有机硅烷嫁接阴离子粘土的结构特征与制约因素研究

水滑石是自然界存在的唯一一类阴离子型粘土矿物。水滑石与有机物间的相容性是制约其在环境工程、纳米复合材料等领域应用的关键问题之一。已有研究表明，有机硅烷嫁接是改变无机矿物表面亲和性的有效方法之一。申请者拟在已有工作的基础上，以人工合成水滑石为基质，选择不同官能团（乙氧基）数目的有机硅烷，在不同实验条件下（有机硅烷添加量、不同介质、温度等），对其进行有机硅烷嫁接的实验研究。通过对嫁接产物结构和成键方式的研究，揭示阴离子粘土矿物的矿物学特征、嫁接反应条件、有机硅烷特性对嫁接产物的结构与表面性能的影响及其制约机理，建立有机硅烷嫁接阴离子粘土矿物的合成方法。本项申请是矿物表面反应性研究的深入和拓展，属于矿物学与材料科学的交叉领域；同时，相关研究可为粘土矿物资源的利用、粘土矿物基纳米复合材料的分子设计与合成提供科学的理论依据和技术途径，具有重要的理论和实践意义。

水滑石是自然界存在的唯一一类阴离子型矿物（层状复合金属氢氧化物）。水滑石亲水性表面与有机物间的相容性是制约其在环境工程、纳米复合材料等领域应用的关键问题。本项目打破传统有机表面活性剂改性方法，充分利用水滑石表面羟基，使之与有机硅烷发生缩合反应，形成共价键而将有机官能团嫁接在其表面，达到改善其表面亲合性的目的。本项目按计划完成了有机硅烷嫁接水滑石的研究内容，主要取得如下认识：（1）设计并建立了7种有机硅烷嫁接水滑石的合成方法；（2）嫁接反应发生于水滑石表面的内外表面可由是否添加表面活性剂、以及表面活性剂用量加以控制；（3）水滑石的结晶度、物相纯净度、形貌等除了与反应介质的pH、温度、时长等密切相关外，还与骨架离子中二价金属离子酸碱性直接相关；（4）嫁接产物中有机硅烷与矿物表面的结合方式与溶剂极性强弱、介电常数大小密切相关；（5）水分子是水滑石常温发生嫁接反应的必要条件，但是，无水状态下吸附状态存在有机硅烷在受热后可发生嫁接反应。富水条件形成的嫁接产物中，有机硅烷多以T2与T3结构模式存在，其比例与水含量有直接关系。（6）有机硅烷嫁接水滑石均具有比原始水滑石更高的热稳定性能和不同形貌的纳米结构。本项目所制备的有机硅烷嫁接水滑石在纳米复合材料、新型阻燃剂、高性能阴离子吸附材料等领域具有广阔的应用前景。对其进行深入和系统的研究将促进矿物学与材料科学、纳米科学、环境工程等学科的交叉与发展。