794-具有离子交换性的层状材料_碳纳米管复合体系

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1、开题报告具有离子交换性的层状材料/碳纳米管复合体系在水溶性高分子中的应用1背景高分子材料与金属材料、无机非金属材料构成材料世界的三大支柱，在科学技术、经济建设中发挥着重要的作用。然而，随着现代社会的迅速发展，单一的聚合物已经不能满足当下人们的使用需求。高分子材料必须向高性能化、精细化、多功能化、品种多样化、成本低廉化方向迈进，相较于研发新型高分子材料，聚合物共混改性正是实现这一转变的有效手段。经过共混改性的高分子复合体系，综合性能趋于均衡，包括力学性能、加工性能、尺寸稳定等等。其中，聚合物基的纳米复合材料由于经过纳米填料的增强改性，在阻隔阻燃，生物医用以及光电等领域得到了广泛应

2、用，开辟了纳米技术的又一个新领域[1-3]。聚合物基复合物的无机填料通常具有较大的长径比，从维度来分类，主要包括零维（如二氧化硅、炭黑），一维（纤维类，如碳管、碳纤维）和二维材料（层状材料）[4]。蒙脱土（MMT）是一类常见的层状结构的含水铝硅酸盐土状矿物，主要成分是氧化硅和氧化铝。MMT每个单位晶胞都是高度有序的准二维晶片，这种晶体结构赋予了它独特的性质：较大的表面活性，较高的阳离子交换能力，层间表面的异常含水特征等等。由于MMT资源丰富，价格低廉，性能优良，近年来受到各界学者的广泛关注，已被应用在石油、冶金、药品、轻工、污水处理等多个领域[5]。虽然MMT被称为“万能之土”

3、，但是它的合成较难，而且片层尺度通常为微米级，不适用于纳米复合体系的增强改性。近来，另外一种无机纳米层状填料，层状双金属氢氧化物（LDH）引起了较大关注。相较于MMT，LDH具有不可比拟的化学组成与尺寸大小可调控性。LDH是一种阴离子型的、水滑石类化合物，也指层间具有可交换阴离子的层状结构化合物，组成可以用如下通式表示：，其中M2+、M3+分别是位于主体层板八面体空隙的二价和三价金属阳离子，An-开题报告是在碱性溶液中可稳定存在的阴离子，位于层间。LDH的这种主-客体层状结构，实现了其主体层板离子种类、插层客体阴离子种类、二价三价阳离子化学计量比、结晶尺寸及分布、层间距等在较大

4、范围内可调，形成一大类结构相似功能特殊的阴离子型层状材料[6,7]。因此，LDH被认为是一种更为理想的制备聚合物/层状化合物复合体系的无机层状填料。LDH的主体层板间存在强的共价键，层间是一种弱的相互作用力，主客体之间通过氢键、范德华力、静电力等结合，并以有序方式排列，形成一种多元素、多键型的超分子结构材料，在催化、吸附、医药、离子交换、环境工程、工业阻燃等众多领域[8-13]具有巨大潜力和诱人前景。然而，LDH由于层间的强静电作用力很容易团聚成几十个纳米厚的片层结构，在共混过程中不利于大的聚合物或链段进入层间，限制了LDH与大部分高分子的共混改性应用。为了使聚合物能够顺利插层

5、进入LDH，我们必须想办法扩大LDH片层的间距，或是直接将LDH各片层进行剥离。通常我们采用长链的有机阴离子表面活性剂插层改性LDH，增大它的层间距，实现与聚合物的共混。碳纳米管（CNT）是继C60和富勒烯后又一种新的管形碳单质，自问世以来便成为世界范围内的研究热点。CNT的结构独特（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端封口），力学、磁学、电学、电化学、吸附等方面的性能优异[16]，在复合材料增强、电子材料、电化学容器、显微镜探针、场致发射平板显微镜等领域都有广阔的应用前景[14]。目前LDH/CNT复合材料的制备方法主要为原位生长法，即以负载了过渡金属如铁、钴、镍

6、等的LDH层板为载体，利用化学气相沉积法（CVD）在LDH表面原位生长CNT。但由于催化生长CNT的温度在650-700℃，此时LDH的结构被破坏发生晶型转变，而且在高温下LDH的层间结合水与结构水完全丢失，致使LDH层间塌陷，加剧了粒子的团聚，很难再被剥离[15]。因此，我们想换用溶液体系来制备LDH/CNT复合填料，无须高温操作，且降低成本，简单易行。2课题意义开题报告基于LDH是一种离子可交换的层状无机材料，我们可以将不同的阴离子引入LDH层间，从而赋予它不同的功能。之前提及LDH层板受限于电荷的高密度，片层很容易堆叠，难以实现相互剥离，阻碍了其他大分子链的插层。但近年来

7、，LDH的剥离有了实质上的突破，通过在LDH层间引入特殊的有机阴离子，可以在不同的溶剂中实现LDH的剥离。但是，大部分的报道集中在有机溶剂（如甲酰胺[16]）中实现LDH的剥离，关于LDH在水性溶液中剥离的报道很少，限制了LDH与水溶性高分子共混改性的应用。所以本课题拟通过插层乳酸钠与对羟基苯磺酸改性LDH，使其能在水中实现部分剥离。从结构上看，一方面，乳酸根的进入撑大了LDH主板的层间距；另一方面，乳酸根含有羟基，能与水分子的羟基之间形成氢键作用，这一层间离子与外部溶液的作用力利于LDH片