在最近十几年中,聚合物-层状硅酸盐复合材料一直是人们研究的热点。因为该复合材料具有优异的性能、价格低廉和易于加工等特点,因此备受人们关注。该复合材料通常是利用插层聚合法或聚合物插层法,将选用的某种层状硅酸盐与有机聚合物进行复合而得。目前关于这方面的研究主要集中在聚合物-蒙脱石复合材料、聚合物-高岭石复合材料和聚合物-蛭石复合材料等几种类型的研究。其中聚合物-蒙脱石复合材料研究最深入、最全面。而其他复合材料的研究停留在基础阶段。偏高岭石作为高岭石脱羟基后的产物,它是以非晶组分为主,部分有序的、仍保留着高岭石层状的结构的硅酸盐。在偏高岭石结构中,Al的六配位向四配位转变,Al-O多面体发生畸变,其有序性被严重破坏。由于偏高岭石的Al-O层由六配位、五配位和四配位一起组成,这与被称为“活性氧化铝”的γ-氧化铝的结构相似(γ-氧化铝由六配位和四配位组成),具有很高的比表面积、良好的吸附性等特点。目前,偏高岭石主要被用于制备分子筛和聚水泥,其它方面未见报道。本课题选用不同的化学试剂,对偏高岭石进行修饰,然后用修饰的偏高岭石与有机聚合物进行复合,制备聚合物-偏高岭石复合材料。此外,本实验打破了传统聚合物就是有机聚合物的观念,利用修饰的偏高岭石与有机聚合物复合,制备了性能良好的有机聚合物-无机聚合物复合材料。本实验主要对偏高岭石的化学剥片机理、聚合物-偏高岭石复合材料以及有机聚合物-无机聚合物复合材料的结构进行了研究,为今后的应用提供理论依据,并拓宽层状硅酸盐的应用范围。论文主要包括以下几个方面：1.偏高岭石预处理是制备聚合物-偏高岭石复合材料的关键步骤,因此,本实验选用不同的化学试剂对偏高岭石进行原位复合。并通过XRD、FTIR、SEM、DSC-TG和TEM等测试手段对制备工艺条件和化学剥片机理进行了分析。结果表明,醋酸钾和尿素可促使偏高岭石片层趋于无序化。而选用的其他化学试剂没达到化学剥片的效果。通过对原位复合过程中的化学试剂含量、热处理、研磨时间等工艺条件的探讨,结果发现,热处理能促进试剂进入偏高岭石层间,对偏高岭石片层撑开或剥离有利。而增加研磨时间和插层剂的含量,也同样有助于化学剥片的进行。特别是研磨时间大于1小时,试剂的用量大于偏高岭石时,剥片效果更好。此外,我们对该复合材料的机理进行了推测：对于偏高岭石-醋酸钾复合材料,由于醋酸钾具有吸潮特性,可以与水形成半流动态的水合物。在研磨的作用下,醋酸钾水合物进入偏高岭石层间,并将偏高岭石片层撑开。当经过热处理,层间的醋酸钾水合物的水会挥发出去,在挥发的过程中,对偏高岭石层间也起到撑开的作用。最终醋酸钾水合物的插层作用和水的挥发作用导致偏高岭石片层被撑开或剥离。对于偏高岭石-尿素复合材料的机理：由于尿素能在100℃以下分解成氨和二氧化碳。当在研磨作用下,尿素进入偏高岭石层间,在进行热处理时,层间的尿素分解出气体,气体在逸出的过程中,导致偏高岭石片层被撑开。2.通过插层聚合法,将不同含量的偏高岭石与聚丙烯酰胺复合,制备了一系列偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料,通过XRD、FTIR、Raman、SEM、DSC-TG和AFM等测试手段分析,对复合材料的制备和合成机理进行了探讨。结果表明,利用插层聚合法,已经成功制备了偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料。在该复合材料中,偏高岭石片层以纳米级别分散在有机聚合物基体中,其最大片层间距为1.45nm。振动光谱分析的结果表明,丙烯酰胺发生了交联聚合反应,并与偏高岭石以氢键的形式进行连接。而且偏高岭石的片层结构亦发生变化,即Si-O和Al-O多面体的对称性下降,发生畸变。这一结果与群论预测的结果一致。热分析结果表明,当偏高岭石含量不超过10%时,聚丙烯酰胺的分解温度和玻璃转变温度得到提高。当偏高岭石含量超过10%,聚丙烯酰胺的分解温度和玻璃转变温度下降。经过热力学分析发现,在制备偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料的过程中,机械研磨作用、丙烯酰胺的聚合力以及偏高岭石与聚丙烯酰胺的作用力,这些是有利于插层复合进行的。而所遇到的主要阻力是丙烯酰胺分子进入一个较小受限空间,所产生的熵变。但是当偏高岭石片层空间被撑开、剥离所产出的熵变,会抵消体系之前的熵变。因此,从热力学的角度看,各种因素条件有利于制备偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料,即制备偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料是可行的。因此我们对偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料的合成机理进行了推测：首先偏高岭石与醋酸钾混合,在机械研磨作用下,使醋酸钾进入偏高龄石层间,导致偏高岭石层间间距增大,且部分偏高岭石片层一端翘起。然后将该预处理的插层复合物与丙烯酰胺溶液进行混合,同样在机械研磨作用下,使丙烯酰胺分子进入到偏高岭石层间,在激发剂和催化剂的作用下,使丙烯酰胺分子发生聚合反应,在聚合力的作用下,偏高岭石片层进一步被撑开、剥离。最终偏高岭石以纳米级别分散在聚合物基体中,形成偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料。3.通过溶液插层法,成功制备了一系列偏高岭石-聚乙二醇复合材料。通过XRD、FTIR、SEM、DSC-TG和AFM等测试手段分析,对复合材料的制备和合成机理进行了探讨。结果表明,在复合材料中,偏高岭石在聚合物中呈无规则分布,大部分偏高岭石颗粒大小在100-200nm范围内,少数颗粒则在微米级别。在一系列复合材料中,聚乙二醇的晶型相同,但聚合物的某些晶面随偏高岭石含量的不同而发育程度不同。热分析结果表明,复合材料的分解温度增大,而其失重量减少。这主要是因为偏高岭石与聚乙二醇的复合,导致聚合物分子链的结构对称性和规整性变大,结晶度也增大。而且偏高岭石的出现,对聚乙二醇的分解起到一个“保护”作用。此外,根据热力学分析和实验结果的分析,我们对偏高岭石-聚乙二醇复合材料的合成机理进行了推测：偏高岭石经过醋酸钾的修饰之后,在机械研磨作用下,与聚乙二醇溶液进行混合,使得聚乙二醇分子进入到偏高岭石层间,偏高岭石片层进一步被撑开、剥离。最终偏高岭石以纳米级别分散在聚合物基体中,形成偏高岭石-聚乙二醇复合材料。4.在磷酸激发条件下,将预处理的偏高岭石与不同含量的聚乙烯醇和聚乙二醇进行复合,制备了两种有机聚合物-无机聚合物复合材料。通过XRD、FTIR、Raman、SEM和DSC-TG等测试对制备的样品进行了表征。并对聚合物复合材料的抗压性能进行了测试。结果表明：在磷酸激发条件下,偏高岭石发生聚合反应,形成了一种[Si-O-Al-O-P-O]三维网络结构的无机聚合物。同时,在制备的过程中加入的有机聚合物与无机聚合物被均匀的混合在一起。热分析结果表明,有机聚合物受无机聚合物的“保护”,结果表现出良好的热学性质。此外,复合材料的性能测试表明,制备的聚合物复合材料的抗压强度和硬度都得到提高。在地聚合物-聚乙烯醇复合材料中,其复合材料GPVC-5表现出最大值的抗压强度(61.5MPa),GPVC-10表现出最大的弛豫时间。这主要是因为聚乙烯醇分子链具有很好的柔韧性,而且所加含量较高,从而提高了复合材料的韧性。在地聚合物-聚乙二醇复合材料中,复合材料表现出最强的硬度(维氏硬度：5543 HV0.5kg)。这可能主要是因为聚乙二醇重新结晶,形成结晶完好的晶体,使得该聚合物的柔韧性下降。结果导致聚合物复合材料整体呈现刚性。其复合材料的合成机理是：由于偏高岭石的Al-O层具有很高的活性,在磷酸溶液的条件下,通过机械研磨作用使磷酸进入到偏高岭石层间,并与Al-O层以配位键连接。而且磷酸分子之间通过脱水形成了磷酸聚合物。此外,由于聚乙烯醇可与磷酸相互作用。因此,在制备聚合物复合材料的过程中,聚乙烯醇也会参与到聚合反应中。最终形成有机聚合物分子链与硅氧四面体及铝氧多面体在三维空间以无序状态相互连接的复合材料。对于地聚物-聚乙二醇复合材料,聚乙二醇的羟基可以通过氢键与磷酸聚合物连接。而且通过电荷的作用,聚乙二醇中的羟基还可与硅氧层中的氧原子通过氢键相连接。形成聚乙二醇与无机聚合物相互连接的结构。