合成的有机粘土材料制造技术

本发明专利技术涉及合成的阳离子有机硅镁石粘土材料，涉及其在纳米复合材料中的用途，还涉及其制备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及基于粘土和有机化合物的合成的有机粘土材料，涉及其制备方法，还涉及其在各种应用中的用途。材料可以加到各种聚合物，塑料和树脂基质中，从而形成本专利技术的增强的结构强度的纳米复合材料。它们也可用作流变添加剂，用作阻燃剂添加剂，或用于水中纯化应用。合成的粘土材料粘土矿物是固体物质，基本上由金属和氧原子组成，其晶格结构具有层状结构。这种层状结构由三个重复层组成。基本三层结构中心基本上是三价或基本上二价金属离子(阳离子)层。基本上是三价离子的粘土矿物的例子是蒙脱石和贝得石；基本上是二价离子的粘土矿物的例子是汉克特石和皂石。中心层中的金属离子被氧和氢氧根离子八面体包围。在含有三价离子的粘土矿物中，三个八面体位置中的两个被金属离子所占据。因此，这被称作双八面体粘土矿物。在含有二价金属离子的粘土矿物中，所有的三个八面体位置均由金属离子所占据；这被称作三八面体粘土矿物。在八面体包围的金属离子的层的相对侧上，占据着四面体包围的离子。这些四面体包围的离子通常是硅离子，而部分硅可选择地可以被锗，铝，硼等所取代。四面体包围的硅离子单元是Si8O20(OH)4。就这一点而言，应注意的是，在四面体和八面体层中，电荷所处的实际点不能总是被同样明确地表明。因此本文中所用的术语′离子′涉及到给定一个完整的离子结构，原子应该具有与氧化态相应的静电荷的情况。粘土矿物的本质在于，一部分阳离子被低价离子或空位所取代(即缺少阳离子)。因此，在制造过程中，可以分别用二价和一价金属离子取代八面体层中的部分三价或二价金属离子，或产生空位。在基本上是三价金属离子的情况下，这种取代得到蒙脱石，在基本上是二价金属离子的情况下，得到汉克特石。在带有空位的八面体层中，在材料包括二价金属离子时，粘土是硅镁石。也可以用三价铝，锗或硼离子取代四面体层中的四价硅离子。在八面体层中几乎全部是三价离子的粘土矿物时，得到贝得石，在八面体层中几乎全部是二价离子的粘土矿物时，得到皂石。当然，用低价离子取代或缺失离子可能使薄片缺少正电荷。这种正电荷缺失可通过在薄片之间包括阳离子来补偿。通常，包括的这些阳离子是水合形式，从而使粘土溶胀。三层薄片间的距离因包括水合阳离子而增加。因包括水合阳离子而具有溶胀的能力是粘土矿物的特性。每个晶胞具有0.4～1.2个负电荷的溶胀粘土矿物被称作绿土。溶胀的粘土矿物内层中的阳离子被强烈水合。因此，这些离子可以移动，并易于交换。天然粘土矿物应用中的一个主要问题在于，尽管这些材料可能很便宜，但是性能极难控制。现有技术中的粘土矿物的合成在技术上也很困难。通常，在相对较高的温度和压力下，在水性悬浮液的搅拌下，使用长期(几周)的水热处理。通常，同时仅能合成几克或甚至几十毫克的粘土矿物。这种技术极难大规模(工业)应用，也不可能。因此，合成的粘土矿物很昂贵。由于天然粘土矿物较差的可控制性能和合成的粘土矿物的高价，因此相当程度地限制了粘土矿物的催化应用。尽管1980年左右的专利文献对(柱状)粘土矿物的催化作用进行了大量的研究，但是其技术应用仍很少。在WO-A96-07613中，公开了一种制造合成的溶胀粘土矿物的方法。有机粘土材料有机改性的粘土，也称作有机粘土，多年来一直被用作溶剂基体系的流变添加剂。它们通常通过制造天然页硅酸盐粘土(通常是绿土粘土)的水分散体，并将其加到长链脂肪酸的季铵盐中，通过阳离子交换反应和吸附制得有机改性的粘土，从而来制备。反应可能使有机粘土从水分散体中凝结，从而使其可通过过滤和洗涤进行分。相似地，有机粘土可以在无水下制备，通过在加热和剪切下，挤压混合绿土粘土和季铵化合物，没有水或其他溶剂存在。然而，这种方法通常制得的有机粘土质量很低，因为原因之一终产品仍含有盐反应副产物，而不能被洗涤或容易地与有机粘土分离，还有其他原因。粘土通常是层状页硅酸盐的绿土粘土。绿土粘土具有与更公知的矿物滑石和云母相似的一些结构特征。它们的晶体结构由二维层组成，而二维层是通过熔合氧化铝(例如蒙脱石)或氧化镁(例如汉克特石)的两个氧化硅四面体薄片与一个共边的双八面体或三八面体薄片形成，-不同的绿土粘土具有略微不同的结构。近来，含有粘土添加剂的聚合物，树脂和塑料广泛地用作重钢和其他金属产品的替代品，尤其是在汽车制造领域中。还发现，它们可以在其他领域中起作用，包括作为桥梁元件，以及在轮船结构中作为重钢元件的替代品。利用挤压成型和注射成型，例如，通过用绿土质型粘土(以及基于绿土粘土，斑脱土和汉克特石的有机粘土)分散在尼龙基质中形成尼龙分子复合材料，以及通过用精细分散的硅酸盐粘土片层，已经成功地增强了尼龙基质。这种产品也被称作纳米复合材料，增强了结构、拉伸、撞击和弯折强度。生成的塑料/粘土产品(或纳米复合材料)的行为从定性角度来看不同于单独的塑料，聚合物或树脂所表现出来的行为，本领域所属技术人员将这归因于粘土中数百分个显微层间的基质链的限制。长期以来公知的是，斑脱土和汉克特石是由厚度不超过约1纳米的平面硅酸盐薄片组成的粘土。有机粘土材料已被广泛地用作塑料添加剂，用作流变和/或阻燃剂添加剂，或用于水纯化中。在纳米复合材料制备中使用有机粘土的早期工作公开在美国专利2,531,396中。该专利于1947年申请，教导了有机改性的斑脱土的用途，用于对弹性体(如橡胶，聚氯丁烯和乙烯聚合物化合物)提供结构增强。一代后，开始出现其他专利。Toyota开始在1984年获得了多项专利美国专利4,472,538；4,739,007；4,810,734；4,889,885；和5,091,462，将有机粘土添加剂用于塑料中，并公开了商用塑料结构，例如，用于替代汽车中的钢元件。用作包括绿土粘土，季铵化合物和有机阴离子的反应产物(其中季有机阴离子配合物与绿土粘土穿插)的流变添加剂的有机粘土，例如公开在美国专利4,412,018中。大量的有机化合物被描述作为有机阴离子，包括能够与所用季铵反应的羧酸。至今为止，纳米复合材料的制造通常包括使有机粘土与聚合物粉末混合，将混合物压成球，以及在适宜温度下加热。例如，通过使聚苯乙烯与烷基铵蒙脱石混合，并在真空中加热，使聚苯乙烯穿插。选择加热温度高于聚苯乙烯的整体玻璃态转变温度，从而确保聚合物熔融。美国专利5,514,734和5,385,776-通常涉及到使用非标准有机改性的尼龙6基质和粘土。就这一点也请参见，Vaia等人的论文，题目为Synthesis and Properties of Two-Dimensional Nano Structures ByDirect Intercalation of Polymer Melts in Layered Silicates，Chemistry ofMaterials 1993，5，页1694-1696。通用电气公司的美国专利5,530,052公开了硅酸盐材料，包括蒙脱石粘土，用至少一种杂芳香阳离子改性，并用作指定聚合物的添加剂，从而制得纳米复合材料。其他现有技术揭示，通过在粘土存在下，使单体反应，可直接制备聚合物-粘土穿插物。参见Interfacial Effects On The ReinforcementProperties Of Polymer Organoclay nanocomposite本文档来自技高网...

【技术保护点】
合成的阳离子有机硅镁石粘土材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：茹莱斯卡斯帕艾伯特安东勒洛夫斯，
申请(专利权)人：英格哈得公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]