十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱土的制备及其保水性能∗张增志;渠永平;马丹丹;杜红梅【摘要】This study was conducted to solve the problem of sand-fixation and moisture retention in desertifica-tion region,the montmorillonite was modified by hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTMAB).The wa-ter retention property was studied in an artificial climate box with simulating desert climate and the materials were analyzed and characterized by means of SEM,FT-IR,XRD and TGA measurements.The results showed that CTMAB had intercalated into the interlayers of montmorillonite and d (00 1) layer space increased from 1.25 104 to 2.09212 nm.The organic montmorillonite had excellent water retention property.The clay particles were cemented through the interactions of CTMAB,and the strength and stability of the bonding layer signifi-cantly increased.The hydrophobic ends of CTMAB connected to form a hydrophobic network to inhibit the wa-ter evaporation.Grass-planting experiment showed that the germination rate of grass seed with organic mont-morillonite was significantly improved to 48%,while the rate for control group was only 8%.%针对荒漠化地区沙土水分涵养难的问题,用十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethyl ammoni-um bromide,CTMAB)插层改性制备有机蒙脱土保水材料.研究了材料在模拟沙漠气候条件下的保水性能,并采用 X 射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、热重分析、扫描电子显微镜对材料进行分析和表征.结果表明,CTMAB 插层进入蒙脱土层间,(001)面层间距由1．25104 nm 增大到2．09212 nm,同时该材料保水性能良好,CTMAB 亲水端进入蒙脱土层间,将松散的蒙脱土颗粒胶结起来,其憎水端相互连接形成憎水网络,从而在地表形成透气保水的固结层来有效降低水分蒸发.模拟沙漠气候条件下的植草试验表明,施用该材料后草籽发芽率从对照组的8％提高到48％.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P7067-7071)【关键词】十六烷基三甲基溴化铵;蒙脱土;改性;制备;保水性能【作者】张增志;渠永平;马丹丹;杜红梅【作者单位】中国矿业大学北京生态功能材料研究所，北京 100083;中国矿业大学北京生态功能材料研究所，北京 100083;中国矿业大学北京生态功能材料研究所，北京 100083;中国矿业大学北京生态功能材料研究所，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TB341 引言荒漠化是影响人类生存和发展的全球性灾难［1］，而我国是世界上受荒漠化影响较为严重的国家之一［2］，当前我国荒漠化面积约占全国陆地面积的1／4，因此新型固沙剂一直是研究热点［3－5］。
王银梅等研制了SH新型高分子固沙材料［6］，研究其固化沙体的强度及相关特征，并实验了其对植物生长的影响等。
杨明坤等［7］合成了羧甲基纤维素钠接枝丙烯酰胺的固沙剂，并测试了其固化层厚度和保水性能等。
苏鹏等［8］合成了丙烯酸／全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚物，改善了化学固沙剂固沙层渗水速率低和吸水率高的特点。
刘瑾等［9］研制了聚氨酯型固沙剂，并在室内测试其固沙性能。
这些材料固沙效果均较好，但其对应苗木成活率相对不高。
王博涛等［10］研究了利用山梨糖醇酐油酸酯乳化木蜡改性粘土制备固沙植草喷膜材料，具有很好的保水固沙效果，但由于原料及工艺导致的成本过高影响其使用。
蒙脱土有机插层改性是近年来的研究热点［11－15］，有机改性剂通过离子交换进入蒙脱土层间，改善其分散性能、吸附性能等。
由于蒙脱土层间多带有过剩的负电荷，因此目前常用的改性剂主要是长链烷基季铵盐类等阳离子表面活性剂［16－20］。
目前有关蒙脱土插层改性已有很多研究，但将其作为固沙保水材料的尚未见报道。
针对荒漠化治理中沙土有效水分涵养的难题，本文提出利用成本较低的十六烷基三甲基溴化铵（hexadecyl tri met hyl a mmoniu m br o mide，CT MAB）直接插层改性蒙脱土，将其与水混合制浆后淋洒到沙层表面，可在沙层表面形成透气保水的固结层，固定沙面的同时可以抑制沙层水分蒸发，为植物生长提供适宜的土壤湿度，实现生物固沙的有效水分条件。
本文制备了CT MAB改性蒙脱土，测试其在模拟沙漠气候环境下的保水性能，用X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、热重分析、扫描电子显微镜等对其插层效果及保水机理进行了分析，并对施用该材料后草籽发芽率的变化进行了研究。
2 实验2．1 试剂与仪器十六烷基三甲基溴化铵（CT MAB），北京化学试剂公司，分析纯；钠基蒙脱土，200目，阳离子交换容量（CEC）为90 mmol／100 g，浙江丰虹新材料股份有限公司；美洲王草籽，北京金土地农业技术研究所，其它试剂为分析纯。
人工气候箱，宁波莱福科技有限公司的PQX多波段人工气候箱；X射线衍射仪，日本理学D／MAX－2200PC型X射线衍射仪；红外光谱分析仪，美国尼高力公司的NEXUS 670型红外光谱分析仪；热分析仪，美国Per kin El mer Dia mond SⅡ综合热分析仪；电子显微镜，日本日立S－3400型电子显微镜；水分测定仪，德国赛多利斯M30型快速水分仪。
2．2 有机蒙脱土的制备在300 g水中加入10 g蒙脱土，加热到一定温度后搅拌3 h，然后分别加入3．3，6．6和9．9 g CT MAB（即分别对应蒙脱土的1CEC（cation exchange capacity）、2CEC、3CEC），继续恒温搅拌3 h，自然冷却后取出，离心分离，用50%的乙醇溶液洗涤，直到上层清液p H值为7，在80℃真空烘箱中烘干，研磨，过200目筛，即得有机蒙脱土。
加入适量去离子水制得浓浆体后通过自制的淋洒器（底部布满孔洞的塑料杯）均匀洒到相对湿度为45%的粗砂上。
根据CT MAB的不同含量3．3，6．6和9．9 g，将各试样对应命名为 C1、C2和C3，另外制作未改性蒙脱土为空白对照组C。
2．3 测试与分析2．3．1 材料保水性能测试利用PQX多波段人工气候箱模拟荒漠化地区气候环境，温度50℃，相对湿度0，光照强度100%，时间7 h；温度40℃，相对湿度0，光照强度60%，时间3 h；温度27℃，相对湿度0，光照强度0，时间8 h；温度27℃，相对湿度0，光照强度40%，时间3 h；温度32℃，相对湿度0，光照强度60%，时间3 h；24 h循环运行（模拟沙漠气候测保水性，所以外界不加湿）。
C、C1、C2和C3每组制备5个平行样，每隔一定时间测试粗砂平均湿度。
2．3．2 材料的测试与表征用日本理学D／MAX－2200PC型X射线衍射仪测定试样的XRD图谱，铜靶（λ＝0．154059 n m），管电流I＝100 mA，扫描速度5°／min；用 NEXUS670FT－IR光谱仪对试样进行红外光谱分析，测试范围500～4 000 c m－1，扫描次数128次，分辨率8 c m－1；用美国Per kin El mer Di mond SⅡ综合热分析仪对材料进行热分析，温度28．5～450℃，升温速率10℃／min，氮气保护气；用日本日立S－3400型电子显微镜观察改性前后试样表面形貌。
2．3．3 模拟植草实验在相对湿度为45%的粗砂中预先放入等量美洲王草籽（约100粒），将各试样浆体均匀淋洒覆盖在粗砂上，草籽采用自然生长方式，其生长过程中无人工灌溉。
每组制备5个平行样，利用人工气候箱模拟沙漠气候，15 d后观察各组草籽平均发芽率。
3 结果与讨论3．1 材料保水性能分析图1为各组试样的保水曲线，由图1（a）可知，空白对照C组，含水率快速下降，而有机改性后的3组试样，含水率下降明显变缓。
图1（a）曲线下降斜率不一致，是由于模拟沙漠气候条件设定的光照强度和温度随时间变化而导致。
由图1（a）可知，光照强度大、温度高时粗砂含水量下降幅度明显高于光照强度低、温度低时。
24 h后 C、C1、C2和 C3含水率分别为14．2%，36．3%，40．6%和41．2%。
由图1（b）可知，C组在第3 d含水率几乎下降为0，而使用改性材料的3组试样，保水性能明显加强，到实验第7 d，都有10%以上的含水率，其中C2和C3保水性能较为接近，第7 d的含水率分别为18．6%和20．1%。
这说明改性蒙脱土的使用显著提高了砂土保水性能。
这是因为CT MAB将松散的蒙脱土胶结后形成较致密的固结层，使水分上升难度加大，砂土蒸发量大大减少，保水性能明显提高。
图1中C1、C2、C3为CT MAB与蒙脱土的质量比为0．33，0．66，0．99。
C为空白对照。
图1 粗砂含水率随时间的变化Fig 1 Changes of moist ure content of sand wit h ti me3．2 材料保水机理分析图2为各试样的X射线衍射图谱。
由图2可知，原土样C的d 001特征峰对应衍射角2θ值为7．06°，根据布拉格方程2dsinθ＝nλ可得对应的晶面间距为d 001＝1．25104 n m，而改性粘土的d 001特征峰对应衍射角2θ为4．22°，对应d 001＝2．09212 n m，层间距增大0．84108 n m，说明CT MAB插层进入蒙脱土层间。