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蒙脱土的主要特性以及在涂料中的应用
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-05-21 10:37:17    浏览次数:
 
      (中国粉体技术网/班建伟)蒙脱土(MMT)是一种纳米厚度的硅酸盐片层构成的粘土,其基本结构单元系两层硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片构成的2∶1型层状结构,此结构单元层之间以分子间力连接,比较松散,在外力或极性水分子的作用下层间会产生相对运动而膨胀或剥离。铝氧八面体中的Al3+可被Mg2+、Fe3+(Fe2+、Zn2+等多种离子置换,硅氧四面体中的Si4+也可被Al3+置换,但置换率较小。由于Al3+置换Si4+,使得MMT晶体结构带负电荷,为达到电价平衡,MMT晶胞会吸附交换性阳离子(如Li+、K+、Na+、Ca2+等),使其位于单元层之间。另外,在八面体片中OH-置换O2-也会部分补偿晶格中的负电荷。因此,MMT类矿物有吸附阳离子和极性有机分子的能力。由于MMT的层间结构松散,水分子或其他有机分子可以进入层间,所以造成了MMT的吸水膨胀性、高分散性、吸附性等,也是MMT易造浆、活化、有机化和改型等的原因所在。

1蒙脱土特性
        MMT由于其特殊的晶体结构而具有较好的吸水膨胀性、分散悬浮性、触变性、粘结性、可塑性、离子交换性、有机物吸附性、稳定性等性能。
1.1吸水膨胀性
       MMT具有吸湿性,能吸附8~15倍于自己体积的水量。吸水后能膨胀,膨胀倍数是自身原体积的30余倍。MMT的吸水作用有一定限度,所吸的水分子层(即水化膜)达到一定厚度并分布均匀时,吸水量达到平衡,若此平衡被破坏即失水后,吸水膨胀性能又得以恢复。
1.2分散悬浮性
       MMT以胶体分散状态存在于溶液中。MMT矿物颗粒细小,它的单位晶层之间易分离,水分子易进入晶层与晶层之间,充分水化后以溶胶形式悬浮于水溶液中。
1.3触变性
       MMT结构中的—OH在静置的介质中会产生氢键,使之成为均匀的胶体,并且有一定的粘度。当在外界剪切力存在下进行搅拌时,氢键破坏,粘度降低,所以在搅动时MMT悬浮液表现为流动性很好的溶胶液;停止外加搅动就会自行排列成具有立体网状结构的凝胶,并不发生沉降分层和有水离析;再施加外力搅动时,凝胶又迅速被打破,恢复流动性。
1.4粘结性和可塑性
1.4.1
粘结性
        MMT与水混合具有粘结性,其源于多方面,如MMT亲水、颗粒细小、晶体表面电荷多样化、颗粒不规则、—OH与水形成氢键。由多种聚附形式形成的溶胶,使MMT与水混合具有很大的粘结性。
1.4.2可塑性
       MMT具有较好的可塑性,其可塑性水的百分含量大大高于高岭土和伊利土,而形变所需要的力则较其他粘土小。
1.5离子交换性
       在MMT晶胞结构内,高价Si4+、Al3+可被低价阳离子同晶置换,致使单位晶层中的电荷不平衡,出现过剩的负电荷,即MMT晶胞成为“大负离子”。MMT晶胞所带负电荷一部分由八面体晶片中OH-置换O2-来补偿,一部分静电吸附一些低价阳离子来平衡,被吸附阳离子具有交换性。
1.6有机物吸附性
       MMT中硅氧四面体或铝氧八面体中的Si4+或Al3+被其他低价离子取代的晶格置换引起内部电荷不平衡,形成负电性吸附中心,从而具有吸附各种阳离子和极性分子的能力,因此,MMT晶层间和晶胞表面能吸附多种有机分子。
1.7稳定性
1.7.1
热稳定性
       MMT具有一定的热稳定性,在受热情况下仍具有一定的阳离子交换能力和膨胀性能。
1.7.2化学稳定性
       MMT不溶于一般的矿酸,氢氟酸是惟一能溶解硅酸盐的溶剂,MMT在室温下不与碱、氧化剂、还原剂反应,具有较好的化学稳定性。
1.7.3溶解性
       MMT的晶格骨架不溶于水,同晶置换在晶层底面的阳离子在水介质中具有亲水性,形成水化膜,同时作为交换剂的反离子可以溶解于水中。
1.8无毒性
       MMT对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用,对人体皮肤无刺激,对神经、呼吸系统无影响。

蒙脱土在涂料中的应用
       在涂料中应用MMT,可以改善其性能,例如可以提高涂料的阻隔性、阻燃性、耐热性、防腐性、抗菌性等性能。
2.1苯丙涂料
       苯丙涂料(SA)是一种用苯乙烯改性的丙烯酸系共聚乳液涂料,由于在共聚物中引入苯乙烯链段,提高了涂膜的耐水性、耐碱性、硬度和抗污性。这种涂料可供水泥、砂浆、木材、混凝土底材的涂装,在乳液涂料中占有很大的比例,但它的耐寒、耐水、耐热性较差,限制了其使用范围。将SA与MMT复合,不但能提高SA的物理机械性能,而且由于MMT的二维层间结构,SA的阻燃性也得到较大提高。
       刘军辉等人先采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对MMT有机化,制得有机蒙脱土(OMMT),再由乳液插层聚合法合成SA/OMMT涂料,SA能够有效地插层到OMMT层间,层间距由1.55nm增大到4nm左右,且OMMT片层可以均匀地分散在SA共聚物中;OMMT不但能提高SA的粘度,增加SA的贮存稳定性,而且赋予SA阻燃性,有效降低其热释放速率和质量损失,在OMMT用量为2%时效果最好,制得的复合阻燃涂料是一种安全、高效、环保的涂料,性能达到阻燃清漆国家标准的要求,为新型阻燃涂料的研究探索了一条新途径。
2.2聚合物水泥基涂料
       聚合物水泥基涂料是由液体组分和固体组分组成的双组分水乳型防水涂料,其中液体组分主要是聚合物乳液,并添加各种助剂,固体组分则是无机粉料,水泥是其主要成分。
       它是一种绿色环保型防水涂料,代表着防水材料的发展方向之一。聚合物水泥基涂料兼具无机和有机材料的优点,表现在既有水泥类凝胶材料强度高、易于与潮湿基面粘结的特点,又有聚合物涂膜弹性大、防水性好的特点,但也存在耐水性差、使用寿命短等缺点。
      采用MMT对聚合物水泥基涂料进行插层改性以形成纳米复合结构,可望对涂膜的力学性能、热性能、耐候性及耐水性加以改善。周虎、余剑英等人通过乳液插层技术制备了OMMT插层改性丙烯酸酯乳液,并由其制得丙烯酸酯乳液水泥基防水涂料,在OMMT用量为3%时,OMMT插层改性可显著提高涂膜的力学性能(拉伸强度和断裂伸长率),显著改善涂膜的耐水性能、耐热老化性能和耐紫外老化性能。另外,苑金生利用当地的粉煤灰微珠和MMT研制开发了聚合物水泥基防水涂料,配方新颖独特,该产品具有刚柔相济的特性,技术性能优异,达到国内同类产品领先水平。
2.3  抗菌性乳胶漆
       抗菌性乳胶漆具有涂层细腻丰满、抗菌防霉、耐候等特点,它的出现推动了建筑涂料的发展。目前,乳胶漆中添加的抗菌剂一般为金属离子型无机抗菌剂或氧化物型无机抗菌剂。金属离子型无机抗菌剂主要为银离子和锌离子抗菌剂,虽然银离子抗菌剂的抗菌效果优良,但是其易变色的特点限制了它在乳胶漆中的广泛应用;而锌离子抗菌剂的抗菌效果仅为银离子的1/100,需在乳胶漆中添加较多的抗菌剂才能达到抗菌要求。
       氧化物型无机抗菌剂主要为氧化锌和氧化钛型抗菌剂,同样需要添加较多的量才能达到抗菌标准。此外,无机抗菌剂的防霉效果差,而直接使用有机抗菌剂,短期抗菌效果好,但有机抗菌剂有一定毒性,且抗菌持久性差,不符合环保要求。张葵花等人采用离子交换法将十二烷基二甲基苄基氯化铵插层到钠基MMT中制备了复合抗菌剂,再将其加入到水性乳胶漆中制备抗菌水性乳胶漆,当成膜物为硅丙乳液、抗菌剂添加量为1.0%时,乳胶漆对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率大于99%,长霉等级为0级,且经水浸泡后抗菌防霉性能不变,显示其长效抗菌防霉性能。

结语
       纳米技术是21世纪的一次新的技术革命,而MMT作为迄今为止原料来源最为丰富、价廉易得的纳米材料之一,其在聚合物中的广泛应用展现出诱人的前景,它的发现已被公认为纳米材料发展史上新的里程碑。目前,MMT纳米复合材料虽然已经获得了多种优良性能,但研究的涂料品种较少,对其机理尚需进一步的深入探讨,并加快该方面的研究步伐。对此,笔者认为以下几个方面将是今后研究的重点:
     (1)研究涂料与MMT的复合机理,提出合理的复合过程模型,从而解决复合过程的盲目性,研究出更多的制备工艺和方法。
     (2)研究有机相与无机相的界面、键合形式、界面的稳定性等。
     (3)开发更加有效的材料结构和形态表征方法。
     (4)改进MMT纳米粒子分散方法。
    (5)开发功能性MMT纳米材料,充分发挥MMT纳米粒子的特性。


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