水滑石的结构和性质以及市场应用介绍

1 水滑石的结构和性质水滑石的结构和性质 水滑石是一类具有特殊结构和性能的无机化合物结晶体 化学名称为碱式碳酸镁 铝水合物 英文名称为 Hydrotalcite 自然界中所见到的自然状态的水滑石 数量很少 仅在俄罗斯 挪威 等少数地区以矿物形式存在 由于此类化合物有独特的性质和特点 各国用化学合成方法 相 继投人科研力量 研制出百余种结构不同的水滑石 其中一些品种已经投入工业化生产 水滑 石作为新颖的化工产品 在化学工业 塑料工业 医药业中得到广泛的应用 水滑石结构与水镁石 Mg OH 2 结构相似 由 MgO6 八面体组成菱形单元层 由于 Mg 与 AL 离 子半径相近 层板上 Mg 与 AL 离子相间排列 Mg 与 AL 层带正电荷 两侧为带负电的 OH 层 再外侧为碳酸根与 H20 层 水滑石受热时 低于 200 仅释放少量结晶水 在 280 左右 释放的都是游离水 结晶水 高于 350 时 丢失水及碳酸根离子转化的 C02 直到 450 左右 丢失的都是水和 C02 低 于 500 分解过程仍是可逆的 水滑石热分解曲线如图 1 所示 图图 1 水滑 石热分解曲 线 应用于农膜的水滑石要求颗粒度较小 理想状态是球型结构 目前生产合成水滑石的公司和专 利较多 专利和专论文献每年有百篇 其中报道较多的常用水滑石分子式见表 1 水滑石结构中还可含有其他金属离子 因此水滑石是一类化合物 它的主要性质和特征相同 结构和性能是有差异的 2 水滑石在农用薄膜中的作用水滑石在农用薄膜中的作用 水滑石在农膜中的应用有很多优点 增透 缓释 保温 与光稳定剂有协同和热稳定作用等 使水滑石与其他缓释剂相比有显著的优越性 2 1 水滑石的增透作用 在农膜中透光性能可用两个概念来表述 透光率和透明度 透光率是透过农膜光线的光通量与 入射光的光通量之比 用 来表示 透射光包括直射光和散射光 透明度是直射光的透过能力 不包括散射光 一般用雾度来表示 雾度是偏离入射光方向的散射光光通量与透过光光通量之 比 因此 雾度大也就是透明度不高 冬季 为了提高塑料大棚内的温度 增加农作物产量 我国北方地区希望使用透光性能好 雾 度低的农膜来铺设 主要用于反季节栽培的日光温室 水滑石在农膜中增透作用通过三个途径来实现 增加结晶晶核 减小水滑石颗粒尺寸 相近的 折光率 2 1 1 结晶晶核 农膜中树脂以结晶态和非结晶态 无规状态 存在 光线在无规树脂中不发生折射 所以透光率 高 PVC 树脂是无规结构 结晶度 5 10 透光率 90 聚烯烃树脂结晶度高 透光率不 如 PVC 树脂 农膜常用树脂透光率对比如下 PVC EVA LDPE LLDPE 农膜中树脂结晶度越高 结晶尺寸越大 材料非均相结构越明显 入射光的折射损耗越大 造 成农膜的雾度高 透明度低 树脂中加入水滑石 由于其尺寸小 数量大 相当于在树脂中增加结晶中心 起着类似成核剂 的作用 使薄膜中晶体数量增加 尺寸减小 减少光的折射 增加薄膜的透光性 2 1 2 水滑石颗粒尺寸 水滑石颗粒尺寸一般较小 例如水滑石 HT P 的平均粒径 98 以上 1 m 100 3 m 一般 的缓释剂粒径大 使入射光受到阻隔 增加了雾度 面水滑石则因粒径小 对光线阻隔比其他 缓释剂少得多 因此雾度小 表 2 列出了各种缓释剂的平均粒径 2 1 3 相近的折光率 光线射入农膜中 遇到固体颗粒 包括树脂晶体 都会发生折射和反射现象 不透明的颗粒阻 碍光线通过 产生反射和漫散射 透明颗粒由于折光率不同会产生折射 如果折光率与树脂相 近似 折光现象小 通过农膜的光线损耗小 提高了农膜的透光性能 由于水滑石与 PE 树脂折光率相近 在农膜中添加水滑石 产生的折光现象较小 使农膜的透 光性能高于其他缓释剂 各种缓释剂及 LDPE 的折光率见表 3 2 2 水滑石的缓释作用 水滑石是无机化合物结晶体 具有颗粒尺寸小 表面积大的特性 因为其表面呈多孔结构 所 以具有较大的吸油能力 见表 4 对农膜中流滴剂有缓释作用 2 3 水滑石的保温作用 影响保温的因素有二个 增加入射光 减少辐射热 与其他保温剂相比 加入水滑石的薄膜透 光率高 白天增加棚内入射光线 提高了栅温 晚上 由于水滑石红外线透过率低 降低了辐 射热的损失 增加了农膜的保温性能 通过对图 5 图 6 中两个物质红外线透过宰相比较 看出水滑石的红外线透过率明显小于滑石 粉 在夜晚时 含有水滑石的薄膜红外线辐射热损失较少 因此 比用加有滑石粉的薄膜时棚 内温度高 表 5 列出各种缓释剂红外线透过率 表中显示水滑石的红外线透过率最低 含有水 滑石的薄膜的保温性能最好 2 4 光稳定协同作用 水滑石能吸附薄膜中酸性基团 使光稳定剂免受酸性基团的攻击 保护了光稳定剂 水滑石的 层状结构能够吸附重金属离子 降低了薄膜的降解作用 因此水滑石与光稳定剂有协同作用 2 5 热稳定作用 水滑石能够吸附酸性基团 在 PVC 中起热稳定剂作用 与其他热稳定剂有协同作用 水滑石 能够吸附酸性阴离子 如 Cl 亚硫酸根离子使树脂热稳定性提高 水滑石在工业中的应用也极其广泛 由于实际中应用的时间较短 许多用途还没有得到开发 水滑石具有高度安全性 通过美国 FDA 标准 适宜于食品包装 与树脂的相容性好 可适用于 硬质树脂 纤维 弹性体和所有共聚物 3 加工方法加工方法 水滑石的应用与其他保温缓释剂相同 首先把水滑石 流滴剂 消雾剂等助剂制成母粒 在吹 膜时把母粒与基础树脂混合均匀后 通过吹膜机制成农膜 母粒制造一般采用两种方法 高速混合 双螺杆挤出 混炼 密炼 单螺杆挤出 高速混合 双螺杆挤出造粒与常用色母粒制造设备相同 混炼 密炼 单螺杆挤出造粒是 利用加热及摩擦热使树脂和助剂在混炼机内达到半熔融状态 混合时间比双螺杆增加十几倍 不断地翻滚物料 助剂能在基础树脂中得到充分分散 效果较佳 母粒生产时注意事项 1 如图 所示 水滑石热分解曲线有两个峰 第一个峰温度较低 在 280 左右 由于摩 擦热可能造成局部过热 使水滑石有少量分解 在吹膜时使薄膜中含有气泡 2 水滑石吸湿性强 容易吸附空气中水蒸气 水使薄膜中产生气泡 3 制造母粒时 切粒应采用机头热切方法 不能采用机头水冷切粒及拉条水冷切粒方法 否则 在吹膜中将带人大量气泡 4 应用水滑石作为缓释剂 增加了物料的粘附力 使挤出及吹膜时会困难较大 在三层共挤时 有时采用在中层添加水滑石 减少吹膜时薄膜与夹板的摩擦阻力 4 应用实例应用实例 水滑石在农膜中应用实例 在科技文献和专利文献中已有许多报道 这里仅举几个典型的例子 4 1 在 EVA 农膜中的应用 日本三菱化成公司 JP 01 009 251 1 农膜配方 EVA 100 山梨糖醇单硬脂酸酯 1 0 紫外线吸收剂 UV 531 0 1 水滑石 1 0 磷酸酯 0 2 2 效果 0 1mm 农膜具有极好的透光性和耐候性 4 2 在 LDPE 三层共挤农膜中的应用 1 内层 外层配方 LDPE 100 山梨糖醇单硬脂酸酯 1 5 双硬脂酸双甘油酯 0 6 硬脂酸单甘酯 0 4 2 中层配方 LDPE 100 水滑石 20 3 效果 透光率在长期使用后下降很少 结果见表 6 5 水滑石的市场和发展前景水滑石的市场和发展前景 水滑石用于塑料大棚膜 国内早有人尝试过 但效果不理想 近年来 由于对水滑石的认识加 深 国内几个技术实力较强的塑料加工企业 对加工工艺作了改进 生产出透光率高 雾度低 保温性好的