酸活化埃洛石纳米管表面有机硅烷化改性研究

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埃洛石作为自然界普遍存在的一类粘土矿物材料,有着卓异的管状形貌,是许多科学研究方向的重点,近年来其在环境领域的研究与应用势头攀升。天然的埃洛石应用前景有限,通过各种手段对埃洛石表面性能进行提升或活化改性,可有效拓展其应用领域。但是,现有科研成果通常着眼于埃洛石经过改性后整体性能的检验,对其在矿物学方面的探索较为缺乏,较少深入探究埃洛石的活化及改性机理,也就缺乏对埃洛石改性的定向调控研究成果。因此,本文选用湖北产埃洛石,针对酸活化埃洛石的效果及机理进行探究,并在不同溶剂体系下将γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)负载到埃洛石的原样和酸活化样上,从而探究不同溶剂体系对负载效果和机理的影响,通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、电感耦合等离子体质谱(ICP)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热分析(TG)、氮气等温吸附脱附测试、核磁共振(NMR)等多种表征手段,创新性地将酸活化与有机硅烷改性方法相结合,开展了埃洛石经强酸活化预处理后在不同反应溶剂体系下进行有机改性的效果及机理探索,进而得到针对埃洛石有效且可控的定向调节有机改性手段,从而为埃洛石的改性研究、应用以及后续实验积累科学经验。本文得出以下主要结论:(1)埃洛石在强酸(4 mol/dm3盐酸溶液)活化过程中,由管内腔首先受到侵蚀,管内径逐步增大,管壁变薄,管腔内逐渐出现石英颗粒,样品中逐渐出现埃洛石脱落片层。溶液中的CAl(Ⅲ)呈现稳定上升态势,而CSi(IV)经过6天的快速增长后达到动态平衡平台。在活化时间为10天以内,样品仍能大量且良好地保持管状形貌。(2)在无水甲苯溶剂体系下,对埃洛石原样和管状形貌维持较好的酸活化样品开展有机硅烷(APTES)嫁接,得到其改性反应原理包含直接嫁接反应和低聚反应。酸活化处理通过改变埃洛石形貌和表面羟基的分布来达到对有机硅烷改性的定向调控。经计算,酸活化6天的埃洛石(HNTs-6)有着最高的有机硅烷负载量(4.16 mass%),改性效果最佳。(3)在无水乙醇和不同比例乙醇/水溶剂体系下,对埃洛石原样和HNTs-6进行APTES改性,通过对比探究发现,埃洛石的有机硅烷负载量受到溶剂的极性以及含水量的强烈影响。经过与非极性溶剂体系对比发现,极性溶剂体系下由低聚而负载到埃洛石上的有机硅烷占比较低,有机硅烷负载量也较少;而酸活化样在极性溶剂中仍比原样有更多的有机硅烷负载量;溶剂中含水量的增大可促进有机硅烷的水解和缩合反应,使有机硅烷负载量增多(在乙醇/水的比例为8/2时,改性效果最佳),但仍低于极性溶剂条件的负载量。溶剂含水量过多会使埃洛石出现团聚现象,且加剧有机硅烷之间的水解和缩合反应,降低体系中的硅醇含量,导致有机硅烷负载量降低。
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