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        膨潤(rùn)土基礦物材料特性與煤礦典型災(zāi)害治理(Ⅰ): 定向改性與功能強(qiáng)化

        2023-11-29 10:04:16程健維鄭欣睿冉德志吳雨航關(guān)品品
        煤礦安全 2023年11期
        關(guān)鍵詞:改性結(jié)構(gòu)

        程健維 ,王 鈺 ,鄭欣睿 ,張 蕊 ,冉德志 ,吳雨航 ,關(guān)品品

        (中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

        煤炭是我國(guó)一次能源中最為經(jīng)濟(jì)、可靠的資源[1]。近10 年以來(lái),隨著礦井智能化、機(jī)械化、自動(dòng)化水平的日益提高以及多地煤礦全面進(jìn)入深部開(kāi)采階段,在深部高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯、高水壓等環(huán)境和高強(qiáng)度開(kāi)采擾動(dòng)下,增加了瓦斯、煤塵、火災(zāi)、熱害等災(zāi)害發(fā)生的潛在隱患,對(duì)我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)和煤礦工業(yè)的發(fā)展造成不利影響,威脅工人的職業(yè)健康與安全[2-3]。2021 年全國(guó)礦山仍然發(fā)生事故336 起、死亡474 人,造成大量財(cái)產(chǎn)損失。

        煤礦的各種災(zāi)害治理除了有效工程措施設(shè)計(jì)以外,最為重要的是各種治理災(zāi)害所用到的各種材料能夠發(fā)揮其效果。例如煤礦常用抑制瓦斯爆炸范圍擴(kuò)大的粉體材料,主要是各類無(wú)機(jī)抑爆粉體顆粒(固相)與瓦斯爆炸火焰波(氣相)之間的接觸進(jìn)行自由基等的消除。又如防滅火材料,主要是各類防火材料(液相)與煤巖體表面(固相)的接觸性能增強(qiáng),從而保證防火材料長(zhǎng)期駐留在煤表面,達(dá)到隔絕氧氣滅火的目的。因此,治災(zāi)材料效果的發(fā)揮,實(shí)質(zhì)上探究其和災(zāi)害介質(zhì)的結(jié)合或者各種復(fù)雜的物理化學(xué)作用關(guān)系,如果能夠發(fā)揮好其特殊的性能則對(duì)治災(zāi)效果的實(shí)現(xiàn)事半功倍。王信群等[4]進(jìn)行BC 干粉表面改性與細(xì)化,提高了其比表面積和表面特性,研究發(fā)現(xiàn)粒徑小于10 μm 數(shù)量級(jí)時(shí)可以較好地提高粉體的抑爆效果;張光華等[5]利用石蠟和陽(yáng)離子石蠟乳液對(duì)煤粒表面進(jìn)行改性,研究發(fā)現(xiàn)孔隙度和疏水性都有顯著改善,當(dāng)石蠟用量為2%時(shí),其封孔效果較佳,表面疏水性顯著提高,煤與水表面接觸角從22.62°提高到122.12°,最高成漿濃度從55%提高到60.5%;馮艷艷等[6]對(duì)活性炭進(jìn)行氧化改性,用Boehm 滴定法、TPD-MS 和N2吸附方法對(duì)其進(jìn)行表征,研究發(fā)現(xiàn)改性后活性炭上的含氧官能團(tuán)含量顯著增加尤其是羧基的含量;聶士斌等[7]為解決礦用防滅火凝膠材料-傳統(tǒng)水玻璃凝膠強(qiáng)度低、膠體易開(kāi)裂等缺陷,將高分子聚合物與交聯(lián)劑引入防滅火凝膠材料-傳統(tǒng)水玻璃凝膠中制備出由水玻璃與高分子聚合物通過(guò)互穿網(wǎng)絡(luò)而生成的復(fù)合凝膠,研究發(fā)現(xiàn)明顯增強(qiáng)了凝膠的強(qiáng)度與保水性,解決了礦用凝膠失水后開(kāi)裂和粉碎問(wèn)題,且復(fù)合凝膠具有更堅(jiān)固、更緊密的纏接骨架結(jié)構(gòu),阻化率高達(dá)69.1%,該復(fù)合凝膠能有效抑制煤的燃燒,防止煤的復(fù)燃??梢钥闯?,自然界沒(méi)有完美的材料能夠?qū)崿F(xiàn)某一種特定的功能。但是完全可以通過(guò)人為的改造,來(lái)定向發(fā)揮某種材料的某些特殊的長(zhǎng)處。界面改性就提供了這一解決問(wèn)題的思路,利用各種物理手段或者化學(xué)手段,實(shí)現(xiàn)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用,改善表面形態(tài)及性質(zhì),產(chǎn)生或者定向加強(qiáng)某種新功能,更好的促進(jìn)材料和災(zāi)害介質(zhì)的相互作用達(dá)到治理的目的。

        膨潤(rùn)土基材料具有典型的層狀立體晶格結(jié)構(gòu),帶來(lái)巨大的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鎖水特性、隔氧吸熱降溫性、微尺度多孔特性、層間空隙形成多孔吸附特性、低導(dǎo)熱特性5 種典型特性,分別可以對(duì)應(yīng)來(lái)治理特定煤礦災(zāi)害。因此,利用改性方案,強(qiáng)化上述特性,包括:通過(guò)機(jī)械-化學(xué)聯(lián)合改性,改變比表面積與表面能,增強(qiáng)材料活性;通過(guò)有機(jī)活化-無(wú)機(jī)鹽改性法,于礦物層間插入極性分子或基團(tuán),改變表現(xiàn)特性;通過(guò)復(fù)合偶聯(lián)劑-表面分散法,重新形成枝節(jié),實(shí)現(xiàn)縮合反應(yīng),形成靜電力排斥,平均化表面電荷量用以抵抗?jié)櫇癍h(huán)境下的粉體的團(tuán)聚效果;通過(guò)復(fù)合聚合物熔融插層方法,實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性。

        1 膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)

        膨潤(rùn)土,屬單斜晶系,是一種以蒙脫石為主要成分的天然非金屬礦物,又稱斑脫巖或者膨土巖,有時(shí)也稱白泥[8],是火山巖和火山灰經(jīng)蝕變和風(fēng)化的產(chǎn)物。膨潤(rùn)土具有典型的層狀結(jié)構(gòu),理論化 學(xué) 組 分 為 SiO2(66.72%)、 Al2O3(25.3%)、H2O(8%),晶體結(jié)構(gòu)由2 層硅氧四面體夾1 層鋁氧八面體構(gòu)成,是一種具有二維通道和大孔分子篩結(jié)構(gòu)的2∶1 型層狀硅酸鹽。膨潤(rùn)土的晶體結(jié)構(gòu)圖如圖1,蒙脫石典型3 層結(jié)構(gòu)圖如圖2。

        圖1 膨潤(rùn)土的晶體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Crystal structure diagram of bentonite

        圖2 蒙脫石典型3 層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Typical three-layer structure diagram of montmorillonite

        當(dāng)硅氧四面體中的Si4+被Al3+置換,或鋁氧八面體中的 Al3+被 Mg2+、Zn2+等離子置換時(shí),就會(huì)使得晶體結(jié)構(gòu)帶負(fù)電荷,在晶層間產(chǎn)生勢(shì)場(chǎng)畸變,為了達(dá)到電荷平衡,被負(fù)電場(chǎng)所吸附的陽(yáng)離子會(huì)進(jìn)行交換[9],使其位于單元層間,即所謂同象置換現(xiàn)象,這也使得膨潤(rùn)土具有離子交換性?;诖朔N特性,學(xué)者們?cè)谂驖?rùn)土層間引入各種各樣的陽(yáng)離子或者陽(yáng)離子基團(tuán),從而實(shí)現(xiàn)了多維度的膨潤(rùn)土改性。

        得益于膨潤(rùn)土的層狀結(jié)構(gòu)以及元素在結(jié)構(gòu)中的分布,其具有可交換陽(yáng)離子容量大、體積膨脹性好、性質(zhì)穩(wěn)定且無(wú)毒、良好的吸附和分散性能、化學(xué)活性較高等優(yōu)良特性,已應(yīng)用到食品、交通、醫(yī)藥、能源和化工等多個(gè)領(lǐng)域[10],用途極為廣泛,因此也被稱為“萬(wàn)能土”。膨潤(rùn)土屬性的劃分主要是依據(jù)蒙脫石中可交換離子的種類、數(shù)量和比例,一般可分為鈣基膨潤(rùn)土、鈉基膨潤(rùn)土、鈉-鈣基膨潤(rùn)土和鈣-鈉基膨潤(rùn)土。

        2 可利用的膨潤(rùn)土材料物化特性

        2.1 立體晶格結(jié)構(gòu)鎖水特性

        蒙脫石是膨潤(rùn)土的主要成分,其顆粒細(xì)小,遇水易形成膠體,當(dāng)使用外力使其分散在水溶液中時(shí),晶格間的鍵斷裂產(chǎn)生電負(fù)性,使其呈現(xiàn)為同一種電荷,相互排斥[11],硅氧鍵和鋁氧鍵在分散相中斷裂,端面鍵被破壞。當(dāng)pH>7 時(shí),膨潤(rùn)土以膠體形式分散懸浮在溶液中[12]。由于膨潤(rùn)土礦物材料主要由膨脹晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成,整體呈現(xiàn)層狀分布,同時(shí)制備工藝中通常含有破碎工藝,因此其吸水膨脹主要包括層間和顆粒間吸水。微觀層面上層與層以化學(xué)鍵連接,在電場(chǎng)力的作用下,水分子依據(jù)雙電層理論形成水膜[13]。顆粒之間的間距變大,宏觀性能為吸水膨脹。

        制備該類材料基的液體漿液在膨脹過(guò)程中,層間吸水和粒間吸水同時(shí)發(fā)生,這也是其遇水膨脹成膠能力強(qiáng)的原因。層間吸水通常為3 層,粒間吸水除受顆粒電場(chǎng)力吸引外,還受其他添加膠團(tuán)的引力與基團(tuán)交聯(lián)影響,宏觀上可吸收自身質(zhì)量8~15 倍的水形成膠體。吸水膨脹后,立體晶格空間分布容易形成封閉空間,基團(tuán)(水分子)間受力平衡,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        2.2 層狀晶格的熱穩(wěn)定性

        膨潤(rùn)土具有獨(dú)特的一維層狀納米結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)對(duì)熱穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。無(wú)機(jī)納米粒子可以阻隔質(zhì)量和熱量的傳遞,延遲熱分解氣體與外界的能量交換,從而降低燃著體在燃燒過(guò)程中的熱釋放速率[14]。膨潤(rùn)土有良好的親水性,大量的水分子可以進(jìn)入膨潤(rùn)土的層間結(jié)構(gòu)。

        當(dāng)其覆蓋在燃燒體(如:煤等)表面時(shí),初期含有的大量水分可以迅速降低煤體溫度,中斷煤體的蓄熱進(jìn)程,隨著煤溫的升高,復(fù)合鈉基膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)分解,會(huì)釋放出鎂、硅等離子覆蓋在其表面,又起到隔氧的作用。滅火機(jī)理示意圖如圖3。

        圖3 滅火機(jī)理示意圖Fig.3 Schematic diagram of fire extinguishing mechanism

        2.3 膨潤(rùn)土的微尺度多孔特性

        膨潤(rùn)土內(nèi)部包含了很多微小孔隙結(jié)構(gòu),而這些結(jié)構(gòu)使得其含有大量表面吸附水、層間水分子和晶體結(jié)構(gòu)水,同時(shí)也使晶格邊緣裸露的Si-OH、Al-OH 等羥基與外界直接接觸。膨潤(rùn)土的多孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了其粉體對(duì)火焰的捕捉、消耗功能,可以發(fā)揮抑制、消除瓦斯、煤塵爆炸的火焰[15]。

        膨潤(rùn)土的多孔隙結(jié)構(gòu)不僅使其具有了良好的吸附能力,也增強(qiáng)了粉體的抑爆性能。粉體中所包含水分的分解過(guò)程,具有良好的吸熱效應(yīng),而熱分解產(chǎn)生的水蒸氣不僅能夠稀釋空氣中的氧濃度,而且能夠吸收爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量,使爆炸體系的熱損失量大于反應(yīng)熱釋放量,抑制熱量的增加和傳遞,達(dá)到抑爆的目的,實(shí)現(xiàn)吸熱效應(yīng)導(dǎo)致的物理抑制[16]。晶格邊緣裸露的羥基在高溫中容易發(fā)生斷裂形成陽(yáng)離子,與爆炸產(chǎn)生的自由基結(jié)合,對(duì)于爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)起到了阻斷作用,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)抑制作用[17]。膨潤(rùn)土抑爆機(jī)理示意圖如圖4。

        圖4 膨潤(rùn)土抑爆機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic diagram of explosion suppression mechanism of bentonite

        2.4 膨潤(rùn)土的層間空隙形成多孔吸附特性

        膨潤(rùn)土獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和良好的離子交換能力,使得其具備優(yōu)異的吸附性能。膨潤(rùn)土的吸附作用機(jī)制可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附[18]。

        物理吸附又稱為范德華吸附,可以發(fā)生在任何固體表面,它是由吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力引起的,結(jié)合力較弱,吸附熱也較小,無(wú)選擇性,容易因?yàn)橥饨鐥l件的變化脫附,在一定程度上是可逆的。膨潤(rùn)土的外表面積雖然只有幾十平方米每克,但根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算其內(nèi)表面積,理論總表面積可達(dá)到600~800 m2/g。膨潤(rùn)土具有較大比表面積的同時(shí),也擁有巨大的表面能[19],這是膨潤(rùn)土廣泛應(yīng)用于廢氣和廢水凈化處理的基礎(chǔ),尤其是針對(duì)礦山柴油車的尾氣處理,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

        膨潤(rùn)土對(duì)于吸附質(zhì)還具備化學(xué)吸附作用,吸附質(zhì)分子與膨潤(rùn)土表面分子發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移、交換或共有,對(duì)于具有膨脹晶格結(jié)構(gòu)的礦物,層間以形成的化學(xué)鍵進(jìn)行連接。礦物層吸附示意圖如圖5。

        圖5 礦物層吸附示意圖Fig.5 Mineral layer adsorption diagram

        顆粒發(fā)生層間膨脹與雙電層吸附膨脹,其體積膨脹量計(jì)算如下:

        式中:d'為擴(kuò)散水膜厚度,10-10m;e為電子電荷;Zi為離子價(jià)數(shù);Ci為離子摩爾濃度;N為阿伏伽德羅常數(shù);D為溶液介電常數(shù);K為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度,K;ni為每立方厘米中離子的數(shù)量。

        2.5 膨潤(rùn)土的低導(dǎo)熱特性

        膨潤(rùn)土基材料具有體積密度小、孔體積大、導(dǎo)熱率低、吸附力強(qiáng)、孔隙率高等特性,膨潤(rùn)土性能及礦用隔熱材料性能要求對(duì)比見(jiàn)表1。以導(dǎo)熱率低的膨潤(rùn)土作為基料代替導(dǎo)熱系數(shù)較高的原材料,制作出的隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)更小,隔熱性能越強(qiáng)。礦用隔熱材料在現(xiàn)場(chǎng)采用噴射施工方式,目前施工時(shí)存在回彈量大的問(wèn)題,而膨潤(rùn)土的強(qiáng)吸附性可有效改善黏性,減少噴漿回彈量增加材料利用率。此外膨潤(rùn)土使得礦用隔熱材料兼具輕質(zhì)的特點(diǎn),且成本低便于施工運(yùn)輸。

        表1 膨潤(rùn)土性能及礦用隔熱材料性能要求對(duì)比Table 1 Comparison of properties of bentonite and performance requirements of thermal insulation materials for mines

        綜上,膨潤(rùn)土基材料具有這些特性,可以很好地結(jié)合煤礦災(zāi)害治理技術(shù)的需求而進(jìn)行某些特性的改造與定向強(qiáng)化。如強(qiáng)化晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鎖水特性,可以很好地實(shí)現(xiàn)材料的保水功能,無(wú)論實(shí)現(xiàn)瓦斯鉆孔的液相封堵還是對(duì)防滅火材料性能的提升,都具有積極的作用;多孔特性及表面定向憎水特性的實(shí)現(xiàn),對(duì)抑爆粉體的增強(qiáng)分散度和捕捉火焰實(shí)現(xiàn)湮滅具有重要的意義。膨潤(rùn)土基材料特性的改性與災(zāi)害防治如圖6,展示了膨潤(rùn)土基材料配合其他輔助性材料混搭作用下,通過(guò)各種強(qiáng)化改造方式,發(fā)揮其某些特定的特長(zhǎng)作用,研制對(duì)應(yīng)的災(zāi)害治理材料,從而達(dá)到各種災(zāi)害場(chǎng)景下的工程控制目的。

        圖6 膨潤(rùn)土基材料特性的改性與災(zāi)害防治Fig.6 Modification of properties of bentonite based materials and disaster prevention

        3 膨潤(rùn)土的改性思路及方法實(shí)踐

        3.1 機(jī)械-化學(xué)聯(lián)合改性

        通過(guò)機(jī)械-化學(xué)聯(lián)合改性改變比表面積與表面能,增強(qiáng)材料活性。

        機(jī)械力化學(xué)改性是指通過(guò)外部施加機(jī)械力作用,同時(shí)添加特定物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行表面改性。膨潤(rùn)土礦物表面具有吸附性,因此可與有機(jī)基團(tuán)或無(wú)機(jī)化合物形成吸附,根據(jù)吸附作用不同,分為物理吸附和化學(xué)吸附[20]。物理吸附由礦物表面能決定,黏土顆粒小、比表面積大,則表面能越大、吸附現(xiàn)象明顯;而表面有機(jī)基團(tuán)或無(wú)機(jī)化合物之間產(chǎn)生的吸附,主要是礦物表面的羥基、氧原子與有機(jī)化合物之間形成的氫鍵吸附。

        當(dāng)黏土顆粒受到外界機(jī)械力作用時(shí),晶格部分端面羥基鍵斷裂,結(jié)構(gòu)遭到破壞,結(jié)晶程度降低,同時(shí)畸變內(nèi)能變大,表面活性提高,導(dǎo)致顆粒與其他物質(zhì)的反應(yīng)活化能降低,從而促進(jìn)顆粒表面反應(yīng)的進(jìn)行。具體過(guò)程可分為以下3 個(gè)階段:①顆粒表面形成有一定厚度的無(wú)定形層;②粒子晶體結(jié)構(gòu)逐漸向無(wú)定形化轉(zhuǎn)移;③粒子內(nèi)部機(jī)械能量積聚,結(jié)果使分子、原子或離子的排列發(fā)生變化,逐漸轉(zhuǎn)化為另一種晶體結(jié)構(gòu)[21-22]。因此通過(guò)摩擦、擠壓、高速攪拌等強(qiáng)機(jī)械力改性后,材料粒度變細(xì),比表面積變大,表面能提高,反應(yīng)活性提高;同時(shí)過(guò)程中通過(guò)添加特定組成組分,可改變層距,使緊密堆積的層狀排布改性為疏松且部分剝離[23],有利于極性基團(tuán)插入,有助于特定理化反應(yīng)進(jìn)行。

        3.2 有機(jī)活化-無(wú)機(jī)鹽改性

        通過(guò)有機(jī)活化-無(wú)機(jī)鹽改性法,于礦物層間插入極性分子或基團(tuán),改變表現(xiàn)特性。

        膨潤(rùn)土礦物層與層間存在大量孔道空間,使用有機(jī)活化法改性可以改變局部結(jié)構(gòu),增加層間距,同時(shí)有機(jī)活化劑與晶層結(jié)構(gòu)可以發(fā)生離子交換、鍵合作用,外加組分取代層間可交換性陽(yáng)離子或吸附水,改性后失去或部分失去吸附水,并生成具備有關(guān)特性的膨潤(rùn)土–有機(jī)復(fù)合物[12]。根據(jù)插入基團(tuán)不同而具備不同特性,宏觀表現(xiàn)為本身具備優(yōu)良的吸附能力,因此工程應(yīng)用時(shí)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,針對(duì)膨潤(rùn)土某一特質(zhì)進(jìn)行改性。

        微觀層面上晶層之間的范德華力使膨潤(rùn)土對(duì)水分子產(chǎn)生物理吸附,同時(shí)晶層中不同分子間存在化學(xué)鍵力,產(chǎn)生化學(xué)吸附。鋁氧八面體和硅氧四面體晶體內(nèi)部的鋁離子、硅離子由于被低價(jià)陽(yáng)離子置換,晶格間形成負(fù)電荷吸附區(qū),單位晶層中電荷不平衡,被吸附的陽(yáng)離子具有離子交換性,可以置換溶液中的自由陽(yáng)離子,多余的負(fù)電荷吸附正電荷達(dá)到電荷平衡。其中鈉離子的交換性最好,電荷密度較小,金屬活動(dòng)性強(qiáng),水化能小,電離能力強(qiáng),其交換率可以達(dá)到100%。

        膨潤(rùn)土內(nèi)部比表面積較大,因此對(duì)于大分子有機(jī)物同樣可進(jìn)行相似的物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附有機(jī)物過(guò)程與吸附水分子相似,形成有機(jī)溶液水化膜,吸附后形成穩(wěn)定狀態(tài);化學(xué)吸附包括化合鍵結(jié)合和離子鍵結(jié)合。有機(jī)活化改性可提高膨潤(rùn)土凝膠性和吸附性,與膨潤(rùn)土質(zhì)量、蒙脫石結(jié)構(gòu)、粒度、改性劑種類和用量等因素有關(guān)。鈉基膨潤(rùn)土相較鈣基膨潤(rùn)土吸附后的有機(jī)膨潤(rùn)土更為穩(wěn)定。

        3.3 復(fù)合偶聯(lián)劑-表面分散法

        通過(guò)復(fù)合偶聯(lián)劑-表面分散法,重新形成枝節(jié),實(shí)現(xiàn)縮合反應(yīng),形成靜電力排斥,平均化表面電荷量用以抵抗?jié)櫇癍h(huán)境下的粉體的團(tuán)聚效果。

        導(dǎo)致膨潤(rùn)土納米微粒團(tuán)聚的原因有很多,包括粒子表面電荷的聚集、粒子間的靜電吸引力、納米粒子的隧道效應(yīng)、水解作用、晶橋理論和毛細(xì)管吸附理論等。根據(jù)膨潤(rùn)土本身的粒子特性,采用復(fù)合偶聯(lián)劑-表面分散法對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性,增強(qiáng)其在濕潤(rùn)環(huán)境下的分散性能,消除團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。

        硅烷偶聯(lián)劑是一類在分子中同時(shí)含有兩種不同化學(xué)性質(zhì)基團(tuán)的有機(jī)硅化合物,其通式可以表示為YSiX3,其中Y 為有機(jī)官能基,可與聚合物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)或形成氫鍵,從而能與聚合物牢固地結(jié)合;X 為可水解基團(tuán),能與含羥基的無(wú)機(jī)材料反應(yīng)。根據(jù)Y 基團(tuán)中反應(yīng)基的種類,硅烷偶聯(lián)劑也分別稱為乙烯基硅烷、氨基硅烷、環(huán)氧基硅烷、巰基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷等,這幾種有機(jī)官能團(tuán)硅烷是最常用的硅烷偶聯(lián)劑[24]。

        選用γ-(縮水甘油醚氧)丙基三甲基硅烷(簡(jiǎn)稱KH560)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行表面改性,改性過(guò)程包括水解、自縮合、脫水反應(yīng)等。KH560 先在溶液中發(fā)生水解反應(yīng),產(chǎn)生硅羥基,部分水解產(chǎn)物間發(fā)生自縮合反應(yīng)形成縮合物。硅羥基與縮合物分別與膨潤(rùn)土晶格表面裸露的Si-OH 發(fā)生脫水反應(yīng),將有機(jī)官能團(tuán)與膨潤(rùn)土晶格牢固地結(jié)合在一起,在晶格表面重新形成枝節(jié),進(jìn)而形成偶聯(lián)劑層。膨潤(rùn)土由原來(lái)富含羥基的親水性表面變成了包含有機(jī)基團(tuán)的親油性表面,減少了表面羥基與水分子發(fā)生縮合反應(yīng)而導(dǎo)致的硬團(tuán)聚,也平均了粒子的表面電荷量,進(jìn)而改善了膨潤(rùn)土粉體在濕潤(rùn)環(huán)境下的團(tuán)聚現(xiàn)象。

        3.4 復(fù)合聚合物熔融插層法

        通過(guò)復(fù)合聚合物熔融插層方法實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性。膨潤(rùn)土具有天然的納米結(jié)構(gòu),將聚丙烯、高嶺土等聚合物采用熔融插層法處理得到復(fù)合鈉基膨潤(rùn)土阻燃材料[25]。在插層過(guò)程中,聚合物從熔體中滲入將膨潤(rùn)土粒子包圍,在從晶體與晶體之間的間隙擴(kuò)散至膨潤(rùn)土層間。由于膨潤(rùn)土片層之間具有很高的縱橫比,當(dāng)聚合物滲入膨潤(rùn)土層間時(shí),可以有效填補(bǔ)之間的空隙,當(dāng)覆蓋在燃燒物體上時(shí),一方面可以有效阻隔外界空氣進(jìn)入,另一方面可以限制燃燒物熱分解產(chǎn)生的易揮發(fā)氣體在材料中的擴(kuò)散,極大提高復(fù)合鈉基膨潤(rùn)土的熱穩(wěn)定性,增加其阻燃能力。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        1)治災(zāi)材料效果的發(fā)揮,實(shí)質(zhì)上探究其和災(zāi)害介質(zhì)的結(jié)合或者各種復(fù)雜的物理化學(xué)作用關(guān)系,界面改性可實(shí)現(xiàn)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用,改善表面形態(tài)及性質(zhì),產(chǎn)生或者定向加強(qiáng)某種新功能,更好的促進(jìn)治災(zāi)材料作用的發(fā)揮。

        2)對(duì)膨潤(rùn)土基材料進(jìn)行了深入的改性研究,提出了機(jī)械-化學(xué)聯(lián)合改性、有機(jī)活化-無(wú)機(jī)鹽改性法、復(fù)合偶聯(lián)劑-表面分散法、復(fù)合聚合物熔融插層法4 種改性思路及方法實(shí)踐,強(qiáng)化了膨潤(rùn)土基材料具有典型的層狀立體晶格結(jié)構(gòu)帶來(lái)巨大的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鎖水特性、隔氧吸熱降溫性、微尺度多孔特性、層間空隙形成多孔吸附特性、低導(dǎo)熱特性5 種典型特性。

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