超分子插层结构设计与紫外阻隔性能研究

Layered double hydroxides (LDHs) are a typical class of intercalated material with supermolecular structure. The chemical composition of the host layers, the type, amount and arrangement of guest interlayer anions can be readily tailored and controlled, obtaining new materials with enhanced or new properties. In this project, the molecular design of microstructure is one of the main interests. Zn, Ti which can form high-gap compound with the layer oxides will be introduced into the host layers of LDHs, and the functional guests with UV chromophoric group will be intercalated into the gallery of LDHs, obtaining a supermolecular intercalated UV resistance material. The UV optical absorption ability of the layers and the influence of the host-guest intercalation on the UV optical absorption properities will be investigated. The hyperchromicity and hypochromicity of interlayer guests changing with the conformation under restricted space will also be studied. The mesostructure of LDHs will be adjusted to study the influence of particle size and surface properties on the UV physical screening ability. The multi-layer structure will be constructed to investigate the multiple UV resistance effect both in optical absorption and physical screening. Finally, this new intercalated LDHs will be added into asphalt to study the enhancement of the anti-UV aging ability of asphalt. The research work in this project will be very helpful for the construction of supermolecular intercalated LDHs materials and the preparation of asphalt with high performance.

LDHs是一类典型的阴离子型超分子结构层状材料，其主体层板化学组成、层间客体的种类和数量及排列方式均可人为设计并精确控制，在获得新结构的同时获得新功能，或使材料性能得到极大强化。本项目针对LDHs的微观结构进行分子设计，将Zn、Ti等能与层板氧形成宽禁带化合物的金属元素引入层板，将具有紫外生色基团的功能客体引入层间，构筑超分子插层结构紫外阻隔材料，研究层板的紫外光学吸收性能和层间客体在主客体相互作用下的紫外吸收性能变化，以及客体立体构象在空间限域作用下发生变化时的增色和减色效应；对LDHs介观结构进行调控，研究粒径和表面性质对紫外线物理屏蔽性能的影响；构筑多级插层结构，研究对紫外线光学吸收和物理屏蔽的多重阻隔作用；将LDHs首次应用于抗紫外老化沥青制备，研究其对沥青抗紫外老化性能的作用规律。本课题对于构筑超分子结构紫外阻隔材料及高性能沥青的研究具有重要意义。

沥青被广泛用于道路建设、防水材料等领域，年消耗量超过2100万吨。然而沥青在紫外光照射下易分解，使用寿命大大缩短。常用的紫外吸收剂TiO2、碳黑和蒙脱土等加入沥青中效果并不太理想。.层状复合金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides 简称LDHs）主体层板化学组成、层间客体的种类和数量及排列方式均可人为设计并精确控制。前期本课题组研究发现，LDHs的无机层板对紫外线具有屏蔽作用，将具有紫外吸收性能的功能客体通过插层组装引入LDHs层间后得到了兼具紫外光学吸收和物理屏蔽性能的超分子结构材料。本课题组首次将上述材料用于沥青中，显著提高了沥青的抗紫外老化性能。.本课题组在此基础上开展研究，通过调控LDHs微观主客体化学组成制备出了晶体结构完整、晶相单一的MgaZnbAlc–CO3–LDHs、Zn4Al2–CO3–LDHs、ZnAl–CPBA–LDH和MgAl-PPN-LDHs等插层结构紫外阻隔材料。利用导带理论研究了层板Zn元素与层板氧形成宽禁带化合物后对紫外线光学吸收性能的影响，结果表明引入Zn元素后，其导带最低能级（CBM）减低，进而导致了其禁带宽度减小，大幅度提高了紫外吸收效率。通过控制LDHs晶粒尺寸发现，粒子尺寸在136-218 nm范围内对紫外光的散射作用随着粒子尺寸的增大而增强，与米尔散射理论相符合。通过控制表面缺陷，使晶体表面形成氧空位，减小了LDHs禁带宽度，扩大了对紫外线的吸收范围，同时增强了吸收能力。将酚酞等功能客体插入层间，在空间限域作用下客体分子从内酯式结构转变为醌式结构，共轭性增强，紫外吸收性能也得到显著提高，在220-400nm的平均紫外吸收率提高到95.8%以上。通过将荧光分子CPB插入LDHs层间，发现可将紫外线耗以无害荧光形式耗散掉，提高紫外阻隔性能的同时减少了紫外线转变为热能对沥青的损害。将超分子结构紫外阻隔材料加入沥青中，在3%添加量时沥青的粘度老化指数可降低77%以上，软化点增量可降低71%以上，耐紫外老化性能显著提高。.本课题系统研究了LDHs紫外阻隔材料结构与性能之间的关系，丰富了超分子结构理论，对于构筑超分子结构紫外阻隔材料及高性能沥青的研究具有重要意义。