积分析等多种现代测试技术对冻干条件下所制备的材料的性能进行分析表征，并阐明了PVA/Na-MM

4、T的形成机理。研究表明：①蒙脱石的膨胀性能与温度、压力及初始含水量有关。影响蒙脱石膨胀性能因素依次是温度>压力>初始含水率。在温度为80℃；压力为7Mpa；初始状态含水率为5%时，蒙脱石的膨胀达到20.28倍。蒙脱石吸水膨胀后d(001)值由15.12Å增加至16.14Å。②对双流蒙脱石进行钠化改型实验，可以得出钠化效果Na2CO3＞NaCl＞NaOH，钠化工艺的合理控制条件掺量为3％，反应温度80℃，钠化时间为2h。改型后蒙脱石的d(001)晶面的值由15.1261Å降为12.3322Å，由多层晶片堆积的团絮状结构变为单层晶片相互缔合的层状结构。③当Na-MMT微凝胶溶液的浓度在1

5、.8%～2.1%范围内，Na-MMT微粒大小在0.3μm～0.5μm之间时制备的Na-MMT冻干材料具有很清晰的宏观片状纹理。蒙脱石质冻干材料内部的孔隙率大，平均孔径为6.941nm。蒙脱石的晶层间距d(001)由12.3322Å增至13.4278Å，比表面积由原始的58.2m2/g增至160.2m2/g。④V中文摘要冻结方式和PVA掺量影响PVA/Na-MMT复合材料的结构。在普通冰箱冷冻和低温冰箱冷冻条件下，表现为层状叠加结构。在液氮冷冻条件下制备的PVA/Na-MMT复合材料表现为鱼骨状、纤维状结构，PVA/NA-MMT复合材料的d(001)值在PVA掺量为2%时达到最大，为1

6、6.586Å。⑤在液氮冷冻工艺条件下的PVA/Na-MMT复合材料脱出吸附水和层间水的温度提高，失重量降低，复合材料的热稳定性增强。其FT-IR谱图表明PVA与蒙脱石之间并不只是物理吸附，还存在键合关系。PVA掺量为2%时制备的PVA/Na-MMT复合材料主要以中孔为主，且孔径较小，为5.786nm，BET比表面积最大，为228.4m2/g。⑥对冷冻干燥机理进行研究表明，在液氮中冷冻时，试管底部的水冻结迅速，PVA/Na-MMT微凝胶在液氮中过冷度和过饱和度大，成核速度快，容易形成颗粒较多体积细小、均匀分布的冰晶。而普通冰箱和低温冰箱冻结速度慢，大部分水分冻结于晶胞间隙处，形成较大的

7、冰晶，主要形成层片状结构。关键词：PVA，蒙脱石，冷冻干燥，制备，表征V英文摘要ABSTRACTMontmorilloniteisthemainconstitutemineralsofbetonies,andhasabundantreservespresent.Itbelongstothe2:1clayfamilyanditsbasicstructuralunitiscomposedoftwotetrahedralcoordinatedsheetsofsi