一種納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物及其清潔制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物及其清潔制備方法。
技術(shù)背景
[0002]水滑石(LDHs)和類水滑石化合物，作為近年來發(fā)展迅速的一類帶有層狀結(jié)構(gòu)的插層功能材料，是由帶有正電荷的類似水鎂石的層板以及包含有電荷補(bǔ)償?shù)年庪x子和溶劑分子的層間部分組成的具有超分子結(jié)構(gòu)的層狀化合物，兩種金屬的氫氧化物構(gòu)成其主體。其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其層板組成及層板間陰離子以及晶粒尺寸大小等都具有一定的可調(diào)控性。使水滑石在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如催化，光化學(xué)、電化學(xué)等方面。硼酸根插層類水滑石在受熱情況下會(huì)分解生成一種玻璃狀物質(zhì)，具有良好的阻燃性和抑煙性，添加到塑料中可以提高制品的阻燃性，降低發(fā)煙性量，降低火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003]目前，制備水滑石常用共沉淀法、離子交換法和水熱合成法等，在工業(yè)上制備水滑石采用可溶鹽共沉淀法，但共沉淀工藝不僅原材料成本高、水耗大和能耗高，而且生產(chǎn)過程中會(huì)生產(chǎn)出大量低價(jià)值的無(wú)機(jī)鹽和廢水，與目前追求可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保型新化學(xué)工業(yè)的要求有一定的偏離，離子交換法工藝復(fù)雜，采用新的清潔工藝制備水滑石的研究開始受到越來越多的注意。現(xiàn)有報(bào)道中硼酸根插層類水滑石化合物多采用共沉淀法和離子交換法來合成。
[0004]專利201010148480.8公開了一種清潔合成硼酸根插層類水滑石化合物的方法，投入反應(yīng)的原子百分之百參與反應(yīng)，是一種環(huán)保制備方案，從XRD和紅外譜圖來看，制備的硼酸根插層水滑石是純凈的，但從附圖3的SEM照片來看，所制備的水滑石粒徑較大，在I微米左右，如果晶片尺寸可以達(dá)到納米級(jí)別時(shí)將會(huì)因小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)具備更大的作用。當(dāng)粉體的粒徑達(dá)到納米級(jí)別時(shí)表面能會(huì)急劇增大，自身很不穩(wěn)定，目前依靠純機(jī)械方法無(wú)法制備納米級(jí)的粉體，而機(jī)械方法不能降低納米材料的高表面能，無(wú)法解除納米原料的自身團(tuán)聚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物及其清潔制備方法。
[0006]本發(fā)明利用水滑石層板陰離子的可調(diào)控性，采用納米級(jí)Mg(OH)2和Al(OH)3原料制備納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物。但市售的納米級(jí)原料一般都有不同程度的團(tuán)聚，本發(fā)明采用膠體磨的機(jī)械作用將其打散，使用改性劑降低納米Mg(OH)2和Al(OH)3的表面能，使得通過膠體磨分散開的粒子不再聚集，使H3BO3在溶液狀態(tài)下通過膠體磨與納米級(jí)Mg(OH)#PA1 (0H)3原料充分結(jié)合，在水熱作用下，完成H3BO3向水滑石之間的插層，晶片以原來的鎂鋁氫氧化物尺寸為基礎(chǔ)逐漸長(zhǎng)大。
[0007]本發(fā)明所述的納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物，其粒徑范圍在80_300nm，其通式為[Mgi—xAlx(OH)2]An—x/n.mH20.aR，其中，An—為層間陰離子B(0H)4—和B303(0H)4—;x為主體層板中三價(jià)Al離子摩爾分?jǐn)?shù)，其取值范圍是0.2^ x<0.33;m為結(jié)晶水的數(shù)量，取值范圍是O ^ m < 2; R為改性劑，a的取值范圍是O <a<0.1o
[0008]本發(fā)明所述的納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物的清潔制備方法，其具體操作步驟為:
[0009]A、稱取粒徑范圍在20-80nm的Mg(OH)2、Al(OH)3和H3BO3,其中鎂元素與鋁元素的摩爾比為2-4;硼元素與鋁元素的摩爾比為1-3，改性劑的用量為以上原料質(zhì)量的0.5-10%;
[0010]B、稱取H3BO3質(zhì)量10-30倍的水，將H3BO3加入水中，加熱使其完全溶解，冷卻備用；
[0011]C、將稱好的Mg(OH)2、Al(OH)3和改性劑加入到步驟B配制好的H3BO3溶液中，將混合物料通過膠體磨分散成懸池液，膠體磨轉(zhuǎn)速2000-4000rpm，分散時(shí)間為5_60min ；
[0012]D、將步驟C制備的懸濁液加入高壓反應(yīng)釜中，攪拌下加熱至90_110°C排除體系中的空氣，升溫至150-250 °C，反應(yīng)2-24小時(shí)，冷卻至室溫后將產(chǎn)物過濾，50-120 °C條件下烘干得到納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物。
[0013]所述的改性劑選自C6-C18的羧酸、磺酸、羧酸鹽、磺酸鹽中的一種或幾種。
[0014]根據(jù)水滑石合成的反應(yīng)機(jī)理，氫氧化鎂溶解后在氫氧化鋁表面成核，形成水滑石產(chǎn)品。減小原料的粒徑，不但有利于加速氫氧化鎂的溶解，降低反應(yīng)活化能，加快反應(yīng)速度，而且由于在納米級(jí)氫氧化鋁表面成核，可以減小反應(yīng)過程中體相擴(kuò)散的阻力，使晶體排列更完整，得到硼酸根在層間規(guī)則排列的納米級(jí)插層結(jié)構(gòu)水滑石。同時(shí)，由于減小了晶粒尺寸，加入高分子材料中可以提高其分散性，提高作用效率，擴(kuò)大作用范圍，使其可以充分發(fā)揮阻燃抑煙的優(yōu)勢(shì)，作為高抑煙阻燃材料應(yīng)用于PP、PE、EVA、PET、尼龍等多種高分子材料。
[0015]納米原料自身存在團(tuán)聚，使用現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法打破這些納米原料之間的團(tuán)聚，現(xiàn)有技術(shù)即使用納米原料也無(wú)法得到納米粒徑的產(chǎn)品。本發(fā)明引入改性劑避免了納米原料自身的團(tuán)聚，使得納米粒徑產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)而且改性劑的加入使得產(chǎn)品無(wú)需進(jìn)行后續(xù)的改性處理，節(jié)省人力和資源。
[0016]本發(fā)明利用水滑石化合物層間陰離子的可調(diào)控性，制備了納米粒徑的層間陰離子為B(OH)4-或B3O3(OH)4-的硼酸根插層類水滑石化合物。本發(fā)明通過引入改性劑來降低粉體的表面能使得納米級(jí)原料得到充分的分散，然后以納米分散狀態(tài)直接制備了改性的納米級(jí)硼酸根插層類水滑石化合物。本發(fā)明采用清潔方法制備納米粒徑的硼酸根水滑石，同之前的離子交換法相比節(jié)省水資源，對(duì)環(huán)境更加友好，較之前報(bào)道過的清潔方法相比，粒徑更小，表面效應(yīng)強(qiáng)，具有更高的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1是實(shí)施例3所得納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物的XRD譜圖。
[0018]圖2是實(shí)施例3所得納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物的FT-1R譜圖。
[0019]圖3是實(shí)施例3所得納米粒徑硼酸根插層類水滑石化合物的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
[0021]A、稱取 80nm 的 Mg(0H)2、80nm 的 Al(OH)3 和 H3BO3,其中 Mg/Al 摩爾比為 2.4:1，Β/Α1 摩爾比為3:1，改性劑選擇硬脂酸，質(zhì)量為以上固體質(zhì)量的5% ；
[0022]B、稱取H3BO3質(zhì)量18倍的水，將H3BO3加入水中，加熱使其完全溶解，冷卻備用；
[0023]C、將稱好的Mg(OH)2、Al(OH)3和硬脂酸加入到步驟B配制好的H3BO3溶液中，將混合物料通過膠體磨分散成懸池液，膠體磨轉(zhuǎn)速2500rpm，分散時(shí)間