CN102531036A - Pvc用镁锌铝三元类水滑石热稳定剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镁锌铝三元类水滑石化合物,其结构式为MgxZnyAl1-x-y(OH)2(CO3)(1-x-y)/2·mH2O;产品外观呈白色粉状,由片状物组成,粒径在100~200nm。该亚微米级镁锌铝三元类水滑石是采用尿素水解法制备而得的,通过在反应初期加入氢氧化钠可产生大量的成核粒子,缩短了反应时间,并起到调节反应体系pH值的作用;高温下尿素受热分解产生NH3则可保持溶液内部的pH值始终一致,得到粒径分布均匀的类水滑石。该方法操作简便,适用于大规模生产,产率高,产品用作聚氯乙烯热稳定剂显示了优异的热稳定性能。

Description

PVC用镁锌铝三元类水滑石热稳定剂及其制备方法
技术领域
本发明属于无机功能材料领域,具体地说涉及一种聚氯乙烯(PVC)用镁锌铝三元类水滑石化合物热稳定剂及其制备方法。
背景技术
类水滑石又称为层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,简称LDHs),是一种阴离子型层状化合物,由金属的氢氧化物共棱连接形成片层,片层上部分二价金属阳离子被三价阳离子取代,从而使片层带正电,层与层之间由阴离子填充以平衡电荷。类水滑石的组成和结构可在较宽的范围内调变,同时片层具有碱性,因此类水滑石在很多领域都有广泛的用途,如催化剂及其载体、离子交换剂和吸附剂、PVC热稳定剂、药物及药物载体、阻燃材料、红外吸收材料等。
类水滑石的制备方法主要有共沉淀法、成核/晶化隔离法、尿素水解法、水热法等。共沉淀法的应用较早,但具有产物粒径分布不均的缺点。北京化工大学段雪教授发明的成核/晶化隔离法将成核和晶化过程分开,具有产物粒子小、粒径分布均匀的特点,但是需使用专门的设备-全返混旋转液膜反应器。尿素水解法利用尿素在高温下缓慢分解产生NH3,使得溶液内部各处的pH值始终一致,从而可以合成出高结晶度的类水滑石,但需要较长的反应时间且产率较低。水热法可合成结晶度高、粒径大的类水滑石,但需要在密闭的水热反应釜中进行,且通常产率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术制备类水滑石的种种不足,提供一种操作简便、适于大规模生产、产率高的镁锌铝三元类水滑石的制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的:首先分别配制镁、锌、铝的金属盐混合水溶液,尿素水溶液,以及氢氧化钠水溶液;将镁、锌、铝的金属盐混合溶液与尿素溶液混合均匀,加热至80℃~100℃,随后滴加氢氧化钠溶液,调节混合溶液的pH值为7~10,继续反应12h~72h;反应产物冷却后,过滤洗涤至中性,烘干后即得所述的镁锌铝三元类水滑石。
在本发明所述的镁锌铝三元类水滑石的制备方法中,金属盐优选为硝酸盐、硫酸盐或氯化物;金属盐混合溶液的浓度为0.1~1.0mol/L,优选为0.3~0.6mol/L;Mg2+与Zn2+的摩尔比为1~9,优选为1~3;二价阳离子与三价阳离子的摩尔比为2~4。
在本发明所述的制备方法中,尿素与金属阳离子的摩尔比为2~5,氢氧化钠与金属阳离子的摩尔比为1~5,氢氧化钠溶液的滴加速率为5~10ml/min。
本发明采用尿素水解法制备镁锌铝三元类水滑石,通过在反应初期加入氢氧化钠,并调节体系的pH值为7~10,使反应体系中产生大量的成核粒子,缩短了反应时间,晶核在溶液内部pH值一致的环境下生长,得到尺寸均一、物相单一的镁锌铝三元类水滑石。所述镁锌铝三元类水滑石的粒径为100~200nm,结构式为MgxZnyAl1-x-y(OH)2(CO3)(1-x-y)/2·mH2O,式中,0.1≤x+y≤0.33,1≤x/y≤9,m为层间结晶水的数目,0<m<1。与不加入氢氧化钠相比,产物粒径由微米级减小到亚微米级,尺寸分布更加均一,而且产率高达96%,提高了48%。该镁锌铝三元类水滑石用作PVC热稳定剂,热稳定时间是同类型日本产品的1.4~1.6倍。
附图说明
图1是实施例1制备的镁锌铝三元类水滑石的X射线衍射图谱,其中11.6°、23.5°、34.5°、60.6°和61.9°处的衍射峰分别代表类水滑石的(003)、(006)、(012)、(110)和(113)晶面,无其它杂峰;(003)、(006)和(012)晶面的衍射峰强度呈比例下降,表明产品具有层状结构。
图2是实施例1制备的镁锌铝三元类水滑石的扫描电镜照片,产品呈片状分散,尺寸均一,粒径为100~200nm。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行更详细的描述和说明,但本领域技术人员懂得,这些实施例仅用于举例说明本发明,其不对本发明的范围构成任何限制。
实施例1
将23.08g Mg(NO3)2·6H2O、2.98g Zn(NO3)2·6H2O、18.76g Al(NO3)3·9H2O溶解于500ml去离子水中,记作溶液A;将30.03g尿素溶解于400ml去离子水中,记作溶液B;将溶液A与B一起转入烧瓶中,置于水浴锅中加热至80℃,搅拌30min使其混合均匀;将30.0g NaOH溶解于100ml去离子水中配制成NaOH溶液,然后以10ml/min的速率滴加到混合溶液中,调节溶液的pH值至10,继续搅拌12h;最后将产物过滤洗涤至中性,置于烘箱中在80℃干燥12h,得到镁锌铝三元类水滑石,粒径为100~200nm。
将3份上述镁锌铝三元类水滑石与其他PVC助剂一起与100份PVC树脂充分混合成均匀的粉料,在200±1℃的油浴锅中进行粉料刚果红试验,刚果红变色时间为61.1min;将混合料在180℃塑炼5min压制成厚1mm的片样,并剪成2mm×2mm的试片,将试片在190±1℃的油浴锅中进行片料刚果红试验,刚果红变色时间为31.6min。
实施例2
将24.40g MgCl2·6H2O、16.36g ZnCl2、28.97g AlCl3·6H2O溶解于200ml去离子水中,记作溶液A;将72.07g尿素溶解于160ml去离子水中,记作溶液B;将溶液A与B一起转入烧瓶中,置于水浴锅中加热至95℃,搅拌30min使其混合均匀;将14.4g NaOH溶解于40ml去离子水中配制成NaOH溶液,然后以5ml/min的速率滴加到混合溶液中,调节溶液的pH值至7,继续搅拌72h;最后将产物过滤洗涤至中性,置于烘箱中在100℃干燥12h,得到镁锌铝三元类水滑石,粒径为100~200nm。
实施例3
将12.20g MgCl2·6H2O、8.18g ZnCl2、14.49g AlCl3·6H2O溶解于200ml去离子水中,记作溶液A;将36.03g尿素溶解于160ml去离子水中,记作溶液B;将溶液A与B一起转入烧瓶中,置于水浴锅中加热至90℃,搅拌30min使其混合均匀;将16.0g NaOH溶解于40ml去离子水中配制成NaOH溶液,然后以10ml/min的速率滴加到混合溶液中,调节溶液的pH值至9,继续搅拌24h;最后将产物过滤洗涤至中性,置于烘箱中在80℃干燥12h,得到镁锌铝三元类水滑石,粒径为100~200nm。
实施例4
将15.25g MgCl2·6H2O、3.41g ZnCl2、12.07g AlCl3·6H2O溶解于250ml去离子水中,记作溶液A;将45.05g尿素溶解于200ml去离子水中,记作溶液B;将溶液A与B一起转入烧瓶中,置于水浴锅中加热至90℃,搅拌30min使其混合均匀;将22.5g NaOH溶解于50ml去离子水中配制成NaOH溶液,然后以10ml/min的速率滴加到混合溶液中,调节溶液的pH值至10,继续搅拌48h;最后将产物过滤洗涤至中性,置于烘箱中在80℃干燥12h,得到镁锌铝三元类水滑石,粒径为100~200nm。
实施例5
将30.75g Mg(NO3)2·6H2O、23.80g Zn(NO3)2·6H2O、37.51g Al(NO3)3·9H2O溶解于500ml去离子水中,记作溶液A;将60.06g尿素溶解于400ml去离子水中,记作溶液B;将溶液A与B一起转入烧瓶中,置于水浴锅中加热至90℃,搅拌30min使其混合均匀;将26.0g NaOH溶解于100ml去离子水中配制成NaOH溶液,然后以6ml/min的速率滴加到混合溶液中,调节溶液的pH值至8,继续搅拌24h;最后将产物过滤洗涤至中性,置于烘箱中在80℃干燥12h,得到镁锌铝三元类水滑石,粒径为100~200nm。
表1.各实施例制备的类水滑石的化学结构式
  实施例   化学结构式
  1   Mg0.336Zn0.334Al0.329(OH)2(CO3)0.165·mH2O
  2   Mg0.341Zn0.330Al0.339(OH)2(CO3)0.164·mH2O
  3   Mg0.346Zn0.334Al0.320(OH)2(CO3)0.160·mH2O
  4   Mg0.547Zn0.118Al0.336(OH)2(CO3)0.168·mH2O
  5   Mg0.401Zn0.265Al0.333(OH)2(CO3)0.167·mH2O

Claims (8)

1.一种镁锌铝三元类水滑石的制备方法,包括如下步骤:
A:配制镁、锌、铝的金属盐混合水溶液;
B:配制尿素水溶液;
C:配制氢氧化钠水溶液;
D:将步骤A和B中的两种溶液混合均匀,加热至80℃~100℃,随后滴加步骤C所述的氢氧化钠溶液,调节混合溶液的pH值为7~10,继续反应12~72h;
E:步骤D所得的反应产物冷却后,过滤洗涤至中性,烘干后即得所述的镁锌铝三元类水滑石。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤A中的金属盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物,金属盐混合溶液的浓度为0.1~1.0mol/L。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤A中的Mg2+与Zn2+的摩尔比为1~9,二价阳离子与三价阳离子的摩尔比为2~4。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,尿素与金属阳离子的摩尔比为2~5。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,氢氧化钠与金属阳离子的摩尔比为1~5。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤D中氢氧化钠溶液的滴加速率为5~10ml/min。
7.一种镁锌铝三元类水滑石化合物,是由权利要求1-6中任意一项所述的方法制备得到的,其结构式为:
MgxZnyAl1-x-y(OH)2(CO3)(1-x-y)/2·mH2O
式中,0.1≤x+y≤0.33,1≤x/y≤9,m为层间结晶水的数目,0<m<1。
8.如权利要求7所述的镁锌铝三元类水滑石化合物,其尺寸均一,粒径为100~200nm。
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