论文总字数：13935字

目 录

1引言 4

1.1 蒙脱土 4

1.1.1蒙脱土的结构和性能 4

1.1.2蒙脱土的物理性质 4

1.1.3蒙脱土的化学性质 6

1.1.4蒙脱土的改性 8

1.2 氧化石墨烯 9

1.2.1氧化石墨烯的简介 9

1.2.2 氧化石墨烯的结构、性质以及应用 9

1.2.3氧化石墨稀结构与性质 10

2实验内容 11

2.1实验试剂 11

2.2 蒙脱土的制备 11

2.2.1实验材料 11

2.2.2实验过程 11

2.3 氧化石墨烯的制备 11

2.3.1实验材料和仪器 11

2.3.2实验过程 11

2.4蒙脱土/氧化石墨烯复合膜的制备 11

2.4.1实验仪器 11

2.4.2溶液配制 11

3.实验结果与讨论 12

4.展望 17

参考文献 18

致谢 20

氧化石墨烯与蒙脱土的制备以及成膜研究

吉凌

，China

Abstract：Graphene is one of the hot research subjects in the scientific community. The dispersion properties of graphene oxide are applied here.Montmorillonite is a layered clay minerals with high ratio of performance to price, which has abundant reserves and many other excellent properties. Modified montmorillonite is a practical functional material, which has played a very important role in social production and daily life.This paper not only uses such as X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) of montmorillonite and graphene oxide characterization but also their composite membrane used Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and polarizing optical microscopy (POM) detect the crystal structure and morphology.We have successfully prepared a large layer of graphene oxide solution with liquid crystal phase characteristics. Due to the introduction of large layers of graphene oxide, the performance of the composite membrane has been greatly improved.

Key words：Graphene oxide; montmorillonite; composite membrane

第一章 引言

氧化石墨烯是当今社会中热点的研究讨论提案之一。它拥有着比石墨烯更加优异的性能，对于研究新兴的材料和材料的力，热，电学等综合性能有着突破的意义。同时，蒙脱土又是功能化得到材料，并且有着超高的性价比。很多学者和科学家都对这两者的复合膜在今后的表现充满了期待。

1.1 蒙脱土

蒙脱土是一类有着好多优秀特点的非金属的纳米矿物，有着非常典型的层状的硅酸盐。在很多方面都用到了他的吸水性和价格低廉，另外它容易分散和膨胀。它的相容性不是很好，把无机的蒙脱土添加到聚合物原料中，然后反应出的复合材料，经过检测之后，往往很难满足现在工业的应用需求。所以, 必须要对其进行优化与改性。我们已经知道了蒙脱土自身所拥有的尺寸的稳定性，无机物的刚性，还有就是热稳定性。利用这些优秀的特性，我们把经过改性后的蒙脱土加入到聚合物基体中，和聚合物所拥有的可加工性，弹性等相联合。反应之后，得到了由特殊性能特点的新型聚合物复合材料。通过优化改良之后的产物，十分好用，奠定了蒙脱土在工业化应用中的基础地位。我们可以看到各种颜色的蒙脱土，常见的有白色或灰白色，此外这些特别的颜色如浅黄色、浅玫瑰色、红色、蓝色是其中含有杂质的。

1.1.1蒙脱土的结构和性能

层状聚集结构是我们通过电子显微镜可以观察到的结构特性。粉末的尺寸经过测量，得到大小为0.1-1微米之间。粉末是由单元厚度约为8-10纳米的晶粒单元所组成。其中单个晶粒单元一般是约10个单元层片组成，单元层的厚度仅有0.96-1纳米。相邻层的结合力为van der waals。单一层片在XRD中有较敏锐的（001）衍射，所以，它一般不会单独存在。单一层片与层片之间可以自由的随机转动，移动，这样形成的晶体的形态就是多层了。蒙脱土的化学组成Na_0.7（Al_3.3Mg_0.7）Si₈O₂₀（OH）₄·nH₂O属2:l型，结构为层状的硅酸类盐。可以想象到一个三明治形状的结构，上下的两面晶片为硅氧四面体，中间的一层晶片为铝氧八面体。这样的一个三明治就是一个单位晶胞，上下两面中间靠公共用的氧原子链接。因为这种上下层和中间层的晶体结构为四面体和八面体，如同积木一样，层层堆叠，一层排一层，高度规律的排列，他们之间韧性好，十分紧凑，有条不絮。但是每层厚度仅为1纳米。蒙脱土具有二维晶体的特征，主要原因是单元层片在二维方位上会存在无规律的移动，蒙脱土单元层间按序排列。

1.1.2蒙脱土的物理性质

在蒙脱土与水的结合之后，表现出了水化的特性。水分子进入蒙脱土的物质表面，与里面的表面颗粒发生了反应，结果会形成一层膜，这一过程我们成为水化。产生的这个水化作用，经过研究，其中吸附在表面的离子具有可换性，于此同时，能产生作用的就是蒙脱土自身的电荷，它们都可以吸附到极性水分子，靠的是它们的静电引力。同一时间，氢键慢慢形成，它们一部分来自晶体形态的蒙脱土中的O或者是氢氧中的H，还有一部分是来源于水的分子中H或者O。这样蒙脱土颗粒周围就会有好多好多的水分子，因为氢键形成的水分子就在附近有序的，同一方向排列，从而可以形成水化膜。

同样，蒙脱土遇水之后也有膨胀这一表现，其原因是水分子会进入蒙脱土晶间，使它的体积慢慢的从小变到大的过程，叫做膨胀。蒙脱土在水中发生的膨胀过程有两个部分，分为膨胀水化发生在表面和发生于渗透过程中。1.蒙脱土表面水化引起膨胀；主要有vander waals存在于矿物蒙脱土晶体层中间，另外还有晶层间的氢键之间存在的力，负电荷-阳离子-负电荷之间的静电引力等等。这些力还有别的名字，我们叫它连结力，它们的作用都是使得蒙脱土各晶层连在一起。当把水和蒙脱土混合之后，水分子利用氢键力和阳离子之间的交换性进入蒙脱土的晶层间。之后，会产生一种力叫做晶间斥力，它会使晶层间分的更开。继而发生表面的水化膨胀，在这中间，如上面所说，晶层间之间的距离会慢慢变大，此时连结力逐渐被它们晶层间的斥力所超过，而且差距会变大。2.渗透性水化引起蒙脱土的膨胀：凭借着通过渗透进来的水分子所形成的压力还有两个晶体电层之间存在的斥力，晶体蒙脱土

中间的空隙大小会逐渐超过1纳米。这时候，起主导作用的就是渗透性质的水化膨胀，而不是晶体表面颗粒水化引起的膨胀现象。这种现象我们叫做渗透性水化膨胀，主要是靠水的渗透作用，使水分子渗透进入蒙脱土的晶层中间。其中还有一个条件是存在于晶层间的阳离子，它的浓度比例要高于存在在水中的阳离子。

在水中盐的浓度和晶层之间阳离子的浓度直接或间接影响到了其膨胀的程度。有这样一个规律，一般性膨胀现象愈强，水中渗透压也会愈高，这是在一个盐低浓度的情况下。所以，我们可以说，盐水是抑制水化膨胀的重要因素，浓度高了，膨胀现象就差了。

水分子开始慢慢进入晶层间，伴随着渗透的现象使得蒙脱土晶体晶层之间的距离变大。这时候，晶体上会出现多余的负电荷，相对的阳离子就会产生扩散，形成了两层电子，我们叫做双电层。同时，分离的两个电层间的多余负电荷相互排斥，导致层间距离愈变愈大，膨胀现象也就愈明显。之后，蒙脱土之中的颗粒就会开始变化，先从大变到小，然后伴随着水化膨胀，晶层之间的连结力也会发生变化，从大于斥力逐渐虚弱到小于斥力，这种过程就是水化的膨胀分散。

晶层间具有交换特性的阳离子的种类决定了蒙脱土的膨胀程度大小。举个例子，层间带有Na 的晶体就是比其它带有Ca² ，Mg² ，NH₄ 的分散性要好的多。最明显的就是带有不同离子的晶体层间距离有着很大的差异，Na 蒙脱土经过水化后的晶层之间的距离大约为1.7~4.0纳米，与它相比较的就是Ca² ，晶层间最大距离为1.7纳米。在单元晶层间存在着两类力，一类是层间的阳离子经过水化膨胀所产生的力和多余的负电荷之间相互的斥力；还有一类就是静电引力，它们就是在蒙脱土的晶体单元层-层间游荡的阳离子-晶体的单元晶层互相作用的。单元层间的斥力和引力就决定了分散程度的强弱。晶格膨胀就像Ca土那样的，它们中间就是斥力小于引力；一旦斥力超过了引力，破坏了中间的平衡，那么就会形成双电层，发生渗透膨胀，就像Na土一样的单元晶层分离。

1.1.3蒙脱土的化学性质

1.1.3.1带电性质

我们把存在于MMT晶体中的电荷归为三大种类，永久负电荷、可变负电荷和正电荷。晶格的类质同象会产生MMT的永久负电荷，这种存在于自然界中的置换作用有着非凡的意义。介质ph的大小并不会对负电荷的多少起到丝毫的影响，完全由晶格取代作用所决定。这些永久负电荷，大部分存在于铝氧八面体中，Al³ 和Mg，Fe等等 2价离子之间发生的取代反应提供了很多原料。很少的一部分，约为15%，则是发生在了硅氧四面体中，Si被Al所取代掉。因此，存在于MMT的单元晶胞中永久负电荷的数量约为0.25至0.6个。

裸露在MMT层面上和端面上的原子结构有着很大的不同。化学键断开于端面上，发生在晶格中的八面体和四面体之间。铝矾土与八面体有着十分相似的端部表面。当ph值大于7时，裸露在表面上的负电荷（gt;Al—O^-）由于氢键的解离而不断的产生。还有的现象是表面带正电的Al³ 慢慢显露出来，因为在phlt;9的介质里有OH的解离发生。另一边，在MMT中[SiO₄]^4-的端面通常带负点，因为H的解离。但是一部分漂浮在悬浮液中的很少的Al³ ，因为它填补了硅氧四面体的破裂的断键出，结果带了正电。这里，负电荷有了新的解释，它会受到介质ph值变化的影响，我们叫它可变负电荷。当然负电荷的种类不止这些，聚电解质上吸附的有机阴离子还有MMT晶体端面上附着的无机OH^-和SiP₃^2-离子也是存在于其中的。同理负电荷，正电荷就是存在于介质ph值小于9，可变负电荷，正电荷在MMT晶体端面。电荷数量也会随着介质ph的改变而不同。

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