层状双氢氧化物的层离及形成聚合物纳米复合材料结构的机理研究

There is an extensive prospect in research and applications of layered double hydroxide (LDH)/polymer nanocomposites, due to their unique properties of LDH including high aspect-ratio, positively charged layer and biocompatibility, etc. Exfoliation of LDH is a critical step in achieving remarkable improvements in properties of LDH/polymer nanocomposites. However, LDH delamination in a solvent remains very difficult owning to high layer charge density and strong electrostatic interaction. The object of this proposal is to address the challenging issue of using toxic and strong polar agent, and isolating dispersion of organo-modified LDH in polymer matrix when fabricating LDH/polymer nanocomposites. Efforts will be concentrated on investigating the mechanism and the method of LDH delamination in solvent. Basing on delaminating LDH in hydrophobic and hydrophilic solvent respectively, formation mechanism for stable colloidal nanocomposites through mixing the suspension of LDH nanolayers with monomer or polymer solution will be studied. With LDH nanolayers as building block, attempts will be made to create ordered LDH/water-soluble polymer nanocomposites and exfoliated LDH/non-polar polymer nanocomposites. The effect of unique LDH nanolayer on fabrication of LDH/polymer nanocomposites will be investigated. It is speculated that profound insights into LDH delamination would be gained, and the novel methods are expected to be found out for delaminating LDH in more gentle and environmentally friendly agent. This proposal is prospected to open new route for fabrication of LDH/polymer nanocomposites.

层状双氢氧化物（LDH）的片层与其它层状无机物的片层对比，具有长径比高、带正电荷和生物相容性好等独特性质；LDH/聚合物纳米复合材料的研究和应用前景广阔。本项目针对LDH片层电荷密度高和层间引力大导致片层在溶剂中层离困难的问题，探讨LDH的层离方法，深入分析LDH层离的机理，以求突破LDH/聚合物纳米复合材料制备中使用强极性有毒溶剂、有机改性的LDH难以在聚合物中完全剥离等限制,在实现LDH在亲水性和疏水性溶剂中可层离的基础上，探索LDH层离液与聚合物溶液形成稳定胶态纳米复合物，和纳米片层在聚合乳液中保持稳定的机制，分别构筑有序结构的 LDH/水溶性聚合物和完全剥离型LDH/非极性聚合物的纳米复合材料，研究LDH纳米片层与聚合物形成纳米复合结构的特点和规律。本项目有望明确LDH的层离机理，获得在性能温和且环境友好的溶剂中层离LDH的新方法，为LDH/聚合物纳米复合材料的制备开拓新途径。

本项目的主要内容在于研究层形双氢氧化物（LDH）在溶剂中完全层离的方法及其层离机理，和在层离后构筑有序结构LDH/聚合物纳米复合材料，以及以层离－吸附途径制备LDH/聚合物纳米复合材料。1，对比研究了原位离子交换法、共沉淀法和尿素水解法合成有机改性LDHs，证明所制备LDHs的结构和性能差异很大。其中，原位离子交换法和共沉淀法合成的产物形貌、片层厚度以及热稳定性相近，尿素水解法合成的产物结晶较完善，片层厚度大，热稳定性高，但仍含有不能层离的LDHs-CO3相。同时证明了超声作用使团聚结构松散的同时，的确还对LDHs片层存在破坏作用。2，研究了三种层间改性LDHs的可层离体系，并研究了相应的层离机理。包括，对于十二烷基硫酸盐（SBS）改性的LDH-SBS筛选出了无毒性且便宜易得的常见化工试剂松油醇作为层离溶剂。证明了LDHs的层离不仅与片层内化学环境和溶剂极性有关，还与粉体内颗粒的团聚结构有直接关系。层离分为团聚的块体解离和溶剂分子进入层间两个过程，共同决定了层离整个过程进行的程度。发现通过调节混合有机单体溶剂的极性，可以实现LDH-SDBS层离为单片层。证明溶解度理论适合应用于LDHs的溶剂中层离过程。对于氨基酸改性的LDHs，发现了除甲酰胺、乙酸乙酯以外，还很容易在苯乙烯和丙烯酸酯类混合溶液，苯胺，醋酸乙烯酯等极性单体溶剂中层离。总结了目前为止关于层状无机物在溶剂中层离制备二维纳米材料的理论研究进展。3，在超声作用下构筑有序结构的插层型MgAl-LDH-Gly/PVA纳米复合材料，研究了超声效应在LDH和PVA混合胶体中形成有序结构的作用机理。4，研究了层离－吸附途径中以原位本体聚合，细乳液聚合和种子乳液聚合方法制备LDH/聚合物纳米复合材料，证明LDH对聚合物热稳定性的影响与其是否形成纳米级复合分散结构密切相关。并发现LDH对聚合物的热降解影响复杂，除了热阻隔作用外，还有对热裂解自由基的稳定作用。该研究为层状无机物在溶剂中层离制备二维纳米材料提供了新的研究体系和实验理论基础，为LDH的聚合物纳米复合材料的制备开拓了新途径，为形成完全剥离型LDH/聚合物纳米复合材料探索了具体条件。