表面活性剂调控制备水滑石.doc

学科分类号： 070301 湖南人文科技学院毕业论文题目名称： 表面活性剂调控制备水滑石 的研究 学生姓名： 舒天武 学生姓名：05407118 系 部： 化学与材料科学系 专业年级： 化学专业2005级 指导教师： 刘 鑫 提交时间： 2009年4月28日 原 创 性 声 明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立完成的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含其他人的学位论文或毕业论文的研究成果。本人引用的他人研究成果均已在论文的正文和参考文献中作了明确的说明。 作者签名： 日期： 年 月 日关于学位论文使用授权说明本人了解湖南人文科技学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。.作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日目 录摘 要1关键词1Abstract1Key words1前言21 实验部分31.1 实验仪器和药品31.1.1 实验仪器31.1.2 实验药品31.2 实验方法31.3 表征方法32 结果与讨论42.1 样品的X射线粉末衍射分析42.2 样品的IR分析53 结论6参考文献7致 谢7表面活性剂调控制备水滑石的研究舒天武指导老师 刘鑫（湖南人文科技学院化学与材料科学系 湖南娄底 417000） 摘 要：采用水/环己烷/CTAB/正丁醇微乳液体系，通过微乳液法制备了纳米镁铝水滑石粉体。用X射线衍射、红外，差热分析等方法表征所制备的纳米粉体进措施。结果表明：，研究表面活性剂与水的不同配比对水滑石纳米粒子结构与性能的影响，分析产生团聚的原因，并提出改所制备的纳米单斜相水滑石粉体的晶粒尺寸可控制在15nm 左右；随表面活性剂含量的增加，晶粒的尺寸有所减小，团聚现象亦有所减少。关键词：表面活性剂；调控；纳米粉；微乳液法；水滑石Preparation of surfactant-control study of hydrotalciteShutianwuTeacher liuxin(Hunan institute of the humanities.Science and Technology, loudi Hunan, 417000) Abstract: The use of water / cyclohexane / Triton X-100 / n-butanol microemulsion system, through a microemulsion prepared by Mg-Al nano-powder body of water. X-ray diffraction, infrared, differential thermal analysis characterization of nano-powders prepared by Progressive measures. The results showed that: to study the water-surfactant ratio on the different hydrotalcite-like structure and properties of nano-particles of the impact analysis of the reasons for the reunion, and prepared to monoclinic phase of nano-talc body of water can be the grain size control about 15nm; with the surfactant content increased, grain size has been reduced, also reducing the reunion phenomenon. Key words: surfactant; control; micro-emulsion method; hydrotalcite前言水滑石(LDHs-Layered double hydroxides)是一种天然存在的由铝镁复合盐构成的化合物，其结构独特、性能优良、用途广泛，是工业发达国家精细化工界积极开发和利用的新材料。水滑石可用于塑料、橡胶、高分子材料的阻燃剂，稳定剂，催化剂及载体，离子交换剂，吸附剂，废水处理剂，新型杀菌，磁性材料，医药，环保等方面；随着交叉学科研究领域的拓展，在功能高分子、纳米材料、化妆品等方面也有了新的应用。水滑石材料具有的独特结构特点:1)结构优势:层状纳米材料的结构优势在于其结构可设计性和可调控性。即可根据应用需要，在较大范围内调变结构参数，如层板化学组成、层板电荷密度、分子识别能力、层间离子种类及密度、层间距、层板二维尺寸、晶体尺寸及其分布等，以获得满足苛刻设计要求目标的需要；2)尺寸优势:层状纳米材料的二维尺寸一般为长30-60nm、宽20-40nm，根据应用需要，可在较大范围内精准调变上述尺寸，使长宽比得以控制；3)性能优势:由于层状纳米材料结构的可调控性，其可衍生出丰富多彩的性能，预示着它在许多领域仍然具有十分丰富的潜在应用价值。由于水滑石类材料易于分离，可重复利用，对环境无污染，是一种很好的环境友好多相催化剂，已成为近年来各催化领域研究的热点。水滑石材料属于阴离子型层状化合物。层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物，利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性，将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。水滑石类化合物(LDHs) 是一类具有层状结构的新型无机功能材料, LDHs的主体层板化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换量、超分子插层结构等因素密切相关。一般来讲，只要金属阳离子具有适宜的离子半径（与Mg2 +的离子半径0.072 nm相差不大）和电荷数，均可形成LDHs层板1。 其化学组成可以表示为M1-xMx (OH)2 x + (An- )x/nmH2O ,其中M为Mg2 + , Ni2 + , Co2 + , Zn2 + ,Cu2 + 等二价金属阳离子;M为Al3 + , Cr3 + , Fe3 + , Sc3 + 等三价金属阳离子;An - 为阴离子,如CO2 -3 , NO3 -, Cl - , OH- ,SO24 -, PO34 - , C6H4 (COO)2 2 -等无机和有机离子以及络合离子,则层间无机阴离子不同， LDHs的层间距不同2。 当x 值在0.2-0.33 之间,即M/M摩尔比介于24之间时能得到结构完整的LDHs。在LDHs晶体结构中,由于受晶格能最低效应及其晶格定位效应的影响,使得金属离子在层板上以一定方式均匀分布,即在层板上每一个微小的结构单元中，其化学组成不变。为了克服胶状水滑石的形成，必须控制晶核的形成速率。采用尿素水解法时，由于尿素溶液在低温下呈中性可与金属离子形成均一溶液，而当温度超过90时尿素开始分解，分解的氢氧根和碳酸根离子与金属离子形成水滑石沉淀。该法优点是溶液内部各点的PH值始终一致，从而可得到高结晶的水滑石产品。该文涉及反应实验条件的摸索，包括原料，操作方法，反应温度的选择，反应时间的选择，反应物料配比的选择，反应物料浓度的选择等等。以及新法对提高产率的探知。1 实验部分1.1 实验仪器和药品1.1.1 实验仪器FA/JA型电子分析天平（上海民桥精密科学有限公司）；101-2AB型加热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)；JJ-1型增力电动搅拌器(鄄城县华鲁电热仪器有限公司)；FT-IR740型傅立叶红外光谱仪（美国尼高力公司）；Y-2000型X射线衍射仪（丹东射线仪器股份公司）；CDR-I型差热分析仪（上海天平仪器厂）；SHB-III 型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；玻璃片；500ML三颈烧瓶；150温度计；蒸馏装置；碾钵；烧杯；广范试纸(上海化玻部经销)等。1.1.2 实验药品CTAB（广东汕头市西陇化工厂）；正丁醇（湖南汇虹试剂有限公司）;环己烷( 北京化工厂)；碳酸钠(无锡市民丰试剂厂) ；氢氧化钠(湖南汇虹试剂有限公司) ；硝酸镁(广州化学试剂厂)；硝酸铝(天津市光夏精细化工研究所)所用药品均为分析纯试剂。1.2 实验方法用表面活性剂CTAB、助表面活性剂正丁醇，环己烷组成混合液，将一定量的金属离子溶液硝酸镁和硝酸铝分别加到上述混合液中，充分振荡搅拌得澄清透明的 溶液，然后振荡，继续搅拌并慢慢的滴加NaOH和Na2CO3混合溶液到上述溶液中调节pH到10，在搅拌的条件下反应六到八小时，后陈化十小时以上，然后进行蒸馏将微乳液破乳回收部分有机组分，后对所得溶液进行抽滤，完后依次用无水乙醇、二次水洗涤沉淀多次，再次抽滤，最后100真空干燥，如果干燥后发现样品还有有机物，则可以从新用无水乙醇洗涤，后干燥并磨成粉状，得样品称重。然后按此过程分别做不同的配比，既表面活性剂与水构成不同的比例，共做四组得四个样品。实验中所用药品的浓度均为1moL/L。1.3 表征方法X衍射采用Y-2000型X射线衍射仪，功率为35 kV45 mA,选用CuK辐射,=1.540 56 ；采用测试样品层间结构。红外采用FT-IR740型傅立叶红外光谱仪，粉未压片法，将样品与KBr以1：100的比例混合后压片，于红外光谱仪上进行红外光谱分析，测定波数范围为4000 400 cm- 1。2 结果与讨论2.1 样品的X射线粉末衍射分析采用X射线粉未衍射仪(CuK，射线=0.15418nm)表征晶体结构，在560范围内对LDHs进行扫描，扫描速度0.2度/秒。所得结果如下：a.MT b.PMT c.0.4POMT d.0.6POMT e.0.7POMT f.0.8POMT表1 不同CTAB用量下的003面的特征衍射峰强结晶温度 a b c d e f衍射峰强 942 1009 1058 1562 1338 1288表2 不同CTAB用量的特征衍射峰 b c d e f衍射峰强 1009 1058 1562 1338 1288d003值nm 0.7606 0.7616 0.7254 0.74994 0.7254XRD是研究水滑石层状结构最为行之有效的方法。图1中所有谱图为经0次平滑后的寻峰波形结果。上图是表面活性剂与水在不同的比例下分别获得的碳酸根柱撑镁铝水滑石粉体的XRD谱线图，从图可以看出，谱图基线较低且较平稳，衍射峰峰型窄且尖锐，表明晶面生长的有序程度较高，结晶度较好。XRD测试结果进一步证实了微乳液法合成水滑石的成功。各样品在2q值较低处（即5-40）有（003）、（006）、（009）、（015）三至四个峰型较尖的峰 ，而且其他杂质晶体衍射峰不是很明显，表明表面活性剂对获得样品的晶相影响不是很大，只是晶体的完整性有微小的不同，样品均呈现出明显的层状结构，也表明其结晶效果理想形成了晶相单一、晶体结构一致的水滑石。根据XRD图结果，在表面活性剂与水在不同的比例下获得的产品其相应的层间距各如下：d（003）分别为7.7616、7.8998、7.9010、7.8301，2q分别对应为 11.40、11.20、10.8、 11.4，d（006）分别为3.8501、3.8666、3.8665、3.9688， 2q分别对应为23.1、23.0、23.0、22.4，明显当表面活性剂与水的比例为100：55时其层间距最大，这与理论相符合，因此可以知道表面活性剂对合成的晶体的畸变有很大的影响。在碳酸根型水滑石中,已知未插层水滑石的层板的厚度为0.48nm，而现所测的样品层间间距明显大于层板高度，这说明碳酸根柱撑于水滑石层板间，也可知MgxAl-水滑石中碳酸根与金属离子间的作用主要是离子键性质的 ,且MgxAl-水滑石具有层状晶体结构。2.2 样品的IR分析采用粉未压片法，将样品与KBr以1：100的比例混合后压片，于360FT-IR傅立叶变换红外光谱上进行红外光谱分析，测定波数范围为4 000 400 cm- 1。图2为水滑石红外光谱图。水滑石在1370波数处存在着明显的红外吸收，这与文献报道的水滑石在4001400-1波数范围内存在着明显的红外吸收相符。图2 水滑石IR谱图由图2可见，各种配比制备的水滑石的IR图基本一致，都在36003750 cm- 1出现OH氢氧键伸缩振动峰，因层间区域水与CO32 - 通过强氢键相互连接，振动波数比自由水状态的OH 低；在1 5001 650 cm- 1 (HOH 的弯曲震动峰) 是水滑石表层吸附水和层间区域结晶水；在1 250 1 400 cm- 1出现强烈吸收带,是CO32 -中CO 的不对称伸缩振动，与查相关文献26所得的纳米CaCO3 的CO32 -吸收峰(1 425 cm- 1) 比较，波数降低，说明层间区域的CO32 - 为非自由形式,与层间羟基通过强氢键相连接；在500800 cm- 1是水滑石中Mg2 + 和Al3 + 等的特征振动峰。由上说明水滑石已用微乳液法成功的制得，其结构和晶型是完整的，也有力的表明了微乳液与水的配比对水滑石的结构和晶型基本没有影响。3 结论1、改进传统的合成水滑石的方法，利用表面活性剂CTAB调控合成水滑石是有效的.当CTAB用量为0.7 g/g时，水滑石颗粒最大，此时层间距为0.7616 nm。2、利用表面活性剂调控合成水滑石时，表面活性剂用量与水滑石层面间距d001值呈近似正相关性，但随CTAB用量的增加，水滑石疏水特性增强，抑制了水滑石层间氧化钛前驱体的长大，因而选择合适的表面活性剂用量十分重要.参考文献1 ShiHT, QiLM. 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