纳米片层蒙脱土复合材料的制备及性能表征

王风军　王红梅

【摘 要】蒙脱土（MMT）是一种具有纳米片层结构添加物，纳米片层结构具有较好的吸附能力，补强性和触变性等优异特性。本文就是将蒙脱土分散到海藻酸钠纺丝原液中，通过偏光镜、透射电镜对复合纺丝液进行了表征，表征蒙脱土发生了剥离，通过流变数据对纳米复合纺丝液的性能进行表征，表征了纳米片层结构对纺丝溶液性能的影响。

【关键词】蒙脱土；纳米片层分散；海藻纤维；纺丝溶液

0 引言

在21世纪，纳米复合材料迅速发展为最先进的复合材料之一。由于蒙脱土本身具有纳米尺度的层状结构，世界蒙脱土资源极为丰富，分布甚广，所以被应用到许多领域。蒙脱土是一种层状硅酸盐，层状硅酸盐的晶体片层间距1nm左右，片层表面主要为氢键和电荷作用，在外界物质作用下，该片层很容易扩大或者剥离。片层容易扩大这个特性为制备纳米复合材料提供天然的微反应器，片层容易剥离使其更广泛的被应用于纳米复合材料的制备。利用层状硅酸盐制备纳米复合材料，是我国当前材料科学研究领域的研究热点。

1 蒙脱土的改性及SA/MMT纺丝原液的配制

蒙托土的改性及其纺丝溶液的配制总共分成了四步：

第一步：将蒙脱土元土和氯化钠[m（MMT）/m（H2O）=1：5，氯化钠的用量按蒙脱土离子交换容量计算的理论用量的150%]，60度下磁力搅拌6h，然后抽滤，洗去多余的氯化钠，真空干燥得到Na-MMT；蒙脱土片层通常吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等水合阳离子，从而使层间距发生变化。蒙脱土具有较大的初始层间距以及可交换的层间阳离子，这些结构特征使得利用离子交换的方式可以将蒙脱土层间距扩大到能够允许聚合物分子链插入[1]。

第二步：将Na-MMT与去离子水以1：1000的比例混合，使蒙脱土充分溶胀5天[2]。

第三部：将第二步中的溶液超声30mins，当作溶剂配制2%的海藻酸钠溶液。 配小浓度的便于颗粒的均匀分散，但是浓度也不能太小，这样会使没有足够的大分子进入片层之间，从而使片层打开。配小浓度的便于颗粒的均匀分散，但是浓度也不能太小，这样会使没有足够的大分子进入片层之间，从而使片层打开[3]。

第四步：将配好的稀溶液再进行粉碎超声1h，随后再加入海藻酸钠粉末继续配制所需的溶液。

1.1 MMT的海藻酸钠溶液偏光图片

为了表征蒙脱土在溶液中的存在形式，我们使用了偏光显微镜。有文献记载说，蒙脱土如果在水中以单片层的形式存在，则溶液中会看到蝶状的片层，厚度约为1nm，直径约为30nm，呈蝶状[4]。从图1中我们可以在复合溶液看到蝶状的片层，则说明蒙脱土在溶液中发生了剥离现象，即部分蒙脱土以单片层的形式存在于复合溶液中。

图1 复合溶液的偏光照片

图2 蒙脱土在去离子水中的TEM

1.2 透射电镜对纺丝原液的观察

在蒙脱土分散到纺丝原液的过程中，我们采用了先将蒙脱土在去离子水中溶胀一段时间，然后用蒙脱土的悬浮液配制纺丝原液，下图是蒙脱土在去离子水中的存在形态。

从上图2（a）中我们可以看到，蒙脱土还是堆积在一起的，还没有完全溶胀开，从图2（b）图中我们看到的就是溶胀开的蒙脱土。让蒙脱土先在去离子水中溶胀，这样层间距就增大，有利于海藻酸钠大分子插入蒙脱土片层，将蒙脱土的片层间距增大，然后再利用超声分散的方法使蒙脱土以单片层的形式存在于纺丝原液中，从而更好的起到改性的作用。

图3 为蒙脱土在纺丝原液中的TEM

从图3（a）中，我们看出这是一个蒙脱土的单片层，这说明我们已将蒙脱土片层打开，纺丝原液里的蒙脱土部分是以单片层的形式存在的。溶液中蒙托土有团聚体出现，由于单纯的超声未能充分打开蒙脱土片层，例如图3（b）中，蒙脱土片层的间距与在去离子水中的相比是明显增大了，但是分散的还不均匀，虽然有些分布不是很均匀，但是蒙脱土仍然起到很好的改性作用。为了使纤维得到更好的改性，我们可以使用紫外光照射处理将蒙脱土片层打开，紫外光照射能够激活纳米材料的表面，在颗粒表面产生很多黏结点，海藻酸钠大分子能够与这些黏结点很好地结合，从而使蒙脱土片层打开并均匀分散在纺丝原液中[5]。

2 MMT片层对海藻酸钠纺丝原液粘度的影响

图4 不同MMT含量的纺丝原液的流动曲线（T=50℃）

图4为50℃时四种纺丝原液的表观粘度-剪切速率曲线。从上图我们可以看出，几种纺丝原液在低剪切速率下，粘度曲线都比较平缓，相比较而言纯海藻酸钠纺丝原液的曲线更平缓些，接近于牛顿流体。从图4我们还可得出结论，在MMT的添加比例为0.1%、0.2%时，随纳米蒙脱土添加量的增大，纺丝原液的表观粘度出现了大幅度的增加，但是当蒙脱土的添加量达到1%时，纺丝原液的表观粘度比纯溶液的仍有大幅度增加，但是复合纺丝原液的表观粘度随蒙脱土添加量的增大出现了小幅度减小的趋势。出现这个现象，一种原因是，海藻酸钠大分子在纺丝溶液中呈无规线团状，这些线团是无规缠结的，蒙脱土的加入增加了缠结点的数目，影响了海藻酸钠大分子的移动；另种原因是，海藻酸钠大分子插入蒙脱土片层内，该大分子的一段被片层固定住，则此时大分子的某些链段形成了“冻胶”，从而影响了大分子的运动，大分子又是相互缠结的，这就使一连串的大分子被“冻胶”，如图5所示，影响了高分子的运动。当蒙脱土添加量达到1%时，溶液的粘度虽然与纯溶液相比仍有大幅度的增加，但是与0.1%相比却出现了微小的减小趋势，这种现象的原因可能与蒙脱土分散不均匀，出现很大的团聚体，从而使缠结点的数目下降，所以才出现了微小的降低现象。

图5 海藻酸钠大分子链插层示意图

3 结论

通过对纺丝原液的偏光测试和透射电镜测试，对蒙脱土在纺丝原液中的分布进行了观察，结果表明部分片层蒙脱土是以单片层的形式存在的。通过TEM测试，可以观察到单片蒙脱土，两个结果同时说明，蒙脱土在纺丝原液中有剥离现象，当然，我们还看到了多片层的蒙脱土及其蒙脱土的团聚体，根据复合溶液的流变性能，我们可以掌握复合材料蒙脱土的添加量问题，从而为纳米复合材料的制备参数提供了很好的依据。

【参考文献】

[1]赖鹏，彭响方.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的研究进展[J].塑胶工业，2007，10（3）：37-39.

[2]代旭明，刘鑫，马敬红.聚 （N-异丙基丙烯酰胺）/海藻酸钠/黏土复合水凝胶的制备及其性能[J].化工进展，2009，28（4）：661-664.

[3]余天石.钙基蒙脱土纳米复合腈纶的形态和性能表征[J].纺织学报，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]贾晓林，谭伟.纳米粉体分散技术发展概况[J].非金属矿，2003，26（4）：1-3.

[责任编辑：汤静]