锚固插层改性蒙脱石的制备方法及其在聚合物基纳米复合材料中的应用技术

本发明专利技术涉及聚合物／蒙脱石纳米复合材料领域，公开了锚固插层改性蒙脱石的制备方法及其在聚合物基纳米复合材料中的应用。本发明专利技术采用多功能插层剂对蒙脱石进行功能化锚固插层改性，并且插层剂还是ＡＴＲＰ的反应引发剂，能够在蒙脱石片层间引发单体的活性聚合。在蒙脱石的片层间进行活性可控的ＡＴＲＰ，形成活性大分子，并在此基础上与其他聚合物采用常规的插层复合法制备三元聚合物结构可控活性大分子／蒙脱石纳米复合材料。这种改性的方法成功解决了蒙脱石很难在聚合物中全面而有效地均匀分散，导致聚合物／蒙脱石纳米复合材料的力学性能远远低于理论预期值的难题，为聚合物纳米复合材料的市场化应用领域的拓展提供坚实的技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及聚合物/粘土纳米复合材料领域，具体是指合成出多功能插层剂，通过共价键锚固在蒙脱石的片层上，对蒙脱石进行有机化处理的制备方法。
技术介绍
聚合物/蒙脱石纳米复合材料因表现出许多优异的性能已引起了人们的极大的兴趣。蒙脱石具有纳米片层的结构，当它们以单个的片层均匀分散于聚合物基体中，或使聚合物分子链插入蒙脱石层间，所得的纳米复合材料的性能可获得显著的提高，甚至出现许多新的性能。聚合物/蒙脱石纳米复合材料具有高耐热性，高强度，高模量，高气体阻隔性和低的膨胀系数，而密度仅为一般复合材料的65％-75％，因此可广泛地应用于航空，汽车，家电，电子等行业作为新型高性能塑料。聚合物/蒙脱石纳米复合材料具有良好的阻隔性，可用于包装领域。在成膜和吹瓶过程中，硅酸盐片层平面取向形成阻挡层，可用于高性能包装和保鲜膜。聚合物/蒙脱石纳米复合材料也可以用作阻燃材料，可在飞机内部材料、燃料舱、电子或电气部件，制动器、轮胎等方面得到应用。为了增加蒙脱石与聚合物之间的相容性，一般需要对蒙脱石进行有机柱撑改性，改性的作用有两个方面，一方面是柱撑剂改变蒙脱石片层的极性，降低蒙脱石片层的表面能，把蒙脱石片层间的亲水环境改变为亲油环境，以提高蒙脱石与亲油的聚合物相容性，增加两相间的亲和性；另一方面是通过柱撑剂进入蒙脱石的片层间，导致蒙脱石的层间距增大，以利于聚合物的分子链插层进入蒙脱石片层间。最常用的插层改性剂是含长链烷基的季铵盐，此类插层剂改性的蒙脱石其主要不足是：1、由于季铵盐的热分解温度较低，因此季铵盐改性的蒙脱石与工程塑料熔融共混插层时，会由于季铵盐的分解导致聚合物变色，从而制约了有机蒙脱石在工程塑料中的应用。2、这种方法改性的有机蒙脱石中的插层剂与蒙脱石片层的结合力并不强，在与聚合物共 混制备纳米复合材料的过程中，强烈的剪切会引起层间的一部分有机小分子插层剂脱出，导致聚合物大分子很难进入到蒙脱石的片层间，蒙脱石会重新聚集成为团状大颗粒，很难在聚合物中全面而有效地均匀分散，导致聚合物/蒙脱石纳米复合材料的力学性能远远低于理论预期值，复合材料应具有的纳米效应也无法表现出来。这两个问题是制约聚合物纳米复合材料工业化应用的关键技术难题，如能有效解决，可突破聚合物纳米复合材料的应用瓶颈，对市场领域的拓宽和技术的深化起到积极的促进作用。-->
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种锚固插层改性蒙脱石的制备方法，采用多功能插层剂对蒙脱石进行功能化锚固插层改性，插层剂可以通过共价键锚固在蒙脱石的片层上，以防止插层剂的脱出；并且插层剂还是ATRP(原子转移自由基聚合)的反应引发剂，能够在蒙脱石片层间引发单体的活性聚合。本专利技术的目的还在于提供锚固插层改性蒙脱石在聚合物基纳米复合材料中的应用，在蒙脱石的片层间进行活性可控的原子转移自由基聚合(ATRP)，形成分子量大小适度、分布狭窄的活性大分子，并在此基础上与其他聚合物采用常规的插层复合法制备三元聚合物结构可控活性大分子/蒙脱石纳米复合材料。本专利技术的技术方案如下：锚固插层改性蒙脱石的制备方法，包括如下步骤：(1)将100重量份的蒙脱石与10～50重量份的含有脂肪伯胺或仲胺的硅氧烷试剂A在水中通过阳离子交换进入蒙脱石片层，硅氧烷水解形成硅醇，与蒙脱石片层的表面羟基团进行反应，形成硅氧共价键锚固于蒙脱石片层内，反应时间(包括阳离子交换及水解过程)为0.5～24h，而硅氧烷分子中脂肪伯胺或仲胺的一端为季铵盐阳离子；然后在100℃下真空干燥脱去水，将季铵盐还原为伯胺或仲胺，得到初级有机蒙脱石；(2)取50重量份的上述步骤(1)中得到的初级有机蒙脱石和10重量份的含两个卤基团的试剂B加入到无水丙酮溶剂中，在室温下，搅拌，卤基团与有机胺基反应20h，然后在室温下真空过滤，将固体与液体分离，得到含ATRP的引发剂的二级有机蒙脱石；(3)取20重量份上述步骤(2)中得到的二级有机蒙脱石、1～5重量份的催化剂溴化亚铜以及1～5重量份的配合剂2，2’-联吡啶(bpy)加入到烧瓶中；抽真空、充氮气，反复多次；然后注入溶剂环己酮和10～20重量份的苯乙烯、丙烯酸或酯类聚合单体，升温到80～150℃氮气保护下聚合反应12h，反应瓶放入-15℃冰盐浴中终止反应，沉淀物用蒸馏水洗涤，产物在50℃下真空干燥24h，得到锚固插层改性蒙脱石。进一步的，所述的硅氧烷试剂的结构为其中R1为氢基、甲基、乙基或丙基；R2和R3为甲基或乙基；R4为直链烷基或支链烷基，直碳链长度为2～8。进一步的，含两个卤基团的试剂的结构为其中R5为甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基或异丁基；X1和X2为卤基团，相同或不-->同。进一步的，所述卤基团为溴基或氯基。上述制备方法制备的锚固插层改性蒙脱石在聚合物基纳米复合材料中的应用，锚固插层改性蒙脱石的用量为聚合物的重量的0.3～100％。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术采用多功能插层剂对蒙脱石进行功能化锚固插层改性，热稳定性好。2、本专利技术采用多功能插层剂对蒙脱石进行功能化锚固插层改性，采用的插层剂不仅具有插层的功能，还可以通过共价键锚固在蒙脱石的片层上，以防止插层剂的脱出；并且插层剂还是ATRP的反应引发剂，能够在蒙脱石片层间引发单体的活性聚合。在蒙脱石的片层间进行活性可控的原子转移自由基聚合(ATRP)，形成分子量大小适度、分布狭窄的活性大分子，并在此基础上与其他聚合物采用常规的插层复合法制备三元聚合物结构可控活性大分子/蒙脱石纳米复合材料。(3)本专利技术的改性的方法成功解决了蒙脱石很难在聚合物中全面而有效地均匀分散，导致聚合物/蒙脱石纳米复合材料的力学性能远远低于理论预期值的难题，为聚合物纳米复合材料的市场化应用领域的拓展提供坚实的技术支持。附图说明图1是本专利技术锚固插层改性蒙脱石的制备过程示意图。图2是本专利技术实施例1的X射线衍射图。图3是本专利技术实施例2的X射线衍射图。图4是本专利技术实施例3的X射线衍射图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1(1)称取100g蒙脱石粉末与30g的含有胺基的硅氧烷试剂在水中通过阳离子交换进入蒙脱石片层，硅氧烷再水解形成硅醇，与蒙脱石片层的表面羟基团进行反应，形成硅氧共价键锚固于蒙脱石片层内，室温下反应时间为12h；然后在100℃下真空干燥脱去水，将季铵盐还原为伯胺或仲胺，得到初级有机蒙脱石；硅氧烷试剂为：(2)取50g的初级有机蒙脱石、10g的含两个溴基团的试剂2-bromo-isobutyryl bromide(2-溴代异丁基溴)，加入到无水丙酮溶剂中，在室温下，搅拌，溴基团与有机胺基反应20h，然后在室温下真空过滤，将固体与液体分离，得到含ATRP的引发剂的二级有机蒙脱石；(3)取20g二级有机蒙脱石、3g的催化剂溴化亚铜，3g的配合剂2，2’一联吡啶-->(bpy)加入到烧瓶中，抽真空、充氮气，反复三次，然后注入15g甲丙烯酸甲酯聚合单体和溶剂环己酮，升温到80℃氮气保护下聚合反应12h，反应瓶放入-15℃冰盐浴中终止反应，沉淀物用蒸馏水反复洗涤，产物在50℃下真空干燥24h，得到最终有机蒙脱石。对最终有机蒙脱石样品进行X-射线衍射分析，结果如图2所示，曲线1是未改性蒙脱石的X-本文档来自技高网...

【技术保护点】
锚固插层改性蒙脱石的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（１）将１００重量份的蒙脱石与１０～５０重量份的含有脂肪伯胺或仲胺的硅氧烷试剂在水中通过阳离子交换进入蒙脱石片层，硅氧烷水解形成硅醇，与蒙脱石片层的表面羟基团进行反应，形成硅氧共价键锚固于蒙脱石片层内，反应时间为０．５～２４ｈ，而硅氧烷分子中脂肪伯胺或仲胺的一端为季铵盐阳离子；然后在１００℃下真空干燥脱去水，将季铵盐还原为伯胺或仲胺，得到初级有机蒙脱石；（２）取５０重量份的上述步骤（１）中得到的初级有机蒙脱石和１０重量份的含两个卤基团的试剂加入到无水丙酮溶剂中，在室温下，搅拌，卤基团与有机胺基反应２０ｈ，然后在室温下真空过滤，将固体与液体分离，得到含ＡＴＲＰ的引发剂的二级有机蒙脱石；（３）取２０重量份上述步骤（２）中得到的二级有机蒙脱石、１～５重量份的催化剂溴化亚铜以及１～５重量份的配合剂２，２’－联吡啶加入到烧瓶中；抽真空、充氮气，反复多次；然后注入溶剂环己酮和１０～２０重量份的苯乙烯、丙烯酸或酯类聚合单体，升温到８０～１５０℃氮气保护下聚合反应１２ｈ，反应瓶放入－１５℃冰盐浴中终止反应，沉淀物用蒸馏水洗涤，产物在５０℃下真空干燥２４ｈ，得到锚固插层改性蒙脱石。...

【技术特征摘要】
1.锚固插层改性蒙脱石的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将100重量份的蒙脱石与10～50重量份的含有脂肪伯胺或仲胺的硅氧烷试剂在水中通过阳离子交换进入蒙脱石片层，硅氧烷水解形成硅醇，与蒙脱石片层的表面羟基团进行反应，形成硅氧共价键锚固于蒙脱石片层内，反应时间为0.5～24h，而硅氧烷分子中脂肪伯胺或仲胺的一端为季铵盐阳离子；然后在100℃下真空干燥脱去水，将季铵盐还原为伯胺或仲胺，得到初级有机蒙脱石；(2)取50重量份的上述步骤(1)中得到的初级有机蒙脱石和10重量份的含两个卤基团的试剂加入到无水丙酮溶剂中，在室温下，搅拌，卤基团与有机胺基反应20h，然后在室温下真空过滤，将固体与液体分离，得到含ATRP的引发剂的二级有机蒙脱石；(3)取20重量份上述步骤(2)中得到的二级有机蒙脱石、1～5重量份的催化剂溴化亚铜以及1～5重量份的配合剂2，2’-联吡啶加入到烧瓶中；抽真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈明亮，池水莲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]