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1 概述
膨润土的主要成分是蒙脱石。蒙脱石是一种含水的层状硅酸盐矿物，其结构单元为T O T 型，结构式为Ex(H2O)4{(Al2-x, Mgx)[Si4O10](OH)2}，E为层间可交换性阳离子，主要为Na+和Ca2+，x为E作为一价阳离子时单位化学式的层电荷数，一般为0.66，在八面体配位中，Al 可被Mg 代替，也可被Fe 2+、Fe 3+、Ni+、Zn2+、Li+等代替，Mg2+、Fe2+等二价阳离子代替Al3+是层间电荷产生的主要原因[1]。蒙脱石按单位半晶胞层电荷的大小可分为低层电荷型、高层电荷型和过渡型三种。蒙脱石的典型特点是层间阳离子易被作用力强，浓度大的其他阳离子置换，尤其是分子量较大的有机阳离子，改变蒙脱石的物理、化学性能，拓展其应用领域。
膨润土是一种有着广泛应用前景的非金属矿产资源。国外在对有机膨润土的应用上已经达到了产业化的水平。而在国内也有一定程度的应用。山东地区天然膨润土的储量丰富，但是长期以来一直以粗放型的方式开采，开采出的膨润土经初加工后直接销售，产品的附加值极低。
本实验室以山东莱西膨润土原土为材料，经过一系列加工，生产出有机膨润土，并将其应用到涂料的生产过程中，研究有机膨润土在涂料中的应用性能。一方面为提高山东膨润土的附加值找寻合适的工艺条件，另一方面，为有机膨润土在涂料中的应用寻找合适的使用条件。
2 试验过程
2.1 有机膨润土制备试验
试验用原材料为山东莱西膨润土原土。
试验所用药品：1231、1631、1831、碳酸钠。
有机膨润土的制备流程见图1 。
在实验中，采用静沉降的方法进行提纯，得到的提纯土的粒径为10μm。提纯干燥后的膨润土加入水制成膨润土浆，然后加入4% 碳酸钠进行改型，制成钠基膨润土，然后再加入有机改性剂在水浴锅中进行搅拌改性，有机改性剂用量为1.1CEC，水浴锅的温度为8 0 ℃，反应时间为2 h ，然后经洗涤、过滤、干燥、研磨制备出粒径为3 2 0 目的有机膨润土。
测定有机膨润土的指标：用马弗炉和分析天平进行烧失量的测定；用N D J – 7 9 旋转黏度计测定粘度；用X-射线衍射仪测定层间距d (001)值。
2.2 有机膨润土应用试验
将三种有机膨润土分别以不同的添加量加入到丙烯酸外墙漆涂料中，观察现象。丙烯酸外墙漆涂料配方(%)：丙烯酸树脂40；分散剂0.2；消泡剂0.1+0.2；钛白粉18；沉淀硫酸钡10；重质碳酸钙8；轻质碳酸钙4；滑石粉5；石蜡2；有机土0.3-2；稀释剂12。
试验流程图见图2 。
试验过程：
(1) 按配方称取丙烯酸树脂、适量消泡剂、稀释剂和有机膨润土，放入研磨桶中搅拌均匀，转速大于1 500r/min，搅拌时间约15min。
(2) 按配方称取钛白粉、沉淀硫酸钡、重质碳酸钙、轻质碳酸钙和滑石粉，并按照其密度的大小顺序，依次加入上述研磨桶中，均匀分散后加入分散剂，搅拌后加入玻璃珠(用量约为漆重的1/3)，研磨桶壁通入冷凝水，高速分散，转速4 000r/min，搅拌时间约为2 . 5 h 。用刮板细度剂测定研磨后细度小于5 0μm ，则停止研磨。
(3) 用80目的滤网过滤出玻璃珠和杂质，油漆称重，补加适量石蜡、消泡剂和稀释剂，在分散机上充分分散，制得丙烯酸外墙漆。
其中1231、1631和1831改性的有机膨润土用量分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和2.0%。制备出的丙烯酸外墙漆，用NDJ-97旋转粘度计测定其粘度，按GB/T6753.3-86涂料贮存稳定性试验方法测定其贮存性。
3 结果分析与讨论
本试验对所用提纯膨润土进行全分析，结果见表1。根据化学全分析计算出的山东莱西蒙脱石的层电荷密度为：0.496。不同各类的有机蒙脱石性能指标见表2。
从表中可以看出随着碳链长度得增加，有机土的烧失量增大；在二甲苯体系，三种有机土的粘度值均较小，其中1231的粘度为1.152Pa·s，1631的粘度为1.403Pa·s，而1831不成凝胶；从三种有机膨润土样品的X- 射线衍射图中可以看出，层间距均有增大，说明有机改性剂进入了蒙脱石层间，所形成的复合物是有机膨润土。这与冯安生(2003)[2]等的研究结果相同，即高层电荷型蒙脱石改性制得的有机膨润土的粘度均较低，因为这类蒙脱石在达到凝胶点时受到层间交换阳离子迁移的静电斥力效应，难于形成稳定的高粘度凝胶体系。
3种有机膨润土按不同的添加量加入丙烯酸外墙漆中，得到的粘度和抗沉性指标见表3、表4、表5。
从表3中可以看出，1231改性的有机膨润土在用量少时，抗沉效果不明显，只有当其用量≥1.2%，抗沉作用明显，当其用量为1.5%时，漆样在烘箱中(50℃)内放置1个月，无任何沉淀，相当于室温下放置1年无沉淀。从测得的旋转粘度值可看出，随着有机土用量的增加漆样的粘度值迅速升高。
从表4中可以看出，1631 改性的有机膨润土在用量很少时，就能够起到抗沉作用。有机土用量为0.3%时，漆样放置1 个月无任何沉淀。从粘度值来看，随着有机土用量的增加漆样的粘度值升高，但在用量1.5%时出现粘度下降的趋势，到2.0%时，粘度值又回升。
从表5中可以看出，只有当1831改性的有机膨润土的用量≥0.6%时，才能起到抗沉的作用，漆样放置两周无沉淀。从粘度值来看，随着有机土用量的增加漆样的粘度变化细微，有机土用量增大对体系粘度影响很小。
比较1231改性的有机膨润土和1631改性的有机膨润土，可以发现，在相同用量条件下，前者作为抗沉剂制备的漆样粘度高于后者。
4 作用机理
由于有机膨润土层间的可交换性离子为长链有机季铵盐阳离子，它可以溶于非极性溶剂中，如二甲苯、200号溶剂油。在剪切力的作用下，溶剂渗入有机土层间的毛细管状缝隙而使粉末润湿，导致有机薄层堆的解附聚。由于解附的薄层边沿和面上带有异种电荷，可以与丙烯酸树脂分子上的羟基和羧基发生静电吸附作用，最终形成空间上的网络结构，包裹住丙烯酸外墙漆内的颜、填料，起到防止沉降的作用[3-6]。
1231、1631、1831改性的有机膨润土在各自合适用量的条件下均能在丙烯酸外墙漆体系中起到抗沉作用，但现象明显不同。作者认为这与改性所用有机季铵盐阳离子的链长有直接关系。1231改性剂的链长较短，所以在用量少时，虽在剪切力作用下，蒙脱石的薄片堆脱附聚，使得体系粘度上升，但形成的网络结构疏松，难以将颜、填料完全包裹，抗沉效果不明显。而当1231改性的有机膨润土用量增多时，网络结构变紧密，抗沉性提高，同时增大体系的粘度。
1631改性剂的链长合适，能够在较少用量的条件下形成相对紧密的网络结构，包裹住颜、填料，起到很好的抗沉效果。当1631改性有机土的用量增大时，体系粘度上升。但粘度值低于1231改性有机土。作者认为1631阳离子之间的静电斥力作用大于1231阳离子之间的静电斥力作用，受到离子之间静电斥力的影响，而使得的漆样粘度小于1231有机土作用的涂料。
1831改性有机膨润土作用时的现象比较特殊，这主要是因为1831改性剂的碳链较长，在涂料体系中产生了一些协同效应。由于进入蒙脱石层间的1831阳离子的链较长能够与蒙脱石片层协同作用形成空间网络结构阻止颜、填料的沉降。而长链有机阳离子1831又可以与涂料的溶剂混融，所以有机土用量增加，涂料体系的粘度变化较小。
5 结论
山东莱西出产的膨润土原土属于高层电荷型蒙脱石，用十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基氯化铵作为有机改性剂对膨润土进行有机改性，均能使蒙脱石的层间距变大，但不同类型改性剂进入蒙脱石层间的数量不同，使得制备出的有机膨润土在涂料中的作用效果有很大差异。在本试验条件下制备出的有机土中，使用十六烷基三甲基氯化铵作为改性剂制得样品在丙烯酸外墙漆体系中的抗沉效果最好。
