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蒙脫土的有機(jī)改性及其在納米復(fù)合材料和聚合物電解質(zhì)中的應(yīng)用
陶瑞麗 2007/4/5
摘要：本文主要介紹了影響納米復(fù)合材料性能及結(jié)構(gòu)的各種因素，納米復(fù)合材料的應(yīng)用和添加粘土對納米復(fù)合材料聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性的影響。
關(guān)鍵詞：有機(jī)改性，蒙脫土，納米復(fù)合材料，納米復(fù)合材料聚合物電解質(zhì)
The organic modification of montmorillonite and its application in nanocomposites and polymer electrolyte
Abstract: The various factors that affect the properties and structures of the nanocomposites, the application of the nanocomposites and the effect of addition of the organophilic clay on the ionic conductivity and electrochemical stability of the polymer nanocomposite electrolytes.
Key words: organic modification, montmorillonite, nanocomposites, polymer nanocomposite electrolyte
一、 蒙脫土概況：
蒙脫土[1]，是以蒙脫石為主要成分的層狀硅鋁酸鹽。蒙脫石的結(jié)構(gòu)式為Na(H2O)4{(A12-XMg0.33)[Si4O10](OH)2}，由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成單位晶層，四面體和八面體靠共用的氧原子連接，晶層之間靠氧層連接，沿C軸方向疊置，從而使其具有剛性，層間不滑移，單位晶層的厚度約為1 nm，層間距d(001)為1.2－1.6 nm。較低的比表面積和較大的表面積使蒙脫土親水疏油[2]，蒙脫土具有很強(qiáng)的吸濕性，能吸附相當(dāng)于自身體積8－20倍的水量而膨脹至三十余倍。蒙脫土的這種性能使其在有機(jī)聚合相中不宜分散。通過蒙脫土的陽離子（Ca2+、Na+主要是Na+）與有機(jī)陽離子（主要為四烷基銨陽離子也有用烷基取代的吡啶環(huán)季銨陽離子的）交換使粘土的表面能降低、晶面間距增大，蒙脫土的表面變?yōu)橛H有機(jī)性的，粘土與有機(jī)聚合物或有機(jī)單體的相容性增加。有機(jī)改性的蒙脫土的結(jié)構(gòu)是插層結(jié)構(gòu)。
二、影響納米復(fù)合材料性能及結(jié)構(gòu)的因素：
粘土納米級的分散可提高聚合物的機(jī)械強(qiáng)度（拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度），離子電導(dǎo)率，熱穩(wěn)定性，分子阻隔性能，阻燃性能等[3]。由于聚合物-粘土納米復(fù)合材料的分子阻隔性能而被用于包裝或氣體儲存罐，這是由于納米級分散的粘土層可降低聚合物基體的滲透性。在納米復(fù)合材料中硅酸鹽制造了一個(gè)曲折的路經(jīng)使擴(kuò)散距離增加，擴(kuò)散的物質(zhì)需要來回移動。納米復(fù)合材料的滲透性與納米復(fù)合材料的形態(tài)關(guān)系很大。例如在Paulo Meneghetti[4]所研究的聚苯乙烯納米復(fù)合材料中片狀剝落的體系低壓滲透O2的能力沒有插層體系和用沒有改性的粘土填充的體系的低壓滲透O2的能力強(qiáng)。Yeh,Jui-Ming等研究了一系列的聚合物-粘土納米復(fù)合材料的抗腐蝕性能，如聚（苯乙烯-丙烯腈）—粘土納米復(fù)合材料[5]、聚（對乙氧基苯胺）粘土納米復(fù)合材料[6]、聚苯乙烯—粘土納米復(fù)合材料[7]等。通過一系列的標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)測試腐蝕電壓，極化電阻和腐蝕電流比較納米復(fù)合材料和純聚合物抗腐蝕作用的大小。Reinholdt,Marc.x[8]分別制備了鈉基蒙脫土-PEO納米復(fù)合材料、鋰基蒙脫土-PEO納米復(fù)合材料，并比較了兩中納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)后者是前者的2倍。這個(gè)結(jié)果說明聚合物并沒有與蒙脫土中的陽離子配位，也說明了Na+與粘土結(jié)合得很緊不宜遷移。所以Aranda,Lar[9]等分別用蒙脫土、鈉基蒙脫土、合成鋰皂石與PEO制備了納米復(fù)合材料，并比較了他們的電化學(xué)性能。Yen,chuan-Yu[10]等把聚乙烯酯樹脂-粘土納米復(fù)合材料用于燃料電池發(fā)現(xiàn)添加2%的MMT后MMT復(fù)合材料薄板的彎曲強(qiáng)度由30.21MPa增加到了45.66MPa,復(fù)合材料板的彎曲強(qiáng)度也比原石墨板的彎曲強(qiáng)度高38%.同時(shí)納米復(fù)合材料薄板的無刻痕擠壓強(qiáng)度也比純聚合物或石墨薄板的無刻痕擠壓強(qiáng)度高。這種復(fù)合材料的阻燃性能也好，每一個(gè)MMT復(fù)合材料薄層的熱分解溫度都高于250℃.
在納米復(fù)合材料中表面活性劑使粘土變得無序的原因是：硅酸鹽表面每一個(gè)表面活性劑陽離子的可用面積至少是一般陽離子保持平衡構(gòu)造所需實(shí)際面積的3倍，凝膠化后本來有序粘土團(tuán)聚的現(xiàn)象都消失了，這可能是動力學(xué)捕獲造成的改性粘土的非平（未完，下一頁）
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