高嶺土插層納米材料具有更好的可塑性、白度、易分散性、吸附性，更可以賦予材料光學(xué)、電學(xué)及磁性能，擴大了高嶺土的應用范圍。
圖1 高嶺土的結構
1、高嶺土的插層機理
高嶺土層間域的兩面分別為鋁氧八面體的羥基層和硅氧四面體的氧原子層，其兩面原子分布的不對稱(chēng)使高嶺土層間域顯極性，少數分子量小、分子極性較強的有機物，如乙酰胺、乙酸鉀、甲酰胺和二甲基亞砜等容易進(jìn)人高嶺土層間發(fā)生插層反應。其他的有機分子則需要兩次或多次插層進(jìn)人高嶺土層間，將高嶺土層間撐開(kāi)，以可直接進(jìn)入層間的有機小分子作為前驅物進(jìn)入層間，其他的有機物分子則通過(guò)對前驅物置換或者通過(guò)夾帶方式進(jìn)人高嶺土層間，從而達到插層的目的。
插層劑主要分為兩類(lèi)，一是具有質(zhì)子活性的有機分子，可以接受或給出質(zhì)子與高嶺土層間域表面羥基或氧形成氫鍵，如甲酰胺、乙酸鉀等；另一種為只能接受質(zhì)子的質(zhì)子惰性分子，與合適的質(zhì)子供體形成氫鍵，如二甲基亞砜等。
2、插層方法
?。?）機械化學(xué)法
機械化學(xué)法插層是通過(guò)外力的機械研磨、攪拌、剪切、摩擦作用，使較大的疊層剝開(kāi)，插層物借助機械力進(jìn)入高嶺土層間，將層間距撐大，甚至剝離。研磨法是目前常見(jiàn)的插層方法，技術(shù)也比較成熟，主要包括手動(dòng)研磨和機械設備研磨，主要設備有球磨機、介質(zhì)攪拌磨、砂磨機等。機械研磨法效率高，反應時(shí)間短。
將醋酸鉀和偏高嶺土進(jìn)行機械研磨，醋酸鉀與水分子以配位鍵結合，形成水合醋酸鉀分子，在機械研磨作用下進(jìn)入偏高嶺土層間，將偏高嶺土片層撐開(kāi)，之后進(jìn)行加熱烘干，水分子的蒸發(fā)進(jìn)一步擴大了層間距，從而達到增大層間距甚至剝離片層的作用。制得的插層復合材料中，醋酸根與偏高嶺土的鋁氧層通過(guò)水分子橋接方式連接，而鉀離子水合物保持電中性。
?。?）液相插層法
液相插層法是指液態(tài)、溶液或熔融狀態(tài)下的插層劑進(jìn)人高嶺土層間發(fā)生插層反應的方法，以溶液的濃度梯度為插層動(dòng)力。根據插層反應的步驟分為直接插層法、兩步插層法和三步插層法。對于不能直接發(fā)生插層反應的分子，一般需要以高嶺土/甲醇復合物為前驅體，通過(guò)多步替代或夾帶置換預先插層的分子使有機物分子進(jìn)人層間。甲酰胺/高嶺土復合物、聚乙烯毗咯烷酮（PVP）/高嶺土插層復合物都可通過(guò)多次插層法制得。
利用浸泡法制備高嶺土醋酸鉀插層復合物，實(shí)驗表明：弱堿性條件下，高濃度、較高的高嶺土結晶度有利于插層反應的進(jìn)行，而溫度則對反應的影響不大。
?。?）微波法
一般認為微波對插層反應的促進(jìn)作用主要分為兩個(gè)方而，包括熱作用和非熱作用。微波加熱具有受熱均勻，加熱速度快的特點(diǎn)，在加熱過(guò)程中，微波中的電磁場(chǎng)以每秒數億次甚至數十億次的頻率轉換方向，極性有機物分子中的偶極矩的轉向運動(dòng)滯后于交變電場(chǎng)的變化，材料產(chǎn)生內部摩擦而發(fā)熱，產(chǎn)生所謂的“內加熱”。同時(shí)，有機物分子吸收微波，吸收微波的能量與分子平動(dòng)能量發(fā)生自由交換，通過(guò)改變分子排列等焓或熵效應，使反應活化能降低，從而促使并加快極性有機物分子進(jìn)入高嶺土層間。
張先如等采用微波法誘導二甲基亞砜對高嶺土進(jìn)行插層，使插層反應時(shí)間大大降低，當微波誘導插層時(shí)間達到30min時(shí)，插層率即可達到75%以上。孫嘉仁等人利用微波誘導不同插層劑的插層過(guò)程，實(shí)驗表明：微波對不同插層劑的作用效果不同。二甲基亞砜因其偶極距大而分子尺寸相對小，在微波作用下插層速率提高顯著(zhù)。而以乙酸鉀為代表的鹽類(lèi)插層劑，由于K+等金屬離子對水分子的吸引作用，降低了其偶極矩變化速率，同時(shí)較大的分子尺寸也不利于微波的誘導作用。
?。?）超聲波法
超聲波是頻率高于20kHz的聲波，具有頻率高、波長(cháng)短、穿透能力強、傳播方向性好等特點(diǎn)。利用超聲波誘導有機物插層，超聲波的機械特性促進(jìn)高嶺土和插層劑的均勻混合，同時(shí)其空化作用產(chǎn)生的高溫可以為插層作用提供部分能量，對插層過(guò)程有明顯的促進(jìn)作用，可以提高插層率，縮短插層時(shí)間。
繆敏潔等利用超聲誘導制備高嶺土/DM-SO插層復合物，經(jīng)超聲處理后，高嶺土比表面積增大，分散性和吸附性變好，層間距增大甚至剝離，使有機物分子更快的進(jìn)入高嶺土層間，提高粘土插層率。閻琳琳等用超聲法將高嶺土與醋酸鉀、尿素和二甲基亞砜的插層復合物進(jìn)行片處理，使高嶺土顆粒在納米化的同時(shí)保證完好的晶粒結構，其中高嶺土/醋酸鉀復合物的剝片效果最為明顯。
3、插層的表征方法
?。?）X-射線(xiàn)衍射分析
X-射線(xiàn)衍射（XRD）分析方法是研究粘土礦物構成、組分以及結構的重要方法。通過(guò)X射線(xiàn)圖譜，晶體表而產(chǎn)生的衍射峰的位置和強弱可以判斷粘土的晶體結構，以及高嶺土的層間距。高嶺土的層間距為0.716nm，當有機物分子進(jìn)入高嶺土層間后，層間域增大，XRD圖譜中高嶺土的特征峰強度變弱，在更小的衍射角度出現新的衍射峰。插層率用來(lái)表征插層反應進(jìn)行的程度，用高嶺土插層前后的d001值強度變化的比值來(lái)表示。
?。?）紅外譜學(xué)特征
紅外光譜伸縮振動(dòng)帶的強度變化特征可以反映高嶺土插層作用。高嶺土的光譜上有5個(gè)振動(dòng)帶：v1（3695cm-1），v2（3670cm-1），v3（3650cm-1），v4（3685cm-1）和v5（3620cm-1）。其中v5帶為內羥基的伸縮振動(dòng)，強度最大，其余為內表面羥基。插層作用使高嶺土層間氫鍵被破壞，對內表面羥基的影響大，使v1、v2、v3、v4的強度減弱，峰的分布面積減少甚至消失，并產(chǎn)生新的譜線(xiàn)。譜線(xiàn)特征變化越大，插層效果越好，可用來(lái)表征插層程度。另外，插層劑進(jìn)入高嶺土層間，其中含有的C-H、N-H、C=O等官能團的情況也可以從紅外光譜圖中體現出來(lái)，便于插層反應的定性分析。
4、小結
目前，對于高嶺土插層的工藝日趨完善，效率日益提高，更多的插層劑應用于高嶺土的插層改性研究中，也提高了高嶺土的物化性能和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。高嶺土有機插層復合物既具有粘土礦物分散性、流變性、吸附性，又具有有機分子官能團和反應活性，將有更廣泛的應用領(lǐng)域。目前，改性高嶺土已應用于高性能有機納米陶瓷、環(huán)境污染修復材料、高性能增強聚合物基納米復合材料、非線(xiàn)光學(xué)材料、納米反應器等領(lǐng)域。
（摘自：高嶺土插層改性的現狀與研究進(jìn)展，作者張汀蘭）
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