反相气相色谱法探究水滑石有机-无机杂化材料的表面性质

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本文采用共沉淀法合成了镁铝水滑石、锌铝水滑石、铜镁铝水滑石,用十二烷基硫酸钠(SDS)与硅烷偶联剂(KH570、KH550、KH151)对镁铝及锌铝水滑石进行复合改性,得到水滑石有机-无机杂化材料:插层改性材料、表面改性材料及插层-表面改性材料。并用反相气相色谱法(IGC)表征了镁铝水滑石、锌铝水滑石、铜镁铝水滑石及杂化材料的表面性质,探究了有机改性对水滑石表面性质的影响,对铜镁铝水滑石体系的稳定性及表面酸碱性进行了讨论,借助计算机模拟推测了杂化材料生成的机理。研究结果表明:(1) XRD、FTIR及TG-DTA测试结果表明,SDS插入镁铝水滑石层间,KH570覆盖在镁铝水滑石表面,插层-表面改性材料KH570-SDS-LDHs疏水性、热稳定性最佳。IGC结果表明水滑石经过表面改性,表面吸附自由能减小,色散能减小,表面活性降低,颗粒间的分散性得到较好地改善。KH570-SDS-LDHs色散能最小,在433K时为17.49mJ m-2。探针分子与杂化材料间的色散能均随温度升高而减小,表明可以在制备聚合物/水滑石类材料时,利用提高温度来改善水滑石材料与聚合物的相容性。还定性地表征了镁铝水滑石及杂化材料表面的酸碱性,发现改性后,水滑石表面碱性减弱。KH570-SDS-LDHs与有机物间相互作用最强、相容性最好,这是由于SDS-LDHs表面已呈亲油性,故KH570更容易被吸附到表面,使表面羟基位点基本被覆盖。(2)根据XRD、FTIR的结果及计算机对SDS插层锌铝水滑石的模拟结果,推测出改性机理为:离子交换过程中,溶液中的SDS先与位于层边缘的NO3-交换,进入层间的SDS在层间扩散,与层间的NO3-交换,使其处于层边缘,然后溶液中的SDS继续与层边缘的NO3-交换,最终SDS以单层垂直方式排列于层间,而硅烷偶联剂包覆在水滑石表面,与层板羟基偶联。IGC结果表明,KH151-SDS-LDHs及KH550-SDS-LDHs的色散能较接近,可能是KH151与KH550的碳链长度相近的缘故。定量地表征了水滑石及杂化材料表面的酸碱性,由材料表面的酸碱常数,判断出SDS-LDHs表面趋于两性,KH151-SDS-LDHs及KH550-SDS-LDHs表面偏碱。(3) FTIR及IGC结果表明,随着Cu2+含量的增加,铜镁铝水滑石表面吸附自由能及表面能色散组分增加,体系的稳定性下降,这与计算模拟的结果相一致,可能由于Cu2+本身具有的Jahn-Teller畸变极大地影响了层板的稳定性,导致含铜水滑石体系的稳定性降低;定性地探究了铜镁铝水滑石表面的酸碱性,发现随着Cu2+取代Mg2+的增加,水滑石表面碱性先减小后增大。
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