中科院蘭州化物所在凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”研究方面取得系列進展
2016-05-19 來源：中國聚合物網
在國家自然科學基金項目（21377135、51403221和U1407114）、國家高技術研究發展計劃（2013AA032003）、中國科學院“百人計劃”以及“西部之光”人才培養等項目的支持下，中國科學院蘭州化學物理研究所王愛勤研究員課題組在凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”研究方面取得系列進展。
凹凸棒石黏土是一種以凹凸棒石為主要成分的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物。由于其獨特的棒狀晶體形貌和孔道結構，已在許多方面得到廣泛了應用。凹凸棒石棒晶長約1-5μm，直徑約20-70nm，是一種天然的一維納米材料，但其較強的氫鍵和靜電作用力，使得天然凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集，成為制約凹凸棒石黏土產業發展的關鍵瓶頸。多年來，研究者采用高速攪拌、超聲、對輥、碾磨和冷凍等傳統處理方式對凹凸棒石棒晶束進行了解離研究，但傳統方法只能部分解離棒晶束，而且會損傷凹凸棒石晶體固有的長徑比，影響了凹凸棒石納米性能的應用。
鑒于此，在各種處理工藝對凹凸棒石微觀結構影響和棒晶損傷研究積累基礎上（Applied Clay Science, 2011, 54: 118-123；2013, 86: 174-178；2014, 87: 7-13；2014, 95: 365-370；Powder Technology, 2012, 225: 124-129；2013, 235: 652-660；2013, 249: 157-162；2014, 261: 98-104；Advanced Powder Technology, 2014, 25: 968-977），王愛勤研究員課題組發展了對輥處理-制漿提純-高壓均質-乙醇交換一體化工藝，在保持凹凸棒石固有長徑比前提下，成功實現了棒晶束的高效解離，棒晶達到納米級分散，同時還解決了干燥過程中納米棒晶的二次團聚問題。由于在該方面的持續研究工作以及取得的重要進展，近期該課題組受邀在黏土礦物主流期刊Applied Clay Science上撰寫了綜述性文章（Applied Clay Science, 2016, 119: 18-30）。
凹凸棒石棒晶束解離后，充分凸顯出一維納米材料在支撐和增韌補強等方面的應用優勢。在凹凸棒石棒晶束解離基礎上，該課題組開展了不同類型改性劑對凹凸棒石表面功能化改性研究，建立了高壓均質和改性劑協同作用提高改性效率的新方法，實現了應用導向的凹凸棒石表面性質調控和功能化設計。在凹凸棒石棒晶表面負載四氧化三鐵納米粒子，采用層層自組裝或表面改性方法，制備出了磁性凹凸棒石納米復合材料，實現了對貴金屬的高效吸附分離及其在催化領域的應用（Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1: 4804-4811；2013, 1: 7083-7090；2015, 3 (1): 281-289）；通過常溫一鍋法制備了凹凸棒石/聚苯胺/銀納米粒子三元納米復合材料，該制備方法有效結合了銀納米粒子的催化特性和聚苯胺的陰離子吸附特性，既可以有效催化降解對硝基苯酚和剛果紅染料，還可以有效去除水體中的磷酸二氫根離子（Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 473: 84–92）。
超疏水/超疏油表面在自清潔、流體輸送和防油污染等領域有廣泛應用前景。研究表明，纖維或棒晶狀納米材料可提高表面的超疏水/超疏油性能。在前期有機硅烷聚合物納米纖維的工作基礎上（Adv Funct Mater 2014, 24, 1074-1080），該課題組將有機硅烷與凹凸棒石相結合，在各種材料表面構筑了性能優異的超疏水表面（ChemPlusChem 2013, 78, 1503-1509）。目前，超雙疏表面普遍存在低表面能有機液體（表面能≤25 mN/m）易粘附、穩定性差、尤其是熱液體極易粘附等問題。為此，該課題組通過全氟烷基硅烷與凹凸棒石的反應，在多種基底材料上構建了穩定自修復低滾動角超疏熱液體表面（Chem Commun 2016, 52, 2744-2747）；制備了全氟烷基硅烷/凹凸棒石磁性納米復合材料，構建了超雙疏表面和磁控低表面能液體彈珠（J Mater Chem A 2016, 4, 5859-5868.封面）。
凹凸棒石在納米復合材料中還可以起到類似于混凝土中的“鋼筋”作用。采用功能化的凹凸棒石作為交聯劑，該課題組制備了凹凸棒石/聚丙烯酸納米復合物水凝膠，實現了對鉛離子的選擇性吸附和多次重復使用（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2014, 2(4): 643-651）；發展了室溫條件下一步法制備粒狀三維網絡納米復合水凝膠的新方法，實現了對陽離子染料的選擇性吸附（Chemical Engineering Journal, 2014, 257(1): 66-73）。鑒于他們在三維網絡納米復合水凝膠從塊狀到粒狀的持續研究工作，該課題組受邀撰寫了綜述性文章（European Polymer Journal, 2015, 72, 661-686；Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016, 4, 1274-1294）。此外，他們還開展了凹凸棒石在納米復合膜中的補強應用研究，在有機高分子薄膜中添加1-3%的凹凸棒石，就可顯著提升復合膜的拉伸斷裂強度，為凹凸棒石“味精式”應用奠定了基礎（Chemical Engineering Journal, 2012, 210: 166-172；RSC Advances, 2015, 5: 17775-17781）。
凹凸棒石黏土是一種以凹凸棒石為主要成分的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物。由于其獨特的棒狀晶體形貌和孔道結構，已在許多方面得到廣泛了應用。凹凸棒石棒晶長約1-5μm，直徑約20-70nm，是一種天然的一維納米材料，但其較強的氫鍵和靜電作用力，使得天然凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集，成為制約凹凸棒石黏土產業發展的關鍵瓶頸。多年來，研究者采用高速攪拌、超聲、對輥、碾磨和冷凍等傳統處理方式對凹凸棒石棒晶束進行了解離研究，但傳統方法只能部分解離棒晶束，而且會損傷凹凸棒石晶體固有的長徑比，影響了凹凸棒石納米性能的應用。
鑒于此，在各種處理工藝對凹凸棒石微觀結構影響和棒晶損傷研究積累基礎上（Applied Clay Science, 2011, 54: 118-123；2013, 86: 174-178；2014, 87: 7-13；2014, 95: 365-370；Powder Technology, 2012, 225: 124-129；2013, 235: 652-660；2013, 249: 157-162；2014, 261: 98-104；Advanced Powder Technology, 2014, 25: 968-977），王愛勤研究員課題組發展了對輥處理-制漿提純-高壓均質-乙醇交換一體化工藝，在保持凹凸棒石固有長徑比前提下，成功實現了棒晶束的高效解離，棒晶達到納米級分散，同時還解決了干燥過程中納米棒晶的二次團聚問題。由于在該方面的持續研究工作以及取得的重要進展，近期該課題組受邀在黏土礦物主流期刊Applied Clay Science上撰寫了綜述性文章（Applied Clay Science, 2016, 119: 18-30）。
凹凸棒石棒晶束“拆”示意圖
凹凸棒石棒晶束解離后，充分凸顯出一維納米材料在支撐和增韌補強等方面的應用優勢。在凹凸棒石棒晶束解離基礎上，該課題組開展了不同類型改性劑對凹凸棒石表面功能化改性研究，建立了高壓均質和改性劑協同作用提高改性效率的新方法，實現了應用導向的凹凸棒石表面性質調控和功能化設計。在凹凸棒石棒晶表面負載四氧化三鐵納米粒子，采用層層自組裝或表面改性方法，制備出了磁性凹凸棒石納米復合材料，實現了對貴金屬的高效吸附分離及其在催化領域的應用（Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1: 4804-4811；2013, 1: 7083-7090；2015, 3 (1): 281-289）；通過常溫一鍋法制備了凹凸棒石/聚苯胺/銀納米粒子三元納米復合材料，該制備方法有效結合了銀納米粒子的催化特性和聚苯胺的陰離子吸附特性，既可以有效催化降解對硝基苯酚和剛果紅染料，還可以有效去除水體中的磷酸二氫根離子（Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 473: 84–92）。
凹凸棒石磁性納米復合物對貴金屬吸附及其催化應用示意圖
超疏水/超疏油表面在自清潔、流體輸送和防油污染等領域有廣泛應用前景。研究表明，纖維或棒晶狀納米材料可提高表面的超疏水/超疏油性能。在前期有機硅烷聚合物納米纖維的工作基礎上（Adv Funct Mater 2014, 24, 1074-1080），該課題組將有機硅烷與凹凸棒石相結合，在各種材料表面構筑了性能優異的超疏水表面（ChemPlusChem 2013, 78, 1503-1509）。目前，超雙疏表面普遍存在低表面能有機液體（表面能≤25 mN/m）易粘附、穩定性差、尤其是熱液體極易粘附等問題。為此，該課題組通過全氟烷基硅烷與凹凸棒石的反應，在多種基底材料上構建了穩定自修復低滾動角超疏熱液體表面（Chem Commun 2016, 52, 2744-2747）；制備了全氟烷基硅烷/凹凸棒石磁性納米復合材料，構建了超雙疏表面和磁控低表面能液體彈珠（J Mater Chem A 2016, 4, 5859-5868.封面）。
超疏熱液體表面
凹凸棒石在納米復合材料中還可以起到類似于混凝土中的“鋼筋”作用。采用功能化的凹凸棒石作為交聯劑，該課題組制備了凹凸棒石/聚丙烯酸納米復合物水凝膠，實現了對鉛離子的選擇性吸附和多次重復使用（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2014, 2(4): 643-651）；發展了室溫條件下一步法制備粒狀三維網絡納米復合水凝膠的新方法，實現了對陽離子染料的選擇性吸附（Chemical Engineering Journal, 2014, 257(1): 66-73）。鑒于他們在三維網絡納米復合水凝膠從塊狀到粒狀的持續研究工作，該課題組受邀撰寫了綜述性文章（European Polymer Journal, 2015, 72, 661-686；Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016, 4, 1274-1294）。此外，他們還開展了凹凸棒石在納米復合膜中的補強應用研究，在有機高分子薄膜中添加1-3%的凹凸棒石，就可顯著提升復合膜的拉伸斷裂強度，為凹凸棒石“味精式”應用奠定了基礎（Chemical Engineering Journal, 2012, 210: 166-172；RSC Advances, 2015, 5: 17775-17781）。
棒晶束解離的凹凸棒石在納米復合材料中的應用
版權與免責聲明：本網頁的內容由中國聚合物網收集互聯網上發布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權負責。如涉及侵權，請聯系我們及時修改或刪除。郵箱：info@polymer.cn。未經本網同意不得全文轉載、摘編或利用其它方式使用上述作品。
（責任編輯：xu）
相關新聞
