专利名称：一种直接置换插层制备0.85nm水合高岭石的方法
技术领域：
本发明涉及一种水合高岭石的制备方法，尤其是涉及一种直接置换插层制备 0. 85nm水合高岭石的方法。该水合高岭石具有较强的置换插层能力，可以作为一种制备其 他高岭石插层复合物的环保型前躯体，属于复合材料领域，在纳米催化、药物传递、离子导 体、电极、纳米复合材料等领域具有广阔的应用前景。
背景技术：
高岭石是一种重要的非金属矿产资源，主要由微小片状、管状、叠片状等高岭 石族矿物组成，工业上广泛用于造纸、陶瓷、油漆、橡胶、塑料、石油化工等领域。高岭石 (Al2Si2O5(OH)4)是一种典型的1:1型层状硅酸盐，其晶体结构是由铝氧八面体和硅氧四面 体复层在c轴方向上作周期性排列组成，层与层间通过铝羟基和硅氧基之间形成的氢键相 连。一定条件下，某些物质(原子、离子或分子)可以克服层间的作用力可逆地插入层间空 隙，而不破坏其原有的层状结构，这种作用称为插层作用。高岭石插层复合物一直是行业研究的热点，在电化学、药物传递、聚合物纳米复合 材料、催化剂等领域具有较大的科研和应用价值。由于高岭石层状结构中存在大量的羟基 活性基团，因而不同于蒙脱土，当高岭石与其它物质形成复合体系时在形成过程中表现出 特殊的优越性能。不过，由于高岭石晶层内部缺乏同形置换，结构单元层间没有阳离子，因 此高岭石的阳离子交换能力很弱，且高岭石层间存在较强的氢键，一般物质很难进入高岭 石层间，只有少数极性较强的有机小分子如醋酸钾、水合胼、甲酰胺、二甲亚砜、尿素等能够 直接插层高岭石，其他分子只能通过置换等方式进入高岭石层间。要想获得具有各种性能的插层复合物，通常需要利用置换法进行，也即制备高岭 石插层复合物通常需要选择合适的前躯体。但现有如上述的直接插层高岭石复合物并不适 合用作所有分子置换插层的前驱体，有时制备合适的前驱体需要经过几次置换插层才能得 到，因而制备时间长、工艺相对复杂。进一步的研究发现水合高岭石可以作为一种制备高岭石插层复合物的前躯体，一 些不能直接在高岭石层中插层的有机分子，已经报道如乙二醇、丙酮、嘧啶、甘油、氨基酸 等，则可以通过水合高岭石直接与这些有机分子作用，形成稳定的插层复合物。而且，这是 一种环境友好型插层前躯体，某些极性较强并可用来直接插层的有机小分子如二甲亚砜等 都有较强的毒性，会造成一定的环境污染；而这种水合高岭石，其本身是一种水合产物，因 而作为进一步制备各种其它插层化合物的前驱体，对下游环节不会造成任何环境污染，因 此它是一种对环境非常友好的用于制备各种相关插层化合物的产品，必将具有广泛的应用 前景和潜在的市场。然而，现已报道的水合高岭石大多还是利用多步取代插层法制备，如利用二甲亚 砜/高岭石先制备出乙二醇/高岭石复合物，再以乙二醇/高岭石作为中间相与水反应3 天后可得到0. 84nm的水合高岭石。通过先制备N-甲基甲酰胺/高岭石，再以此制备甲醇/ 高岭石复合物，最后与水反应3天后得到1. OOnm的水合高岭石，再在空气干燥或溶液温度高于30°C时可转变为0. 85nm的水合高岭石。总体看，目前水合高岭石基本都是通过前期制 备出稳定性较高的高岭石插层复合物，再与水在低温条件下反应得到，且反应周期较长，通 常需要几天的时间，显然现有工艺还较难用于实际生产。因而目前要想获得具有实用意义的生产工艺并真正用于批量制备这种水合高岭 土前驱体产品，其主要目标是改变工艺，简化制备过程，缩短制备时间。这对这种水合高岭 石前驱体的开发应用并形成专业化的产品市场将起到非常重要的作用。
发明内容
本发明在于提供一种直接置换插层制备0. 85nm水合高岭石的方法。利用尿素插 入高岭石层间作为中间过渡相，通过一次置换插层成功制备了 0. 84nm水合高岭石。本发明采用的技术方案的步骤如下
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将每Ig混合物(1)加入l(T20ml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿 素，离心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
C、将每Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入4(T80ml的去离子水中，在90 100°C下 磁力搅拌3 lOmin，离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高 岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石经X射线衍射、红外光谱和扫描电镜分析表 明，水分子置换尿素/高岭石插层复合物的层间尿素，得到一种水合高岭石，其层间距从原 高岭石的0. 72nm扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为51% 64%，其中水分子嵌入在 高岭石硅氧四面体复方三孔空隙中，能够在空气中长时间稳定存在。本发明与背景技术相比具有的有益效果有
1、采用以尿素/高岭石插层复合物作为前躯体，只需简单的一步置换插层法即可制备 得到0. 85nm水合高岭石，工艺简单，对设备要求低，易于实现工业化生产。2、水置换尿素/高岭石插层复合物的层间尿素反应速度很快，周期短，能够实现 在3 10 min内快速制备形成0. 85nm水合高岭石。3、制备这种0. 85nm水合高岭石所采用的原料只有高岭石、尿素和水，制备过程对 环境无污染。本发明制备的0. 85nm水合高岭石中只含有水分子，不会造成二次环境污染，是一 种制备其他高岭石插层复合物的环保型前躯体，一些不能直接在高岭石层间插层的有机分 子，如乙二醇、丙酮、嘧啶、丙醇、四氢呋喃、甘油等分子，则可以直接通过与水合高岭石作 用，形成稳定的插层复合物，在纳米催化、药物传递、离子导体、电极、纳米复合材料等领域 具有广阔的应用前景。
附图是高岭石原土及含有不同水合高岭石的X射线衍射图。附图中
(a)是高岭石原土 XRD;
4(b)是Ig尿素/高岭石复合物与40ml去离子水在90°C条件下反应!Min后样品的XRD；
(c)是Ig尿素/高岭石复合物与60ml去离子水在90°C条件下反应5min后样品的XRD；
(d)是Ig尿素/高岭石复合物与80ml去离子水在90°C条件下反应IOmin后样品的
XRD;
(e)是Ig尿素/高岭石复合物与40ml去离子水在100°C条件下反应!Min后样品的
XRD;
(f)是Ig尿素/高岭石复合物与60ml去离子水在100°C条件下反应5min后样品的
XRD;
(g)是Ig尿素/高岭石复合物与80ml去离子水在100°C条件下反应IOmin后样品的
XRD。
具体实施例方式实施例1:
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入20ml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入40ml的去离子水中，在90°C下磁力搅拌 3min,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (b)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0.85nm，得到的水合高岭石含量为51%。如图1(b)所示。实施例2:
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入IOml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入60ml的去离子水中，在90°C下磁力搅拌 5min,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (c)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为M%。如图1 (c)所示。实施例3:
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入20ml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入80ml的去离子水中，在90°C下磁力搅拌 IOmin,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (d)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为52%。如图1 (d)所示。
实施例4
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入IOml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入40ml的去离子水中，在100°C下磁力搅拌 3min,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (e)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为57%。如图1 (e)所示。实施例5
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入20ml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入60ml的去离子水中，在100°C下磁力搅拌 5min,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (f)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为59%。如图1 (f)所示。实施例6
a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；
b、将Ig混合物(1)加入IOml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿素，离 心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；
c、将Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入80ml的去离子水中，在100°C下磁力搅拌 IOmin,离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高岭石。按上述步骤制备得到的水合高岭石X射线衍射图1 (g)，其层间距从原石的0. 72nm 扩大到0. 85nm，得到的水合高岭石含量为64%。如图1 (g)所示。
权利要求
1.一种直接置换插层制备0. 85nm水合高岭石的方法，其特征在于该方法的工艺步骤 如下a、称取重量比为1:1的高岭石和尿素进行混合并经研磨Ih后，放入密闭玻璃容器中， 在95°C下热处理48h，得到高岭石/尿素插层复合物和尿素混合物(1)；b、将每Ig混合物(1)加入l(T20ml去离子水中，在室温下磁力搅拌Imin洗去多余尿 素，离心后再用无水乙醇洗涤，得到高岭石/尿素插层复合物O)；C、将每Ig高岭石/尿素插层复合物( 加入4(T80ml的去离子水中，在90 100°C下 磁力搅拌3 lOmin，离心后再用无水乙醇洗涤，经40°C烘干后得到粉末状0. 85nm水合高 岭石。
2.根据权利要求1所述的一种直接置换插层制备0.85nm水合高岭石的方法，其特征在 于用离子水直接置换尿素/高岭石插层复合物的层间尿素，能够制备得到水合高岭石，其 层间距Cltltll从原高岭石的0. 72nm扩大到0. 85nm。
全文摘要
本发明公开了一种直接置换插层制备0.85nm水合高岭石的方法，该法包括以下步骤先通过研磨后续热处理法制备得到尿素/高岭石插层复合物和多余尿素的混合物；再将多余的尿素用去离子水洗去，得到尿素/高岭石插层复合物；最后将尿素/高岭石插层复合物加入到热水中搅拌几分钟，离心干燥后即可得到0.85nm水和高岭石。本发明制备的0.85nm水合高岭石在空气中能够长时间稳定存在，被用来作为制备其他高岭石插层复合物的前躯体。采用的原料对环境无污染，制备工艺简单快速，成本低，易于实现工业化生产。
文档编号C01B33/44GK102107877SQ201010599690
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者宋晨路, 张溪文, 徐刚, 徐剑锋, 杜丕一, 梁怡瑛, 沈鸽, 程逵, 翁文剑, 赵高凌, 韩高荣, 马宁 申请人:浙江大学