有机插层高岭石原位碳化合成SiC/Al2O3的分子叠层固相反应机理

摘要

高岭石是一种重要的非金属矿产资源，它具有白度高、质软、抗酸碱、以及优良的电绝缘性和粘结性等特点，主要应用于陶瓷、造纸、涂料等行业。近年来，随着高岭石有机插层研究的快速发展，高岭石的应用更加宽广，在纳米复合材料、先进陶瓷材料和环境工程材料等领域表现出诱人的前景。
　　 本文利用二甲基亚砜对高岭石进行插层处理，获得了高岭石/二甲基亚砜插层复合物，插层率达93％。在高岭石/二甲基亚砜插层复合物基础上，以醋酸铵对二甲基亚砜进行置换，可进一步扩大高岭石的层间距，使丙烯腈单体得以顺利插入高岭石层间，并通过水相原位聚合的方法获得了高岭石/聚丙烯腈插层复合物。XRD检测结果表明，采用多步预插层法可以使高岭石的层间距，从原来的0.72nm增大到1.42nm，为丙烯腈单体的成功插入创造了有利条件；IR检测结果显示，插层聚合会改变高岭石的层间环境。
　　 通过对不同插层复合物进行研究发现，二甲基亚砜以氢键取代方式插入高岭石层间，而醋酸铵则与商岭石层间不存在强氢键作用。另外，层间丙烯腈的聚合会导致高岭石发生剥离，其剥离程度与高岭石层间距的大小成正比，分别以高岭石-炭黑、高岭石/聚丙烯腈复合物为原料，经原位碳热还原都可以合成出，SiC/Al2O3复相陶瓷粉体，但对比发现：1)不同体系的反应起始温度和结束温度均不一样。高岭石-炭黑复合物在1400℃合成出碳化硅，在1450℃合成出氧化铝，在1500℃反应彻底结束，得到SiC/Al2O3复相陶瓷粉体；而高岭石/聚丙烯腈复合物在1350℃合成出碳化硅，在1400℃便可得到SiC/Al2O3复相陶瓷粉体。2)不同的高岭石/聚丙烯腈复合物，其合成产物的形貌存在很大差异。未经插层处理的复合物合成的碳化硅晶须长度较短，粗细不均；而经插层处理后合成的碳化硅晶须长度较长且直径分布均一。3)不同体系中碳化硅晶须的生长机理不同。未经插层处理的复合物，其合成的碳化硅晶须表面较光滑，晶须的生长以气-气反应为主；而经插层处理后合成的碳化硅晶须表面较粗糙，表明插层聚合有效的促进了高岭石碳热还原过程中气-固反应的进行。