多孔凹凸棒石基复合材料的结构与性能研究

论文总字数：24113字

目 录

1 前言 1

1.1凹凸棒石 1

1.1.1 凹凸棒石的结构 1

1.1.2 凹凸棒石的特性 2

1.1.3 凹凸棒石的应用 3

1.2多孔材料 4

1.2.1 多孔材料的特性和用途 5

1.2.2 多孔材料的研究进展 5

1.2.3 多孔材料的制备方法 6

1.3研究目标及主要内容 6

2 实验方法 8

2.1实验材料及仪器 8

2.2实验过程 8

2.2.1样品制备 9

2.2.2吸附实验 13

2.3性能测试 13

2.3.1孔隙率测试 13

2.3.2导热性能测试 14

2.3.3吸附性能测试 14

2.3.4力学性能测试 15

3 多孔凹凸棒土基复合材料的制备及结构 16

3.1发泡制备 16

3.1.1气孔的长大 17

3.1.2气孔的稳定 18

3.1.3气孔的固化 19

3.2多孔凹凸棒土基复合材料的结构 19

4 多孔复合材料的性能研究 20

4.1孔隙特征 20

4.2导热性能 21

4.3吸附性能 25

4.4力学性能 26

5 结论与展望 28

参考文献 29

致 谢 30

多孔凹凸棒石基复合材料的结构与性能研究

王波

，China

Abstract：Porous materials with special three-dimensional pore structure have a large specific surface area and are often used for as adsorption and carrier materials. In this paper, porous composites were prepared by using attapulgite as raw material and gypsum as additive. The effects of different amount of pore-forming agent on the porosity, mechanical properties and thermal properties, as well as the effects of different pore sizes on the adsorption properties were studied. The results showed that the porosity of porous composites was over 75v% and the amount of adsorbed paraffin is more than 33wt%. The fiber adding enhanced the compressive strength of porous materials with the same amount of pore-forming agents, but it had no obvious effect on the adsorption capacity.

Key words: Attapulgite; Porous material; Foaming; Adsorption performance

1 前言

1.1凹凸棒石

凹凸棒石（Attapulgite）又称坡缕石（Palygorskite）或坡缕缟石，为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有独特的层链状结构特征。俄国学者Tsavtchenkov^[1]在1862年于乌拉尔矿区首先发现这一矿物，并将其命名为“Palygorskite”。世界矿物命名委员会在1982年对凹凸棒石和坡缕石的晶体结构和化学成分进行鉴定得到两种为同一种矿物，并将其统称为Palygorskite^[2]。

相比之下，国内对凹凸棒石的发现相对较晚，直到1976年中国内地学者许冀泉等^[3]在中国江苏六合地区发现该矿物。随后，许冀泉将该矿物译成“凹凸棒石”。1982年内地学者在江苏盱眙县发现凹凸棒石粘土矿，经勘查评价，该地区为大型矿床规模；1984年安徽明光一带也发现了凹凸棒石粘土矿，之后相继在全国14个省区发现凹凸棒石粘土矿床^[4]。我国的凹凸棒石资源主要分布在江苏、安徽和甘肃等地，这三地区的凹凸棒石储量占全国的90%。但是，各地区的凹凸棒石资源的品质参差不齐。随着我国矿产资源的开发利用和加工设备技术的进步，我国正逐步成为世界凹凸棒石资源大国。目前我国对凹凸棒石资源的开发和利用水平相对较低，很多情况下我国都是以廉价的原矿出口给发达国家，造成我国凹凸棒石资源的严重浪费，因此，凹凸棒石资源高附加值应用的开发与利用具有重要的意义^[5]。

1.1.1 凹凸棒石的结构

凹凸棒石是一种具有层链状结构的水和含有镁铝硅酸盐矿物，其集合体为涂装块体结构，它的颜色为灰白、青灰、微黄或浅绿色，其比重较轻（2.05-2.3g/cm³），莫氏硬度为2-3，由于其内部多孔道、比表面积较大，使得水分子和有机分子可以直接被吸附到其孔道结构中，因而具有强的吸水性。凹凸棒石所形成的地理环境差别较大，其晶体结构以及化学分子式的变种很多。凹凸棒石的理想分子式为：(Mg、Al、Fe)₅Si₈O₂₀(HO)₂(OH₂)₄•4H₂O，其结构属于2:1型片层状粘土矿物，上下两层为硅氧四面体片层结构，中间一层为镁氧或者铝氧八面体片层结构^[6]。一般情况下在晶体结构中会出现离子置换现象，由于凹凸棒石晶体中含有很多Al³ 、Fe³ 等杂质会取代Mg² ，以及含有很多Na等杂质，会使其出现很多变种。图1-1为凹凸棒石的晶体结构示意图与模型图。根据图片可知，在凹凸棒石晶体结构中，上下两层之间由Mg、Al原子连接，硅氧四面体层由O原子连接^[7]。根据凹凸棒石模型可知，在其结构内部有许多孔道，并且孔道又与其构成的链层相间排列，每个孔道的截面积半径大致相等，截面半径约为3.7Å×6.4 Å。并且具有微孔分子筛作用。

凹凸棒石特殊的晶体结构中有四种不同水的形态：（1）位于其内部孔道中的羟基水；（2）配位时产生的结晶水；（3）位于其表层的吸附水；（4）其晶体结构孔道内部的沸石水^[8]。由于凹凸棒石的结晶度以及化学组成与这四种水的组合形态不同，在煅烧中会表现出不同的脱水过程，不同形态的水会在不同温度下被脱除。

1.1.2 凹凸棒石的特性

凹凸棒石是独特的层链状晶体结构，其晶体束聚集体呈现团块状，解离的单个晶体呈现纤维状。一根纤维的长度大约为0.5~1μm，有些纤维长度可超过1cm；纤维的直径大约为20~30nm。由于凹凸棒石晶体内部的孔道结构很多，因此具有较大的比表面积，独特的晶体结构赋予了许多独特的物理化学特性。主要包括有：吸附性、催化性、流变性、载体性等^[9]。

凹凸棒石的吸附性主要原因是因为其具有较高的比表面积以及表面物化结构，吸附可分为物理吸附和化学吸附。凹凸棒石的物理吸附是因为凹凸棒石晶体具有较大的比表面积，通过范德华力将物质吸附在其表面。因此凹凸棒石独特的孔道结构从而决定了其物理吸附的能力。凹凸棒石化学吸附作用是由于其表面可能存在的吸附中心导致的。电荷不平衡引起的吸附，其主要是通过不同价态的离子与凹凸棒石晶体中的Fe³ 、Al³ 、Mg² 发生交换，从而导致电荷不平衡和凹凸棒石表面电荷分布不平衡产生吸附作用；晶体结构中的Si-O-Si晶格键断裂产生的Si-OH基团不仅可以吸附带正电荷的离子还可以吸附外表面分子。可以与被吸附的物质形成共价键，因此具有较强的吸附能力^[10]。此外，凹凸棒石还具有阳离子交换能力，是因为凹凸棒石在形成过程中存在类质同晶的置换等作用导致其表面呈现电负性，从而具有交换吸附阳离子的性质。凹凸棒石还具有较高的可塑性，其可塑性与其吸水性紧密相关。

凹凸棒石的载体性主要是由于其独特的孔道结构、界面性质和较大的比表面积，因此凹凸棒石可以成为一种理想的催化剂载体，并且可以直接或者通过适当的表面改性处理用于固体催化剂^[11]。

凹凸棒石的催化性能主要是缘于凹凸棒石结构中非等价阳离子类质同相替代造成晶格缺陷，形成酸性和碱性中心从而有利于酸碱协同催化作用的产生。凹凸棒石的表面存在Si-OH基团，该基团的亲和力很强，可以与一些有机物发生作用产生相应的有机物衍生物，其与不饱和键的分子接触时，有一定几率导致发生聚合反应产生催化作用^[12]。同时凹凸棒石还是良好的催化剂载体，贵金属以及大多数金属离子催化剂可以分散在凹凸棒石的表面以及孔道中。

凹凸棒石的流变性主要表现为在较低浓度下凹土可以形成稳定的悬浮液。凹凸棒石晶体为三维层链状结构，可以在平行与纤维轴的方向上解离，在外力的作用下凹凸棒石的较大纤维束可以在溶液中分散，形成的单体纤维或较小的纤维束分散形成杂乱的网络状结构（如图1-2所示），并且体积变大，于是就形成了具有流变性的高稳定性的悬浮液。凹凸棒石悬浮液的特性主要取决于悬浮液的浓度、pH值、剪切力的大小、时间、电解质的浓度以及其他因素。在凹凸棒石形成的悬浮液中，单个纤维状凹凸棒石晶体之间可以相互运动，也可以自由运动，因此它也具有胶体的性能^[13]。

图1-2凹凸棒石电镜下的照片

1.1.3 凹凸棒石的应用

由于凹凸棒石独特的晶体结构、物理化学性质和工艺特性，可作为结构性材料和功能性材料，使其在农业、化工业、建材、医药、催化等方面得到了广泛的应用。目前，凹凸棒石的应用主要是基于凹凸棒是具有较高的吸附性，具体应用如下：

土壤修复剂。因为凹凸棒石具有比表面积大、吸附能力强、粘结性能强、密度低等特点，可以用做农药的载体和造粒剂，可以延长药效，降低生产成本。凹凸棒石与缓释肥相结合，改善了农作物的生长环境，降低了化肥对土壤的破坏，提高肥料的利用率。由于凹凸棒石独特的结构具有纳米孔道，可以改良土壤环境。凹凸棒石具有较强的离子交换能力，可以置换金属离子，尤其是重金属离子，可以用于治理受污染的土壤和水，保证农作物的质量。凹凸棒石本身具有对农作物有益的微量元素，可以有效提高农作物的产量和品质，是因为其本身独特的物理化学性质，从而具有修复土壤的能力。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24113字

相关图片展示：