基于蒙脱石对烷基铵吸附特性的蒙脱石/烷基铵复合物结构和凝胶性能的设计

The montmorillonite/alkylammonium complexes have satisfactory gelling and adsorption properties, which are used widely in rheological controlling of high grade paints and grease, adsorption of inorganic and organic pollutants and as precursors in the synthesis of polymer intercalated nanocomposites. So the adsorption of alkylammonium on montmorillonite and its influence on the structure and gelling performance of montmorillonite/alkylammonium are the hotspot and difficult problems in this research field. .Applying the theory of Structural Chemistry, Chemical Physics and Clay Mineralogy. By studying the adsorption of different alkylammoniums on montmorillonite with different crystal properties, the maths models of reaction thermodynamics and kinetics for the alkylammonium adsorption on the montmorillonite under different reaction conditions are systematically explored. On base of the research result, the subject will give the adsorption mechanism of the alkylammoniums on the montmorillonite, determine the saturation adsorption amount of the alkylammoniums on the montmorillonite, propose the macroscopic dynamic model of the montmorillonite/alkylammonium complexes during reaction, built the relation of the alkylammoniums adsorption model, montmorillonite/alkylammonium structure and gelling performance, accomplish the design of the structure and gel performance of the compounds in theory. Therefore, the research subject has both the theoretical value and application prospect in research of montmorillonite/alkylammonium.

蒙脱石/烷基铵复合物具有优良的凝胶性能和吸附性能，是高档涂料、润滑脂的流变性控制剂、水污染物吸附剂以及纳米复合材料前驱物等。蒙脱石对烷基铵吸附特性及其对蒙脱石/烷基铵复合物结构和凝胶性能的影响规律是该领域的研究热点和难点。本课题拟通过对不同结构烷基铵在不同晶体特性的蒙脱石层间域中吸附特性深入研究，综合应用结构化学、物理化学以及粘土矿物学等基本理论建立烷基铵结构特性、蒙脱石结晶特性、复合物合成工艺条件等因素综合影响下的蒙脱石对烷基铵吸附的热力学和动力学模型，阐明不同条件下烷基铵在蒙脱石中的吸附机理，确定烷基铵在蒙脱石中的饱和吸附量，提出蒙脱石/烷基铵复合物结构形成的宏观动态模型，构建不同条件下烷基铵在蒙脱石层间域的吸附模型、复合物的结构模型和凝胶特性三者之间的对应关系，在理论上完成蒙脱石/烷基铵复合物的结构和凝胶性能的设计，本课题在蒙脱石/烷基铵复合物研究方面具有重要的理论价值和应用前景。

项目执行期间，针对项目研究内容，利用小型试验和分子模拟相结合的方法展开研究，取得以下主要研究成果：.①蒙脱石层电荷特性与其水化性能密切相关：随着蒙脱石层电荷密度的增加，蒙脱石硅氧面极性增强，层间水分子和硅氧面形成氢键的数量及氢键吸附能升高，蒙脱石在水中分散性变差。.②pH大小影响烷基铵在蒙脱石上的吸附特性：强酸性体系不利于烷基铵在蒙脱石上的吸附；弱碱性体系有利于烷基铵在蒙脱石上的吸附，吸附量和吸附率最高；强碱性体系由于有机阳离子和钠离子的竞争吸附导致其吸附量和吸附率均下降。.③烷基铵碳链长度影响其在蒙脱石上的吸附特性：随着烷基铵碳链长度增加，蒙脱石对烷基铵的吸附反应速率k逐渐增大，吸附量随着烷基铵碳链长度降低而降低。烷基铵在蒙脱石上的吸附过程为放热反应，吸附自发程度与烷基铵碳链长度负相关。.④烷基铵碳链数量影响其在蒙脱石上的吸附特性：十六烷基铵在蒙脱石上的吸附符合准二级动力学方程，反应速率常数k与碳链数负相关，其等温吸附数据均符合Modified Langmuir方程，吸附效率与碳链数正相关；蒙脱石层电荷密度较低时，反应ΔG与碳链数负相关；层电荷密度较高时，则为正相关。.⑤蒙脱石层电荷密度、烷基铵碳链长度及用量影响烷基铵插层蒙脱石的微观结构和凝胶性能：烷基铵用量较少时，烷基铵在蒙脱石层间呈水平层状，随着烷基铵用量增加，渐变为倾斜缠绕状和堆垛状分布。蒙脱石层电荷密度越高、烷基铵碳链越短，层间域中原子自扩散系数越低。蒙脱石层电荷密度越低、烷基铵碳链越长、烷基铵用量在1.0-1.5CEC，制备复合物在二甲苯乙醇体系中的凝胶性能较好。.⑥十六烷基铵碳链数量和用量影响十六烷基铵插层蒙脱石的结构和凝胶性能：随着十六烷基铵碳链数量和用量增加，复合物层间域中的原子分布范围变宽，原子的自扩散系数降低。相应十六烷基铵由水平层状变为倾斜缠绕状，最后变为堆垛状。十六烷基铵碳链数量越高，复合物表观粘度和胶体率越高。.⑦多种因素影响烷基铵插层蒙脱石的稳定性：烷基铵插层蒙脱石的稳定性随着改性时所用烷基铵碳链长度和碳链数增加而增加，随着烷基铵用量增加而变差。当烷基铵用量低时，水的pH值对其稳定性影响不大。当烷基铵用量较高时，随着水pH值和离子强度增加，复合物稳定性变好，但随着温度升高，稳定性变差；当蒙脱石的层电荷密度增加、所用烷基铵碳链长度和数量较多、烷基铵用量较少时，制备的复合物的热稳定性较好。