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| 水滑石类层状粘土的应用研究进展 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-03-03 10:03:48 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）水滑石类阴离子黏土是一种重要的层柱状新型无机材料, 主要包括水滑石( Hydrotalcite, 简称HT) 及类水滑石( Hydrotalcite- like compounds,简称HTlc) 。由于独特的结构特性、组成及孔结构的可调变性以及优良的催化性能, 使其在催化、工业、医药等方面展示了广阔的应用前景, 已引起广泛关注。
1 水滑石的组成及结构特征
典型的水滑石Mg6A12 ( OH) 16CO34H2O 是一种天然存在的矿物。水滑石与水镁石(Mg( OH) 2,Brucite) 的结构类似, 水镁石由Mg(OH)2八面体相互共边形成层状化合物, 层与层之间对顶地叠在一起, 层间通过氢键缔合。当水镁石层状结构中的Mg2+ 部分被半径相似的阳离子( 如Al3+ 、Fe3+ 、Cr3+ ) 取代时, 会导致层上正电荷的积累, 这些正电荷被位于层间的负离子( 如CO2-3 ) 平衡, 在层间的其余空间, 水以结晶水的形式存在,形成图1 所示的层柱状结构。当Mg2+ 和Al3+被半径相似的二价或三价阳离子同晶取代, 或CO2-3 被其他阴离子取代, 即形成所谓HTlc。类水滑石具有和水滑石相同的结构, 差别在于层上阳离子和层间阴离子的种类和数量, 二者统称为水滑石。
 2 在催化方面的应用
因水滑石具有独特的结构特性，从而可以作为碱性催化剂、氧化还原催化剂以及催化剂载体。如：它可以作为加氢、重整、裂解、缩聚、聚合等反应的催化剂；Suzuki和Reichle分别报道了用水滑石及不同阴离子取代的水滑石作2-羟基丁醛缩聚反应的催化剂,以及用含稀土La水滑石催化合成邻苯二甲酸二戊酯等。
LDHs作为多相碱性催化剂，在许多反应中正在取代N a O H 、K O H 等传统碱性催化剂。由于同多和杂多阴离子柱撑水滑石具有独特的性能，如具有可调变的孔道结构及较强的择形催化和酸碱性能而倍受人们的重视。文献报道比较多的主要是采用二元、三元同多或杂多酸阴离子做柱撑剂，用它们考察过的催化反应有加氢、重整、裂解、缩聚、费—托合成制低碳醇、酯化、催化氧化等。
LDO具有碱性和催化氧化还原性能，可以作为催化氧化还原吸附剂，吸附SOx，在环保方面有较高的应用价值。美国INTERCAT公司已生产出以水滑石为主要成分的吸附剂SOXGETTER，环保上用于SOx的吸附。
3 医药方面的应用
水滑石类化合物可以作为治疗胃病如胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡等常见疾病上述胃病一般是由于胃酸过多并积累，胃长期处于酸性环境之中而导致的慢性病，其治疗方法主要是通过采用碱性的药物，通过中和反应调节胃液pH值，适当抑制胃蛋白酶的活性，使胃组织功能恢复正常。采用水滑石，其缓冲范围是pH值=3～5，能够有效地抑制胃蛋白酶的活性，药效显著且持久，它作为抗酸药，在迅速取代第一代氢氧化铝类传统抗酸药。研究证明，通过改进水滑石的阴离子组成，得到一些含磷酸盐阴离子的类水滑石，它们作为抗酸药，将继承传统抗酸药的优点，并且可以避免导致软骨病和缺磷综合症等副作用的发生。
4 离子交换和吸附方面的应用
LDHs可以作为阴离子交换剂使用。LDHs的阴离子交换能力与其层间的阴离子种类有关，阴离子交换能力顺序是CO32 -> SO42->HPO42-> F -> Cl->B(OH)4 ->NO3- 。高价阴离子易于交换进入LDH层间，低价阴离子易于被交换出来。LDHs由于具有较大的内表面积，容易接受客体分子，可被用来作为吸附剂。
目前，在印染、造纸、电镀和核废水处理等方面已有使用LDH、LDO作为离子交换剂或吸附剂的研究报道。如用LDH 通过离子交换法去除溶液中某些金属离子的络合阴离子，如Ni(CN)42- 、CrO42-等；用Li和Al与直链酸构成的LDH可以作为疏水性化合物的吸附剂；利用LDH的选择性以及异构体不同的插入能力来分离异构体；LDH 、LDO作为一种具有很大潜力的酚类吸附剂，可以从废水中吸附三氯苯酚(TCP)、三硝基苯酚(TNP)等。LDHs的离子交换性能与阴离子交换树脂相似，但其离子交换容量相对较大(如水滑石，3.33meq/g)、耐高温(300℃)、耐辐射、不老化、密度大体积小，上述特点尤其适合于核动力装置上放射性废水的处理。
如在核废水中放射性I-离子的处理可以用LDH。LDO对于金属离子具有较强的吸附能力。如核废水中的Co2+离子，可以使用LDO 处理，它不仅吸附Co阳离子还同时吸附溶液中的阴离子，如SO42-等，它可以在较高的温度下(500℃)进行，与离子交换树脂相比具有不可比拟的优势。
5 在功能高分子材料及其添加剂方面的应用
(1) 多功能红外吸收材料。LDHs的化学组成决定其对红外具有显著的吸收效果，而且LDH 的层间可插入其他对红外有吸收作用的有机分子，如此制得的层柱材料对红外的吸收范围可根据需要进行设计和调整。目前将其用于农业棚膜，大幅度提高了保温效果，同时LDHs组成和结构上的特点使其兼备抗老化性能、改善力学性能、提高阻隔性能、抗静电性能、防尘性能等。
(2) 紫外吸收和阻隔材料。LDHs经煅烧后表现出优异的紫外吸收和散射效果，利用表面反应还可进一步强化其紫外吸收能力，使之兼备物理和化学两种作用。大量实践证明，以其作为光稳定剂，效果明显优于传统材料，可广泛应用于塑料、橡胶、纤维、化妆品、涂料、油漆等领域。
(3) 新型杀菌材料。因LDHs特殊的化学组成,其对多种微生物和菌类的生长有显著的抑制作用，用于塑料、农膜可防止表面螯生物的形成，用于建筑涂料可避免生成霉菌。LDHs类杀菌材料与ZnO、TiO2、Fe2O3及其复合氧化物以及含银盐的杀菌材料相比具有如下优点：①有效杀菌成分高度分散，杀菌效率高；②在合成材料中分散性好，力学性能优异；③LDHs密度低，透光率高；④耐光和耐候性能
好，不易脱色。
(4) 新型阻燃材料。LDHs的结构中含有相当量的结构水，控制合成条件可使层间具有碳酸根，而且还可在层间引入自由基捕获剂。大量实验证明，其具有优异的阻燃性能，且无毒，可广泛用于合成材料、涂料、油漆等。阻燃机理是其可分解出CO2和水，并可以降低温度以利于灭火。
(5) 新型PVC稳定剂。LDHs或LDO都可以捕捉HCl，从而可以做稳定剂。LDHs与传统稳定剂如硬脂酸钙相比具有如下优点：①对HCl的捕捉容量大，是硬脂酸钙的4倍；②可以避免塑料的黄化变色，与B.H.T.等稳定剂配伍性好；③避免了硬脂酸的危害，无腐蚀、无酸气、不外逸；④大大降低了水的携带量；⑤可以显著提高塑料的耐候性和耐热性；⑥它可以与聚合反应中的Ziegler-Natta催化剂的残余物质中可产生酸性腐蚀的部分反应，从而降低其腐蚀。LDHs及LDO在功能高分子材料方面的应用使阴离子型层柱材料的应用领域得以极大地拓展，使其应用不仅仅局限于传统的催化、吸附、离子交换等方面，是应用上质的飞跃。
6 在电工行业中的应用
一般含卤阻燃材料发生火灾释放出大量烟雾和有毒、有腐蚀性气体，对人员和精密仪器带来极大损害，即二次灾难。低烟无卤阻燃材料可以避免含卤阻燃材料燃烧时所带来的二次灾难，是阻燃材料的主要发展趋势。
目前，电工行业主要使用的无卤阻燃填料是粒状氢氧化铝和氢氧化镁，具有如下特点：同时起阻燃和填充作用；燃烧时不产生有毒气体和腐蚀气体，具有抑烟功能，本身也无毒、不挥发、廉价。氢氧化铝的起始分解温度段较低(约200℃左右)，氢氧化镁的起始分解温度段较高(约320℃左右)。在抑制材料温度上升，降低材料表面放热量，提高材料自燃温度(高填充时)，延长引燃时间方面，氢氧化铝的作用效果优于氢氧化镁；而在提高材料自燃温度(低填充时)，提高氧指数，促进炭化效果方面，氢氧化镁则优于氢氧化铝。镁铝水滑石起始分解温度段既有低温段又有高温段，拓宽了阻燃温度范围，具有阻燃、消烟、填充三种功能,兼具了氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂的优点，克服了它们各自的不足，是高效、无毒、低烟的无卤阻燃剂新品种。
7 在造纸方面的应用
氢氧化镁铝为一种混合金属氢氧化物, 是最常见的一类水滑石。王松林等利用氯化镁和氯化铝混合物与稀碱液的共沉淀反应，合成了带正电荷的氢氧化镁铝胶体，并研究了其组成的微粒助留体系对纸料留着的效果和影响因素。氢氧化镁铝胶体可以与阴离子聚丙烯酰胺组成新型的阳离子微粒助留体系，其助留效果显著，可以通过改变镁铝的摩尔比，合成不同电荷和粒度的氢氧化镁铝胶体，从而改进该体系对纸料的助留效果，氢氧化镁铝的粒度越小，其助留效果越佳。
阳离子微粒氢氧化镁铝与阴离子聚丙烯酰胺组成的微粒体系发挥作用时，氢氧化镁铝胶体以分散的片状颗粒通过面—面形式吸附于纤维表面，在纤维表面形成许多氢氧化镁铝覆盖点，由于氢氧化镁铝本身带有正电荷，可以改变这些吸附点处的纤维电荷，当加入阴离子聚丙烯酰胺后，通过桥连作用便可达到较好的助留效果。
8 结论
综上所述，LDHs阴离子型层柱材料在催化、离子交换与吸附、医药、功能高分子材料、添加剂及造纸等方面的应用研究已取得了很大进展。随着研究的深入，LDHs的应用领域将会大大地拓宽，必将会成为一类极具研究潜力和使用价值的新材料。
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