[发明专利]一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状硅酸盐,具体涉及一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制 备方法，属于纳米材料领域。

背景技术

木质素是自然界中第一大可再生的芳香族天然高分子，木质素的衍生物---硫酸盐木质 素及木质素磺酸盐是主要的两大工业木质素，但由于其高热含量常被用作燃料而未体现其 真正的潜力。

纳米材料由于其特殊的性质在聚合物复合材料等领域有着广泛的应用，除了具有显著 的增强效应以外，还能赋予聚合物其它优异特性，如导电性、导热性、阻隔性、阻燃性等。 在众多的纳米材料中，层状硅酸盐由于其廉价易得，且结构特殊，被誉为21世纪最有前途 的材料之一。层状硅酸盐是指一类具有2：1型片层结构且片层堆叠在一起的黏土矿物。每 层薄片由两层硅氧四面体和夹在中间的一层铝氧或镁氧八面体组成，厚度大约为1nm，片 层的横向尺寸可到达100-1000nm。片层之间具有可交换的阳离子，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺等，这 些阳离子容易被有机阳离子或阳离子染料置换，使得层状硅酸盐由亲水性变为疏水性。

层状硅酸盐常被用作聚合物的增强填料而促进其力学、热性能及阻隔性能，但这些性 能主要取决于层状硅酸盐在聚合物基体的分散状态，通常层状硅酸盐很难通过简便的方法 形成完全剥离的纳米片。为了获得性能优异的复合材料，通常采用各种有机改性剂(如有 机季铵盐、有机季膦盐、硅烷偶联剂等)对层状硅酸盐进行疏水改性，以提高其与聚合物 基体的相容性，从而期望在与聚合物复合的过程中达完全剥离的状态。一般而言，这些有 机改性的层状硅酸盐可通过熔融插层、溶液插层、乳液插层等方法与聚合物复合制备纳米 复合材料。事实上，有研究报道将未改性的层状硅酸盐通过这些方法制备纳米复合材料， 但只有极少数的聚合物能使未改性的层状硅酸盐完全剥离。即便是有机改性的层状硅酸盐 采用上述方法与聚合物复合，所得的复合材料也很难形成完全剥离的结构，大多数情况下 是插层型的。在这些制备方法中，熔融插层法由于聚合物分子量很大，难以完全进入层状 硅酸盐的层间，使得层间膨胀不够，剥离的比例较小，故很难得到理想的纳米复合材料。 而溶液插层法与熔融插层法一样具有这样的问题。并且，此方法采用有机溶剂，从环境和 经济性的角度而言，溶液插层法并不适合工业化应用。而乳液插层法制备层状硅酸盐/聚合 物复合材料时，需要考虑到乳液粒径、搅伴速度、温度等因素。这对制备工艺的控制要求 较高，而且此方法也不能得到完全剥离的纳米复合材料。

发明内容

本发明针对现有技术的问题，提供一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐及其制备方 法，形成以单片层稳定分散于水中的硅酸盐胶体。

本发明为了使得层状硅酸盐在聚合物基体中形成完全剥离的结构，采用木质素衍生物 剥离层状硅酸盐，使其形成以单片层稳定分散于水中的硅酸盐胶体，该胶体与聚合物复合 时易形成完全剥离型的层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料。此方法结合了有机改性剂改性层 状硅酸盐及乳液插层法的优点，过程简单，由于采用木质素衍生物改性层状硅酸盐，不仅 有利于减少木质素对环境造成的污染，而且廉价易得。

环氧丙基三甲基氯化铵是一种阳离子醚化剂，可使木质素阳离子化，从而有利于木质 素与层状硅酸盐的作用。本发明使用环氧丙基三甲基氯化铵作为木质素的阳离子醚化剂， 制得的阳离子化的木质素作为吸附质可交换层状硅酸盐层间的金属阳离子，这种阳离子化 木质素修饰的层状硅酸盐杂化材料能稳定分散于水溶液中。

一种由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐的制备方法，包括以下步骤和工艺条件：

第一步，制备木质素衍生物：将木质素溶于NaOH水溶液中，加入木质素的阳离子醚化 剂环氧丙基三甲基氯化铵，在25-80℃条件下反应1-24小时，得木质素衍生物的水溶液；

第二步，制备由木质素衍生物剥离的层状硅酸盐胶体：将层状硅酸盐加入到去离子水 中配制成0.5-10wt％的水溶液，搅伴0.5-1小时；加入木质素衍生物的水溶液，调节溶液 的pH值为2-10，在25-80℃的条件下搅伴1-72小时，得稳定分散于水中的单片层硅酸盐 胶体。

为进一步实现本发明的目的，优选地，第一步中，每克木质素加入1-400ml的NaOH 水溶液；所述NaOH水溶液的浓度为0.5-2mol/L。

优选地，第一步中，每克木质素加入环氧丙基三甲基氯化铵10-200mmol。