超分子结构功能材料组装及其在复合材料中的应用研究

【摘要】层状双羟基复合金属氢氧化物(LayeredDoubleHydroxides,简称水滑石,简写为LDHs)是一类阴离子型层状化合物,由于其独特的层状结构、层板组成的可调变性、层间阴离子的可交换性,良好的耐热性和耐光性,使其成为一类具有特殊结构和性质的功能材料,在阻燃、催化、电化学、离子交换、吸附分离、生物医药和功能助剂等众多领域获得了广泛的研究和应用。本论文利用LDHs的可插层组装性及LDHs主体层板对层间阴离子的稳定和保护作用,将功能性阴离子插层组装至LDHs层间,分别制备出超分子插层结构颜料、超分子插层结构选择性红外吸收材料及超分子插层结构紫外阻隔材料。系统研究了超分子插层结构颜料、超分子插层结构选择性红外吸收材料及超分子插层结构紫外阻隔材料的组装、组成、结构、性能及其在高分子复合材料中的应用。论文研究内容和研究结果如下：1.采用成核／晶化隔离法制备了ZnAl-NO3-LDHs前驱体,利用LDHs层间阴离子可交换的特点,通过离子交换反应将酸性红114(简写为NPDA)阴离子插层组装至ZnAl-LDHs层间,制备出红色的超分子插层结构颜料ZnAl-NPDA-LDHs。采用SEM、XRD、FT-IR、TG-DTA、UV-vis、ICP和色差计等手段,对LDHs前驱体和超分子插层结构颜料的结构、组成和性能进行了分析和表征。结果表明：采用离子交换方法能够制备晶体结构完整、晶相单一的超分子插层结构颜料；ZnAl-LDHs主体层板与层间客体酸性红114阴离子存在主-客体相互作用,酸性红114阴离子组装至LDHs层间后,其热氧化分解温度明显提高；经超分子插层组装,酸性红114阴离子的耐热性和耐光性均得到了提高。2.采用成核/晶化隔离技术制备了MgAl-NO3-LDHs前躯体,经离子交换反应将N-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸阴离子(PMIDA)插层至MgAl-LDHs层间,组装成新型的超分子插层结构红外吸收材料MgAl-PMIDA-LDHs.使用母粒工艺将MgAl-PMIDA-LDHs添加到LDPE基体中制备成LDHs/LDPE复合材料薄膜。采用SEM、XRD、FT-IR、TG-DTA、UV-vis、ICP和TEM等手段,对MgAl-NO3-LDHs前驱体和MgAl-PMIDA-LDHs的组成、结构、性能、LDHs在LDHs/LDPE薄膜中的分散性和LDHs/LDPE薄膜的红外吸收性能、耐热性、力学性能及透光性等性能进行了详细的分析和表征。结果表明：所制备的MgAl-PMIDA-LDHs晶相单一且规整,其粒径尺寸为纳米量级、粒度分布较均一；插层组装至MgAl-LDHs层间后,PMIDA阴离子的热分解温度由210℃提高到280℃;MgAl-PMIDA-LDHs在1200～900cm-1红外波段显示了明显的红外吸收,具有优良的选择性红外吸收性能；母粒工艺可以使LDHs均匀分散于LDPE中,分散效果较好,LDHs的添加基本上未影响薄膜的可见光透过率和力学性能；与MgAl-CO3-LDHs/LDPE薄膜相比,MgAl-PMIDA-LDHs/LDPE薄膜在地表红外线辐射峰值范围9～11μm具有更优异的红外吸收性能。3.以成核/晶化隔离法制备的MgAl-NO3-LDHs为前驱体,采用离子交换法将2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸根阴离子组装到LDHs层间,合成了新型的超分子插层结构紫外阻隔材料MgAl-HMBA-LDHs。采用SEM、XRD、FT-IR、TG-DTA、UV-vis及ICP等技术,对MgAl-HMBA-LDHs的结构、组成和性能进行了分析和表征。结果表明：HMBA阴离子插层至LDHs层间组装得到了晶体结构完整的MgAl-HMBA-LDHs;HMBA客体阴离子与MgAl-LDHs主体层板存在主-客体相互作用,形成了超分子插层结构化合物,使HMBA阴离子的热分解温度明显提高；与客体HMBA相比,MgAl-HMBA-LDHs在200～400nm范围的吸收率有一定程度的提高；将MgAl-HMBA-LDHs添加于PP基体后明显提高了PP基体的抗紫外光老化性能。4.将制备的超分子插层结构颜料和紫外阻隔材料分别添加于玻璃钢基体中,通过热老化和光老化实验考察了LDHs/玻璃钢基体的耐热性和耐光性。实验结构表明：LDHs/玻璃钢基体的耐热性和耐光性均优于客体/玻璃钢基体；添加超分子插层结构紫外阻隔材料于玻璃钢基体中可有效减缓玻璃钢基体的光老化过程。
【作者】祝海峰；
【导师】段雪；李殿卿；
【作者基本信息】北京化工大学，应用化学，2011，博士
【关键词】超分子；插层；颜料；红外吸收材料；紫外阻隔材料；

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