煤系硬质高岭石纳米剥片机理研究

用煤系硬质高岭石和特定的有机分子作插层剂制备高岭石有机插层复合体，研究其结构稳定性和插层前后的晶体矿物学特征；采用功率超声对高岭石有机复合体进行剥片试验，研究剥片前后高岭石的晶体化学和晶体结构特征；研究功率超声场参数、介质条件、高岭石插层复合体与纳米剥片的相关关系；研究超声场中高岭石颗粒的动力学特征和晶片剥离方式；运用定量数据分析和模拟软件，对不同种类的高岭石有机复合体进行分子模拟，定量描述高岭石与有机插层分子的键合力大小、插层物空间排列与组装特征在高岭石纳米剥片中所起的作用；在上述研究的基础上，阐明煤系硬质高岭石纳米剥片机理。.本项目可为煤系硬质高岭石的纳米剥片提供理论依据和可行的技术路线。

选取不同类型的煤系硬质高岭岩，研究其高岭石的结构和晶体化学特征。选择不同类型的极性或强极有机分子（甲酰胺、乙酰胺、丙烯酰胺、醋酸钾、脲、肼、二甲基亚砜等）制备高岭石插层复合体，研究在不同温度、介质等环境中，高岭石插层复合体的结构稳定性，并利用功率超声方法对高岭石插层复合体进行纳米剥片试验，研究纳米剥片机理。研究发现不同区域煤系硬质高岭岩中的高岭石的结晶程度差异较大，按照结晶有序度可以划分为高度有序、有序、较无序和无序四类，不同类型的高岭石对插层作用有明显影响；不同类型有机分子进入高岭石晶层难易程度不同，不同插层分子具有不同的键合方式。如肼类含NH2，它往往通过Si-O面的氧原子形成氢键NH-O-Si插层，醋酸钾和二甲基亚砜（DMSO）含官能团C＝O或S＝O，它往往与Al-O 层的羟基形成 氢键O＝C-H-O-Al或O＝S-H-O-Al。在高岭石类型和有机插层分子一定的情况下，插层反应温度、插层剂（有机分子）的浓度、搅拌速度、浆液浓度等因素对高岭石有机复合体的制备起决定性作用。制备高岭石有机复合体是进行纳米剥片的中间步骤，通过使特定的有机分子插层进入高岭石层间域，减弱高岭石晶层间的结合力，便于在尽量不破坏晶体结构的情况下，实现高岭石的纳米级剥片。功率超声波在液体介质中产生的“声空化作用”可以产生瞬间的高温、高压和巨大的冲击波使高岭石复合体颗粒产生很高的速度和巨大的加速度，高岭石有机复合体颗粒之间及颗粒与超声杆之间的碰撞，使得颗粒沿插层复合体的薄弱面—即沿晶层面裂开，形成径/厚比较大的片层结构，制备出晶片平均厚度30-50nm,晶片的平均直径500-800nm的纳米高岭石。项目发表论文14篇，其中SCI收录2篇、EI收录6篇；获得实用新型专利1项；获得2013年度河北省科技进步一等奖（R3）一项、获得2013年度中国煤炭工业协会科技进步一等奖（R14）一项；培养了8名硕士研究生。