納米片層蒙脫土復合材料的制備及性能表征

王風軍　王紅梅

【摘 要】蒙脫土（MMT）是一種具有納米片層結構添加物，納米片層結構具有較好的吸附能力，補強性和觸變性等優異特性。本文就是將蒙脫土分散到海藻酸鈉紡絲原液中，通過偏光鏡、透射電鏡對復合紡絲液進行了表征，表征蒙脫土發生了剝離，通過流變數據對納米復合紡絲液的性能進行表征，表征了納米片層結構對紡絲溶液性能的影響。

【關鍵詞】蒙脫土；納米片層分散；海藻纖維；紡絲溶液

0 引言

在21世紀，納米復合材料迅速發展為最先進的復合材料之一。由于蒙脫土本身具有納米尺度的層狀結構，世界蒙脫土資源極為豐富，分布甚廣，所以被應用到許多領域。蒙脫土是一種層狀硅酸鹽，層狀硅酸鹽的晶體片層間距1nm左右，片層表面主要為氫鍵和電荷作用，在外界物質作用下，該片層很容易擴大或者剝離。片層容易擴大這個特性為制備納米復合材料提供天然的微反應器，片層容易剝離使其更廣泛的被應用于納米復合材料的制備。利用層狀硅酸鹽制備納米復合材料，是我國當前材料科學研究領域的研究熱點。

1 蒙脫土的改性及SA/MMT紡絲原液的配制

蒙托土的改性及其紡絲溶液的配制總共分成了四步：

第一步：將蒙脫土元土和氯化鈉[m（MMT）/m（H2O）=1：5，氯化鈉的用量按蒙脫土離子交換容量計算的理論用量的150%]，60度下磁力攪拌6h，然后抽濾，洗去多余的氯化鈉，真空干燥得到Na-MMT；蒙脫土片層通常吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水合陽離子，從而使層間距發生變化。蒙脫土具有較大的初始層間距以及可交換的層間陽離子，這些結構特征使得利用離子交換的方式可以將蒙脫土層間距擴大到能夠允許聚合物分子鏈插入[1]。

第二步：將Na-MMT與去離子水以1：1000的比例混合，使蒙脫土充分溶脹5天[2]。

第三部：將第二步中的溶液超聲30mins，當作溶劑配制2%的海藻酸鈉溶液。 配小濃度的便于顆粒的均勻分散，但是濃度也不能太小，這樣會使沒有足夠的大分子進入片層之間，從而使片層打開。配小濃度的便于顆粒的均勻分散，但是濃度也不能太小，這樣會使沒有足夠的大分子進入片層之間，從而使片層打開[3]。

第四步：將配好的稀溶液再進行粉碎超聲1h，隨后再加入海藻酸鈉粉末繼續配制所需的溶液。

1.1 MMT的海藻酸鈉溶液偏光圖片

為了表征蒙脫土在溶液中的存在形式，我們使用了偏光顯微鏡。有文獻記載說，蒙脫土如果在水中以單片層的形式存在，則溶液中會看到蝶狀的片層，厚度約為1nm，直徑約為30nm，呈蝶狀[4]。從圖1中我們可以在復合溶液看到蝶狀的片層，則說明蒙脫土在溶液中發生了剝離現象，即部分蒙脫土以單片層的形式存在于復合溶液中。

圖1 復合溶液的偏光照片

圖2 蒙脫土在去離子水中的TEM

1.2 透射電鏡對紡絲原液的觀察

在蒙脫土分散到紡絲原液的過程中，我們采用了先將蒙脫土在去離子水中溶脹一段時間，然后用蒙脫土的懸浮液配制紡絲原液，下圖是蒙脫土在去離子水中的存在形態。

從上圖2（a）中我們可以看到，蒙脫土還是堆積在一起的，還沒有完全溶脹開，從圖2（b）圖中我們看到的就是溶脹開的蒙脫土。讓蒙脫土先在去離子水中溶脹，這樣層間距就增大，有利于海藻酸鈉大分子插入蒙脫土片層，將蒙脫土的片層間距增大，然后再利用超聲分散的方法使蒙脫土以單片層的形式存在于紡絲原液中，從而更好的起到改性的作用。

圖3 為蒙脫土在紡絲原液中的TEM

從圖3（a）中，我們看出這是一個蒙脫土的單片層，這說明我們已將蒙脫土片層打開，紡絲原液里的蒙脫土部分是以單片層的形式存在的。溶液中蒙托土有團聚體出現，由于單純的超聲未能充分打開蒙脫土片層，例如圖3（b）中，蒙脫土片層的間距與在去離子水中的相比是明顯增大了，但是分散的還不均勻，雖然有些分布不是很均勻，但是蒙脫土仍然起到很好的改性作用。為了使纖維得到更好的改性，我們可以使用紫外光照射處理將蒙脫土片層打開，紫外光照射能夠激活納米材料的表面，在顆粒表面產生很多黏結點，海藻酸鈉大分子能夠與這些黏結點很好地結合，從而使蒙脫土片層打開并均勻分散在紡絲原液中[5]。

2 MMT片層對海藻酸鈉紡絲原液粘度的影響

圖4 不同MMT含量的紡絲原液的流動曲線（T=50℃）

圖4為50℃時四種紡絲原液的表觀粘度-剪切速率曲線。從上圖我們可以看出，幾種紡絲原液在低剪切速率下，粘度曲線都比較平緩，相比較而言純海藻酸鈉紡絲原液的曲線更平緩些，接近于牛頓流體。從圖4我們還可得出結論，在MMT的添加比例為0.1%、0.2%時，隨納米蒙脫土添加量的增大，紡絲原液的表觀粘度出現了大幅度的增加，但是當蒙脫土的添加量達到1%時，紡絲原液的表觀粘度比純溶液的仍有大幅度增加，但是復合紡絲原液的表觀粘度隨蒙脫土添加量的增大出現了小幅度減小的趨勢。出現這個現象，一種原因是，海藻酸鈉大分子在紡絲溶液中呈無規線團狀，這些線團是無規纏結的，蒙脫土的加入增加了纏結點的數目，影響了海藻酸鈉大分子的移動；另種原因是，海藻酸鈉大分子插入蒙脫土片層內，該大分子的一段被片層固定住，則此時大分子的某些鏈段形成了“凍膠”，從而影響了大分子的運動，大分子又是相互纏結的，這就使一連串的大分子被“凍膠”，如圖5所示，影響了高分子的運動。當蒙脫土添加量達到1%時，溶液的粘度雖然與純溶液相比仍有大幅度的增加，但是與0.1%相比卻出現了微小的減小趨勢，這種現象的原因可能與蒙脫土分散不均勻，出現很大的團聚體，從而使纏結點的數目下降，所以才出現了微小的降低現象。

圖5 海藻酸鈉大分子鏈插層示意圖

3 結論

通過對紡絲原液的偏光測試和透射電鏡測試，對蒙脫土在紡絲原液中的分布進行了觀察，結果表明部分片層蒙脫土是以單片層的形式存在的。通過TEM測試，可以觀察到單片蒙脫土，兩個結果同時說明，蒙脫土在紡絲原液中有剝離現象，當然，我們還看到了多片層的蒙脫土及其蒙脫土的團聚體，根據復合溶液的流變性能，我們可以掌握復合材料蒙脫土的添加量問題，從而為納米復合材料的制備參數提供了很好的依據。

【參考文獻】

[1]賴鵬，彭響方.聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料的研究進展[J].塑膠工業，2007，10（3）：37-39.

[2]代旭明，劉鑫，馬敬紅.聚 （N-異丙基丙烯酰胺）/海藻酸鈉/黏土復合水凝膠的制備及其性能[J].化工進展，2009，28（4）：661-664.

[3]余天石.鈣基蒙脫土納米復合腈綸的形態和性能表征[J].紡織學報，2011，32（5）：29-32.

[4]Rosta， L. and H. Von Gunten， Light scattering characterization of laporite sols. Journal of colloid and interface science，1990，134（2）：397-406[Z].

[5]賈曉林，譚偉.納米粉體分散技術發展概況[J].非金屬礦，2003，26（4）：1-3.

[責任編輯：湯靜]