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这几种合成水滑石的方法,你了解吗?

hudiefeifei0329
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楼主 发表于:2021-07-06 08:48:30
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6月7日,呈和科技在上交所科创板上市,该公司是一家提供环保、安全、高性能的高分子材料助剂产品的高新技术企业。公司主营产品成核剂、合成水滑石和复合助剂是制造高性能树脂的关键材料,处于高性能树脂及改性塑料制造行业的上游。


据悉,呈和科技合成的水滑石是中国石化唯一指定使用的国产合成水滑石。同时,该公司生产的高透明合成水滑石已规模供应世界知名热稳定剂生产企业艾迪科、百尔罗赫等。


1认识水滑石


人们把自然界中存在的镁、铝氢氧碳酸化合物称为水滑石。理想的水滑石组成为Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O。自然界中的水滑石于1842年被瑞典人发现。水滑石又被称为层状双氢氧化物,是一类具有层状结构的阴离子黏土,具有正八面体结构[类似于水镁石Mg(OH)2]。水滑石具有层间阴离子的可交换性、层板阳离子的可调变性、碱性等。



水滑石的典型结构


水滑石的发展已经有一百多年的历史,直到上个世纪的60年代才真正得到科学家的关注。1842年,水滑石最先由瑞典的科学家Circa发现。到二十世纪初,人们发现在氢加成反应中水滑石表现出了良好催化性能,开始研究水滑石的结构。


1942年,Fertkencht等通过碱金属氢氧化物和金属盐溶液反应制备了人工水滑石,并且提出了水滑石的结构为双层结构的假设。1969年,Allmann等测定了水滑石的单晶结构,对水滑石的层状结构进行了确认。在二十世纪七八十年代时,Miyata等对水滑石的结构进行了深入研究,并研究了它作为新型催化材料的应用性能。


2水滑石的合成方法


天然水滑石以镁和铝为板层金属离子,当Mg/Al为3:1时最适宜形成稳定的水滑石。由于水滑石产品应用要求的不断提高,研究者开始逐渐采用其他金属离子(锌、锂、铬、铁、钙、镓、镍、铟、钴、锰、铜等)来替代镁和铝进行水滑石的合成。主要的合成方法有共沉淀法、水热法、焙烧复原法、模板合成法、成核/结晶隔离法等。


共沉淀法


共沉淀法是将混合盐溶液和混合碱溶液按一定速度滴加到一定温度的蒸馏水中,迅速搅拌,滴定完毕后,继续搅拌陈化,最后经过滤、洗涤、烘干,得到最终产物。此方法因其简单、价廉、产物稳定等特点而在实践中得到了广泛的应用。但该方法在共沉淀制备中存在着废水量大和资源浪费的问题。利用水滑石母液合成水滑石,通过X射线衍射(XRD)进行表征,发现其结晶度较好,无多余杂质。这说明水滑石母液对水滑石的合成没有影响,既节约了资源也提高了利用率。

 


水滑石的共沉淀法合成装置图


水热法


水热法是将混合盐溶液和混合碱溶液缓慢滴加到一起并快速混合,然后将得到的溶液立即转移至高压釜中,在一定的温度下(通常是100℃)陈化一定时间,最后经过过滤、洗涤、干燥、研磨得到最终产物。水热法合成水滑石过程中其体系内部各好处的pH值不变且均匀分散,水滑石化合物分散好、结晶度高。


焙烧复原法


焙烧复原法则是利用其记忆效应根据水滑石母体组成成分选择一定的焙烧温度后放入到某种阴离子溶液中,使其重新恢复成层状结构而制成最终产物。该方法容易生成非晶相物质,且产物易受干燥条件、焙烧温度、焙烧时间、pH值等因素的影响。


模板合成法


用有机物作合成层状材料模板,使合成得材料按照有机物的结构顺序排列,从而控制无机材料的微观结构和宏观尺度形态的特征,是一个最近兴起的材料化学的研究方向。以自组装的有机聚集体作为无机物的模板,在一定的设计反应条件下将无机原料通过合成复制得到具有有机物的有序结构无机层状材料,达到控制无机材料的生长方向,得到具有纳米尺寸、其晶体的形态和结构特殊的层状材料。


成核/结晶隔离法


成核/结晶隔离法是将混合盐溶液和混合碱溶液加入到全返混旋转液膜成核反应器中,剧烈循环搅拌几分钟,然后将浆液于一定温度下晶化而制成的。该方法具有产物稳定、晶体尺寸均匀等特点。


3水滑石的应用


阻燃剂


LDHs层间中含有大量的结构水,CO32-型水滑石在受热分解时,放出的CO2和H2O能稀释材料表面环境中可燃性气体,吸收材料的表面热量降低温度、减弱火势,从而达到阻燃的目的;而分解产生的金属氧化物MgO和Al2O3形成隔热层,由于纳米大比表面积效应,能吸附燃烧产生的酸性气体;同时能受热分解吸收大量的热量使燃烧体系的温度的降低;LDHs作为无机填料,本身不能燃烧,凝聚在材料表面形成,阻止燃烧面发展。由此可见,LDHs不仅具有氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂的优点,而且还具有阻燃、消烟、填充三种功能,是一种很有发展前景的高效、无毒、低烟的无卤阻燃剂新品种。


热稳定剂


LDHs是一类具有特殊结构的型层状材料,是具有特殊的化学组成超分子聚焦体,因其层板原子和层间阴离子、水的特殊构造和性能,使其成为高效的热稳定剂,具有广阔的应用前景,它在阻燃过程中优异的性能表现如下:


 

红外吸收材料


能吸收特定波长的红外线达到特定功能的材料称为红外吸收材料,在日常生活中,它被广泛应用到农用薄膜中满足保温的需求。水滑石作为红外吸收材料的原理如下:因为不同阴离子、金属氧键的红外光的吸收范围的不同,我们可以对水滑石的板层结构和层间阴离子按需要设计调控,已达到特定的红外吸收范围,使其具有特殊的功能来满足应用需求。


LDHs 新型层状材料做为红外吸收材料对农用膜的特殊贡献如下表:


紫外阻隔剂


当紫外吸收剂插层进入 LDHs 层间后,使合成组装的类水滑石层状材料会既能对紫外线产生物理屏蔽作用又能做为吸收剂将紫外线吸收。有良好的紫外线吸收能力的有机物质常用作防晒油中的遮光剂,但是当产品中他们的添加浓度高时会被人体吸收渗入皮肤底层,对人体健康造成危害。解决这一问题的其中方法之一就是将有机物质插入层状无机物的纳米级空间中,以避免有机物质和皮肤的直接接触。


LDHs 层间含有可交换离子,当带负电的有机紫外线吸收剂插入层间,不仅避免了他们与皮肤的直接接触,而且由于阳离子板层与层间阴离子的静电力相互作用、氢键以及客体阴离子间 π-π 相互作用而增加了结构的稳定性。


高性能染料及颜料


水滑石层状材料物质是一种无机物,它有很独特的性能,如离子交换性能、低活性、大比表面等使其成为理想的有机-无机复合材料的主体。黏土的微观层状有序性主导了水滑石类层状材料的纳米级结构单元,当有机物插入到层间后,由于层板基团的空间化学键相互作用使得有机物插层客体在层间按一定规则排列。常用的染料分子为芳香类化合物都含有芳环,进入层间后其中的二维 π 电子基团与层间环境相互作用,层间化学键的状态被层板基团与层间阴离子之间的相互作用影响,所以设计合成的的水滑石层状材料-有机染料复合插层化合物具有特殊的光学性能,这种光学特性可以用来制作各种微型光学仪器,例如利用染料分子的特殊的光学特性,将其插入水滑石层间合成新的固体染料做成的激光器的体积比传统的激光器大大的缩小。层状化合物和染料或颜料复合以后会产生很多奇异的特性,具有广阔的应用前景,可用于非线性光学、光化学反应、染料激光器以及高性能颜料等领域。


4认识类水滑石


类水滑石是一种阴离子型层状结晶材料,层间含有水分子和可供交换的CO32-,当PVC树脂受热分解释放出氯化氢气体,能马上吸收氯化氢其他置换反应同时放出CO2和H2O,因此降低了氯化氢的浓度,有效阻止和减缓氯化氢的催化降解作用。


水滑石与类水滑石、插层水滑石统称为水滑石类材料(LDHs)。


LDHs 最典型的基本结构特征是:水滑石层板以特定顺序堆积排布形成三维立体的晶体的结构,常见的板层金属元素有镁、铝、钙、铁、锌,层板上的金属原子以共价键结合,层间阴离子以弱化学键,如氢键、静电引力、离子键等与水滑石层板相互作用。


5改性LDHs的应用进展


吸附去除重金属离子


在冶金、采矿、核能等行业领域中,有毒重金属离子释放到自然环境下会对人类及其他物种造成极大危害。改性LDHs吸附重金属离子的机制主要有沉淀反应、络合作用、同晶置换、静电作用等,可被用来去除工业废水中的重金属离子,如Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+等。


资料来源:

上海证券报社.呈和科技登陆科创板  首日上涨147.45%

段宇.即时合成水滑石处理废水的实验研究

吕鸿颖等.水滑石在水处理中的应用进展研究

张爽等.改性水滑石类材料的制备及其吸附性能研究进展

喻芬.类水滑石的合成及应用研究