層狀硅酸鹽礦物的研究進程范文

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摘要:近年來，層狀硅酸鹽礦物受到國內外學者的廣泛關注，由于具有耐熱、耐酸堿、絕緣、強度高、化學穩定性好等優點，被廣泛應用于吸附、催化、防腐等研究領域。目前，研究較多的是通過插層反應制備復合材料，其兼有無機主體和客體分子的性質，表現出優于單一組分具有的特性。本文主要綜述層狀硅酸鹽礦物的結構和性質，并重點討論了層狀硅酸鹽復合材料的研究現狀及應用前景。

關鍵詞:硅酸鹽礦物;復合材料;現狀;綜述

硅酸鹽礦物共有548種，約占已知礦物總數的24%，廣泛分布于巖石和土壤中。按照其結構的不同，大致分為島狀、環狀、鏈狀、層狀和架狀五大結構類型［1］。已知的層狀硅酸鹽礦物共有162種，約占硅酸鹽礦物中總數的29.56%。層狀硅酸鹽礦物是若干由硅氧四面體和鋁氧八面體按照不同規律連接起來的結構層堆垛而成，不同類型的硅酸鹽礦物其硅氧四面體和鋁氧四面體構成比例不一樣，如蒙脫土［2－3］、白云母［4］均為2∶1型化合物，而高嶺土為1∶1型化合物。硅酸鹽礦物的插層復合材料主要包括離子復合材料、納米復合材料和聚合物復合材料，主要應用于催化、防腐、吸附和阻燃等領域。根據其特有的層狀結構，層狀硅酸鹽片層存在大量的可交換離子，可通過離子交換法將無機或有機離子插入片層空間合成離子型復合材料。納米粒子通過插層反應插入片層化合物層間，獲得的納米復合材料不僅改善了納米粒子易團聚的現象，同時還可以使其更加穩定［5］。層狀硅酸鹽與聚合物復合制備高分子復合材料不僅可以改善高分子材料的機械強度和性能差的缺點，而且可以增強耐高溫、耐腐蝕的性能。本文主要綜述蒙脫土、白云母、高嶺土和蛭石4種常見的硅酸鹽礦物的研究現狀及應用前景。望能對這方面的研究工作者提供參考和指導。

1蒙脫土的研究現狀及進展

蒙脫土層板不具有氧化性和耐酸堿性，其層板間僅靠層間陽離子的弱靜電作用連接，其為二層硅氧四面體夾一層硅氧八面體構成2∶1型結構層，片層厚度大約為1nm，長度由30nm到幾千納米不等，這種特殊的結構賦予蒙脫土［2］許多特性，比如膨脹性、吸附性、離子交換性、分散性、懸浮性和黏結性等［6］。李玉峰［7］利用聚苯胺本身具有很好的導電性，在蒙脫土層間插入聚苯胺，得到聚苯胺－蒙脫土復合材料，將其用于金屬的防腐蝕研究，研究發現聚苯胺－蒙脫土復合材料改善了聚苯胺單一作為防腐蝕材料的不足。黃春等［8］利用聚噻吩的防腐蝕性能，將改性的蒙脫土與噻吩共混，在氧化劑的作用下噻吩在蒙脫土層間發生共聚。該研究對聚噻吩－蒙拓土的結構及性能進行分析并測試該材料對鋼片表面防腐性能，研究發現蒙脫土的片層結構延長了氧氣和水同金屬接觸的路徑，而另一方面體系具有一定的導電性可避免局部腐蝕。程博等［9］分析了鈣基蒙脫土和有機改性的鈉基蒙脫土在阻燃方面的應用，結果表明加入鈣基蒙脫土的Al(OH)3乙烯－醋酸乙烯酯復合材料熱釋放更低，形成的碳層隔熱效果更好，表現出更優異的性能，分析認為有可能鈣基蒙脫土中的鈣離子對燃燒成炭具有促進作用。冉詩雅等［10］利用酸堿處理蒙脫土與磷酸酯阻燃劑復配阻燃PC/ABS合金，結果表明酸堿處理的蒙脫土不僅可以改善合金的起始分解溫度，還可以增加碳層的穩定性，使第二熱釋放峰值出現的時間延遲。

2白云母的研究現狀及進展

白云母和大部分硅酸鹽層狀化合物一樣，具有層狀結構，因此改變其層間環境或層間距成為了許多國內外科研工作者的研究方向［10］。王清淼等［11］利用熱處理改善白云母結構的穩定性，然后在高溫條件下與LiNO3進行離子交換，改性白云母，證實可以從白云母層間置換出K+，并增大其層間距。劉德春等［12］利用雙氧水為膨脹劑，采取加熱的方法對白云母進行化學膨脹，使得其層間距從0.912nm增大到0.999nm，膨脹效果顯著，再將十六烷基三甲基溴化銨插入層間，本身親水性的白云母層改性為親油性，并用XRD、FTIR和TG等對其分析，結果表明其很好的插入白云母層間，得到了小分子有機物插入白云母層間的復合材料。因此，白云母在特殊環境下改性，使得其層間距增大成為可能。改性的白云母與特定性能的材料復合，可獲得具有不同功能的復合材料。韓璐［13］利用硝酸鋰與白云母共融，利用Li+置換出層間的K+，得到層間距增大的白云母。然后通過離子交換將CTAB插入白云母層間，得到復合材料，用于吸附亞甲基藍，使得其原始吸附量從3.2953mg/g升至7.0342mg/g，表明十六烷基三甲基溴化銨插入微晶白云母層間，得到的復合材料用于吸附，不僅考慮了白云母本身結構特性用于吸附有機染料，同時根據相似相溶原理，層間由于十六烷基三甲基溴化銨的存在，使原來對有機物吸附呈惰性的微晶白云母層間環境得到了改變，改善了白云母對亞甲藍吸附性能。由于聚噻吩的共軛電子對效應，使得其具有大多數高分子不具有的導電的特性。凌英等［14］利用聚噻吩的導電性，白云母的耐蝕性，合成聚噻吩－白云母復合材料。該復合材料具有聚噻吩良好的光學、電學和環境穩定性，電導率也可以從絕緣體到良導體之間變化的特性，同時也利用了白云母具有很好的熱力學、機械、耐酸堿腐蝕等優異性能。噻吩在白云母層間發生共聚，并對該復合材料對金屬鋼片的防腐蝕進行研究，結果表明該材料對金屬鋼片的防腐效果良好，是兩種物質共同發揮作用的結果。針對硬質PVC普遍存在性脆、韌性差、耐熱性及熱穩定性差的缺陷，周世一等［15］以白云母粉體礦物為填料，硅烷偶聯劑KH－550為表面修飾劑，核殼型ACR樹脂為抗沖改性劑，PVC樹脂為材料基體，采用熔融共混法制備了微晶白云母/ACR/PVC復合材料，研究認為該復合材料的力學性能、抗沖壓性能、耐熱性能，延緩老化相對單一的材料有明顯的提升。袁西強等［16］以天然微晶白云母作為礦物載體，鈦酸丁酯作為鈦源，硝酸銅為摻雜離子，采用溶膠－凝膠法制備了復合型光催化劑。由于微晶白云母層狀結構，使得其表面負載納米TiO2顆粒可以形成多層結構，增強了對亞甲基藍的降解效率。

3高嶺土的研究現狀及進展

與蒙脫土和白云母結構不同，高嶺土為典型的二八面體1∶1型層狀鋁硅酸鹽礦物，它的結構單元層由SiO4四面體和AlO6八面體沿c軸堆垛而成，單元層厚度為0.717nm，層間由氫鍵構成。王美榮等［17］在不同溫度下對偏高嶺土進行處理，用XRD和拉曼光譜(Ramanspectra)分別分析物相變化和溫度對其活性的影響，結果發現在738～900℃范圍內對其進行熱處理，隨著溫度的升高，其活性逐漸增大，為進一步處理高嶺土奠定了基礎。張永利等［18］利用煅燒、酸浸的方法對高嶺土進一步改性，并利用SEM等技術手段表征其對Cr(Ⅵ)的吸附能力研究，同時確定最優吸附條件。研究發現經過改性的高嶺土對Cr(Ⅵ)的吸附能力得到增強，該方法對日益嚴重的環境污染具有現實應用價值。

4蛭石的研究現狀及進展

蛭石與其它片層硅酸鹽結構相似，具有良好的陽離子交換性、吸附性和膨脹性等特點。近年來，對蛭石及其改性的研究得到廣泛的關注。吳平霄［19］利用溴化十六烷基三甲基溴化銨和溴化十六烷基吡咯改性插層蛭石對苯酚和氯苯二種非離子型環境污染物進行吸附性能研究，相比原礦對二種有機污染物的吸附能力，經過改性后的蛭石對苯酚和氯苯的吸附能力大大提高。朱建喜等［20］利用溴代十六烷基吡咯、磷酸對膨脹蛭石和未膨脹蛭石進行了改性處理，分析在不同含水量的蛭石對有機分子進入層間的難易的影響，結果發現其含水量雖然對有機分子進入層間具有影響，但由于有機分子具有較強的交換能力，對其影響不是太大。李暉等［21］對蛭石對重金屬離子Cd(Ⅱ)的吸附進行了研究，將蛭石作為吸附劑裝填吸附柱用于重金屬離子Cd(Ⅱ)的連續吸附，結果表明該吸附劑具有吸附速度快，吸附容量大的優點，另外，用酸改性后的蛭石可以增強對重金屬離子Cd(Ⅱ)的吸附能力。

5結語

本文主要綜述了蒙脫土、微晶白云母、高嶺土和蛭石4種層狀硅酸鹽礦物的研究現狀及進展。(1)層狀硅酸鹽礦物因其獨特的結構，經過國內外科研工作者對硅酸鹽礦物研究，將其通過與其它化合物結合，提升了無機層狀化合物在現實中的應用價值。(2)硅酸鹽復合材料具有特定功能的新型材料，主要用于金屬防腐，環境治理、光催化等領域。因此，對層狀硅酸鹽礦物的改性研究，成為當前無機材料研究的重要方向之一。

參考文獻

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作者：殷洪國；羅青松；韓世虎 單位：成都理工大學材料與化學化工學院