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研究生:巫雅惠
研究生(外文):Ya-Hui Wu
論文名稱:以烷基胺鹽插層改質蒙脫石之攪磨剝層研究
論文名稱(外文):The Exfoliation of Alkylamines Modified Montmorillonite by Stirred Ball Mill
指導教授:溫紹炳申永輝申永輝引用關係
指導教授(外文):Shaw-Bing WenYun-Hwei Shen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:攪磨機蒙脫石烷基胺鹽剝層
外文關鍵詞:ExfoliationMontmorilloniteAlkylaminesStirred Ball Mill
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  本論文利用蒙脫石之層狀矽酸鹽結構所具有的陽離子交換特性,以烷基胺中具有之胺鹽離子(NH3+)取代置換蒙脫石層間陽離子(K+、Na+、Ca2+)而使層間之間距增大,經完全膨潤撐開後,藉助攪磨機之濕式攪磨力量,促使層狀結構逐漸剝離脫層,剝離成為蒙脫石單分子微粒。
  本研究利用12、16及18碳鏈之烷基胺鹽,對台東樟原膨潤石與百康蒙脫石進行插層改質,經插層改質後有機蒙脫石再以攪拌磨機進行不同時間之攪磨,以探討蒙脫石經有機長碳鏈烷基胺鹽改質後與攪磨後呈現剝離脫層之關連,研究獲得以下結論:
1.由紅外線吸收光譜圖證實有機長碳鏈烷基胺鹽溶液與蒙脫石混合反應後乾燥的蒙脫石,各別有C-H 鍵結吸收峰出現於2850cm-1及2918cm-1,N-H 鍵結吸收峰出現於3420cm-1,與烷基胺鹽(Ammonium salt)中C-N鍵結吸收峰在1471cm-1,是蒙脫石原礦中所沒有的,顯示插層劑烷類胺鹽確實進入層間結構形成化學鍵結。且改質蒙脫石歷經攪磨作用後依然可見膨潤石族對紅外線吸收峰,表示剝離脫層之矽酸鹽單一片層仍存在著蒙脫石的化學鍵結構。
2.經由X光繞射分析,以烷基胺插層改質的蒙脫石之層間距,發現12、16及18烷基胺插層劑改質後的層間距離分別為:百康蒙脫石是2.48nm、1.95nm及3.11nm;台東樟原膨潤石是2.66nm、1.95nm及3.80nm。結果分析顯示插層改質黏土呈烷鏈結構或擬三層之插層結構。其中16烷基插層劑是四級銨,插層後的層間距離較小。其他的插層後層間距與烷基鏈長度成正比關係。
3.百康蒙脫石及台東樟原膨潤石顆粒之層狀結構厚度(t)分別約為18.0nm、19.2nm,由蒙脫石原礦之層間距離分別為:百康蒙脫石是1.25nm、台東樟原膨潤石是1.45nm,可由Scherrer公式換算出層數分別約為13及14層。攪磨時,蒙脫石厚度會隨時間加長漸漸變薄,進而產生剝離脫層成單一層之蒙脫石。
4.經由黏土層狀厚度分析可以得到原來的黏土厚度約有13∼14層厚,經過攪磨剝層之後,厚度逐漸剝層減少,觀察攪磨時間為1小時與12小時之樣品,並依烷基胺鹽改質劑碳數由短至長,而比較其剝層速度,其變化量分別歸述於後:百康蒙脫石以12碳鏈插層後是7.3層/小時及18碳鏈插層後呈8.5層/小時;台東樟原膨潤石以12碳鏈插層後是3.3層/小時、16碳鏈插層後是4.0層/小時及18碳鏈插層後呈5.4層/小時。該結果顯示其厚度減少之速度與插層改質劑的烷基鏈長成正比,即最長碳鏈十八烷基胺鹽插層使蒙脫石撐開後層間域高度為最大,歷經攪磨作用後致使蒙脫石剝層速度變化量為最大,故較長鏈烷基胺鹽插層使層間結合力降低而易於剝層。
5.經長時間的攪磨後蒙脫石樣品以X光繞射分析樣品時沒有繞射峰存在,表示接近單層結晶沒有多層重覆性的原子排列,但是在紅外線光譜仍有Si-O、Al-O-Si等鍵結吸收峰,表示仍然有蒙脫石鍵結的結晶物質,可以證實此種狀態是單層分子尺度的蒙脫石顆粒。

  綜合上述結論,藉助攪磨機之攪磨物理力量,對長碳鏈烷基胺鹽插層改質蒙脫石進行攪磨作用,可以促使蒙脫石層狀結構逐漸剝離脫層,進而達到接近單層黏土分子矽酸鹽構造之程度。
 This paper investigates the exfoliation properties of layered bentonite structure under the shear force of stirred ball mill. Two montmorillonite type bentonite are adopted as test samples. One is the commercial bentonite product named BK-MMT, and the other is the natural bentonite mined from Zhang-Yuan area of Taitung, Taiwan. The bentonite samples are modified by organic alkylamines before milling. The modified agents are Dodecylamine, Cetyltrimethylammonium Bromide and Octadecylamine.
 The summarized conclusions of this study are : The Infrared spectrum indicates the adsorption band of alkylamines modified agents had couples with bentonite structure in chemical bonds. The modified bentonites are also showed in the expanded layer from the original of 1.2-1.4nm to 2-3nm, depending on the length of organic hydrocarbon in modified agents. The exfoliation rates of modified bentonite in stirred ball mill can calculated from the thickness of bentonite particles examined from X-ray diffraction. The exfoliation rates are depended on the expanded interlayer space intercalated by modified agents, which are the value of 3-8 layers per hour in the initial 12 hours. The prolong milling products are gradually disappeared the diffraction peak in X-ray diffraction. However, their infrared adsorption bands of silicon-oxide are proved the existence of silicate crystalline structures. The final bentonite of prolong time milling are considered named the single layer of molecular particles.
目 錄
摘要 ………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………Ⅲ
誌謝 ………………………………………………Ⅳ
目錄 ………………………………………………Ⅴ
表目錄 ……………………………………………Ⅶ
圖目錄 ……………………………………………Ⅷ
第一章 緒論 ………………………………………………1
1.1 研究背景 ………………………………………………1
1.2 前人研究 ………………………………………………2
1.3 研究目的 ………………………………………………6
1.4 研究內容 ………………………………………………7
第二章 理論基礎 …………………………………………9
2.1 蒙脫石之晶格結構與膠體性質 ……………………9
2.2 蒙脫石之表面改質 …………………………………13
2.2.1 離子交換性 ………………………………………13
2.2.2 插層改質蒙脫石之吸附作用機制 ……………15
2.2.3 界面活性劑之定義及性質 ……………………16
2.2.4 蒙脫石之膨潤改質 ……………………………16
2.2.5 X光繞射原理 …………………………………18
2.2.6 攪拌磨機之作用機制 …………………………20
第三章 實驗材料與方法 ………………………………21
3.1 實驗材料及設備 ……………………………………21
3.1.1 供試材料:蒙脫石 ………………………………21
3.1.2 插層改質劑 ……………………………………22
3.1.3 實驗樣品編號說明 ……………………………24
3.2 實驗流程 ……………………………………………24
3.2.1 台東樟原黏土礦物之純化 ……………………25
3.2.2 添加長碳鏈烷基胺鹽插層攪磨試驗 …………26
3.3 實驗主要設備及分析方法 …………………………28
第四章 結果與討論 ………………………………………32
4.1 蒙脫石原礦樣品材料性質鑑定分析 ………………32
4.1.1 蒙脫石純化原礦X光繞射分析結果 …………32
4.1.2 蒙脫石純化原礦之紅外線光譜分析結果 ……33
4.1.3 蒙脫石純化原礦之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)分析……36
4.2 攪磨作用對蒙脫石純化原礦之效應 ………………39
4.2.1 蒙脫石經攪磨後之鑑定分析結果 ……………39
4.3 烷基胺鹽插層改質蒙脫石之攪磨作用效應評估 …42
4.3.1 蒙脫石改質前後之膨潤趨勢 …………………42
4.3.2 烷基胺鹽插層改質蒙脫石之X光繞射分析結果 43
4.3.3 烷基胺鹽插層改質蒙脫石之適當攪磨條件評估 46
4.3.4 攪磨作用對插層改質蒙脫石之層狀結構厚度探討………48
4.4 紅外線光譜分析評估烷基胺鹽插層改質蒙脫石之攪磨作用 ………58
4.4.1 不同長碳鏈烷基胺鹽之紅外線光譜分析 ………58
4.4.2 烷基胺鹽插層改質蒙脫石攪磨剝層前後之鍵結吸收峰與性質 … 60
4.5 烷基胺鹽插層改質蒙脫石攪磨剝層前後之比表面積測定分析 ……68
4.6 烷基胺鹽改質蒙脫石攪磨後之掃瞄式電子顯微鏡分析 ……………69
4.7 烷基胺鹽改質蒙脫石攪磨後之穿透式電子顯微鏡分析 ……………74
第五章 結論 ………………………………………………77
參考文獻……………………………………………………79
附錄A 常用之親油性界面活性劑 ………………………83
附錄B 雷射粒徑分析數據及分佈圖 ……………………84
附錄C 烷基胺鹽插層改質蒙脫石之攪磨剝層速度比較表 ……85
附錄D 攪磨改質後蒙脫石之TEM/EDS元素分析結果圖與數據 ……86
附錄E 400~1000cm-1範圍之紅外線吸收圖譜 ………88
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