基于双官能Janus 特征的高岭石表面选择性修饰及乳液稳定机理研究

In the light of the environment hazards of surfactant emusifying agents and the low stabilization efficiency problem of colloidal pickering emulsifying agents, this work plan to achieve the selective modification for the surfaces of SiO4 tetrahedral layer and Al2(OH)4 octahedral layer of kaolinite by ion exchange method and covalently grafting method using hydrated metal organic cations such as metal organic complex cations as exchange ions and organic compound such as catechols as covalently grafting agents, respectively, based on 1:1 lamella and anisometric platelets structures of kaolinite with bifunctional Janus character. The Janus characteristics of kaolinite will be greatly improved by selective modification. The kaolinite emulsifying agent with Janus characteristics and the emulsion stabilized by Janus kaolinite will be prepared. This work plan to study the ion-exchange property of the SiO4 tetrahedral layer surface and covalently grafting property of the Al2(OH)4 octahedral layer surface of kaolinite, study the selective modification methods and mechanism of kaolinite surfaces, the selective modification effects and characteristic methods, study the preparation methods of kaolinite Janus materials, study the structure, stabilization property and mechanism of emulsion system stabilized by kaolinite Janus material. The results of this work will provide new train of thoughts for the surface modification of clay minerals and for the preparation of environment-friendly emulsions. This work has important scientific meaning and application value for the research of mineral surface modification and mineral material utilization.

本项目针对传统乳液中大量使用表面活性剂的环境问题和胶状Pickering乳液稳定剂的效率问题，拟利用高岭石1:1型结构及两表面本身具有不同官能团组成的Janus特征，分别用金属-有机阳离子（金属有机络合物阳离子等）和有机化合物（儿茶酚等）为表面功能修饰剂，采用阳离子交换和共价接枝方法，对高岭石四面体表面和八面体表面进行选择性修饰，凸显高岭石两表面的亲水亲油性差异和Janus特性。研究高岭石四面体表面的离子交换性能和八面体表面的共价接枝特性，高岭石表面选择性修饰方法和机理、修饰效果及表征方法，高岭石Janus材料的制备和性能，以及高岭石Janus材料乳液稳定体系的结构、乳液稳定性能和机理。该项目的实施和研究成果将为高岭石及其它粘土矿物的表面选择性修饰和环境友好型乳液稳定剂制备提供新的思路，对粘土矿物的表面修饰理论研究和粘土矿物材料的应用都具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

该项目基于传统乳化剂的环境污染和健康问题、以及普通Pickering颗粒作为乳化剂的低效率问题，用高岭石取代表面活性剂制备环境友好型Pickering乳液，用表面选择性修饰的方法提高材料的Janus特征并提高稳定乳液的效率。项目研究了基于选择性修饰高岭石Pickering颗粒在稳定乳液、乳液相转变调控、乳液药物包封材料等领域的应用。取得如下重要结果：. 1)高岭石颗粒与乳液液滴大小之间的匹配特征影响乳化剂与乳液分散相表面之间的作用强度，进而影响乳液稳定性。高岭石粒度对乳液稳定的影响存在最佳值，当高岭石颗粒粒度D90值为1.42μm 时，乳液粘度为378 mPa•s，乳液液滴粒径均匀，乳液稳定性好。高岭石纳米管具有较大的比表面积，易于吸附在水/油表面，在水/油界面处能够组装成规则且紧密的结构，形成致密有序的单层固体颗粒膜,降低界面张力, 防止了液滴之间的聚并,提高乳液的稳定性。. 2)温度是影响高岭石表面修饰作用的主要因素，在40～80 ℃，乙烯基三甲氧基硅烷(vtms) 修饰高岭石的接触角为93°～161°，通过调节修饰温度可以控制高岭石的润湿性。高岭石八面体表面Al-OH 基团与vtms 水解后的Si-OH 基团形成化学接枝。选择性修饰作用提高了高岭石颗粒的极性特征( Janus效应)，具有Janus 特征的高岭石具有良好的乳液稳定作用，乳液中乳状液含量达80%，分散相液滴平均粒径为20 μm，且分布均匀，乳液存放90天后稳定性好。选择性修饰高岭石对乳液类型(水包油或油包水) 具有调控作用。. 3) 以具有不同亲水亲油性的两种改性高岭石作为稳定剂可以获得W/O/W双重Pickering乳液。以接触角为130°的改性高岭石稳定内相乳液（W/O），以接触角为88°的改性高岭石稳定外相乳液(O/W)，获得了可以对水溶性药物儿茶素和油溶性药物姜黄素协同包封的W/O/W双重Pickering乳液。协同包封乳液中，姜黄素和儿茶素的包封效率达到94-98％。项目研究成果对于高岭石的结构及其修饰作用研究、环境友好型乳液制备与应用具有重要的意义。