CN109897226B - 超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料、制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料，所述阻隔材料的分子式如下所示：[MⅡ 1‑xAlx(OH)2](A2‑)x/2·mH2O；其中，M2+是Mg2+、Zn2+、Ca2+、Ni2+、Co2+中的一种；X为0.2≤x≤0.4；m为0.5≤m≤2；A2‑为钙羧酸。本发明还公开一种制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法及其应用。本发明具有提高材料优异的紫外阻隔性能的优点。
Description
技术领域
本发明属于无机功能材料技术领域，尤其涉及超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料、制备方法、应用。
背景技术
紫外线对人类健康，陆生生物，水生态系统以及工业材料都会产生很大的影响，因紫外线所产生的光化学作用十分显著，易引起沥青以及其他高分子聚合材料老化，致使其性能降低，寿命缩短。特别是近些年来由于出现臭氧空洞现象，达地球表面的紫外线辐射大量增加。为了使紫外线对人类生产生活中的危害减小到最少，有必要研究高效的抗紫外添加剂。钙羧酸的英文名称为CalconcarboxylicAcid，简写为CCA，外观为紫黑色粉状粉末，溶于水呈枣红色，常用于的钙镁离子的测定。特别是在220～400nm波段具有优异紫外吸收性能，具有应用于紫外阻隔材料的优势。但是由于CCA在较高温度下易分解，这样限制了其应用范围和使用效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种超分子结构的钙羧酸及其衍生物插层紫外阻隔材料及其制备方法，并可以将其应用在沥青等材料中，提高其抗紫外辐射老化能力。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料，所述阻隔材料的分子式如下所示：
[M2+ 1-xAlx(OH)2](A2-)x/2·mH2O；
其中，M2+是Mg2+、Zn2+、Ca2+、Ni2+、Co2+中的一种；X为0.2≤x≤0.4；m为0.5≤m≤2；A2-为钙羧酸。
本发明还公开一种制备上述超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将含有硝酸根的溶液插层镁铝水滑石前体悬浮液或锌铝水滑石前体悬浮液或钙铝水滑石前体悬浮液或镍铝水滑石前体悬浮液或钴铝水滑石前体悬浮液；
步骤二、将钙羧酸溶于去离子水中，配制溶液Ⅱ，调节溶液pH值为11～12，使钙羧酸中阴离子充分释放；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二中的溶液Ⅱ加入到步骤一中的滑石前体悬浮液中混合，晶化、过滤、洗涤后，干燥得到产物。
优选地，所述步骤一中的含有硝酸根的溶液中硝酸根的浓度为0.02-0.2mol/L。
优选地，所述步骤二中的离子水经过氮气氛下的沸腾处理，去除CO2。优选地，所述步骤二中配制成的溶液Ⅱ中的钙羧酸其浓度为0.04～0.4mol/L。实际配置时会因为插层量及层板带电量的不同会配置不同浓度的溶液。
优选地，所述步骤三中的钙羧酸与硝酸根插层水滑石前体中硝酸根摩尔数比为(1～4):1。该摩尔数比范围主要考虑到插层量，使反应的钙羧酸足够富裕，促进交换的完全进行。
优选地，所述步骤三中的晶化温度为60～100℃，时间为8～14h。
本发明还公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料在沥青紫外阻隔中的应用。
优选地，所述超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料用于沥青紫外阻隔剂。
本发明的优点在于：
(1)本发明将钙羧酸或其衍生物阴离子插入水滑石层间，利用水滑石特有的空间限域作用，影响钙羧酸分子上的特殊基团产生共轭效应，不仅保持了钙羧酸的优异的紫外线的吸收，而且热稳定性能大幅提升，结合水滑石层板本身的紫外屏蔽性能，使该材料具有优异的紫外阻隔性能；
(2)本发明提出了制备得到了层间阴离子为二价的钙羧酸插层镁铝、锌铝、钙铝、镍铝、钴铝水滑石材料的方案，且钙羧酸价格低廉，为大规模应用提供了可能性；
(3)本发明制备的超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料对220～400nm波段具有优良的紫外阻隔性能。
(4)本发明插层后，将CCA分解温度从214℃提升到300℃左右，产物具有较高的热稳定性，拓展了紫外线阻隔剂的应用范围。
附图说明
图1为实施例1制备的MgAl-CCA-LDHs的X射线衍射谱图。
图2为钙羧酸的热重热差谱图。
图3为实施例1制备的MgAl-CCA-LDHs的热重热差谱图。
图4为实施例1的紫外吸收谱图；
其中：a是硝酸根插层镁铝水滑石前体，b是钙羧酸，c是MgAl-CCA-LDHs。
图5为实施例2制备的ZnAl-CCA-LDHs的热重热差谱图。
图6为实施例2的紫外吸收谱图；
其中：a是硝酸根插层镁铝水滑石前体，b是钙羧酸，c是ZnAl-CCA-LDHs。
具体实施方式
现在对本发明作进一步描述，但不能理解为对本发明保护范围的限制：
实施例1
本实施例公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将30.77g(0.12mol)的固体Mg(NO3)2·6H2O和22.51g(0.06mol)的固体Al(NO3)3·9H2O，溶于除CO2的去离子水中，配制成150mL的混合盐溶液；
称取14.4g的NaOH，溶于除CO2去离子水中，配成150mL碱溶液；
室温下将上述两种溶液以相同的流速加入旋转膜反应器中快速成核，将得到的浆液移至500mL烧瓶，80℃晶化8小时，离心洗涤，至pH为7，60℃干燥12小时，得到硝酸根插层镁铝水滑石前体，记为MgAl-NO3-LDHs取上述产物MgAl-NO3-LDHs 10.78g，在三口烧瓶中用除CO2的去离子水超声分散，配制成75mL悬浮液Ⅰ；
步骤二、称取4.38g(0.01mol)钙羧酸溶于75mL除CO2的去离子水中，在300rpm的搅拌速率下加入NaOH，调节溶液pH值为11，得到溶液Ⅱ；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二的溶液Ⅱ加入到步骤1的悬浮液Ⅰ中搅拌混合(300rpm)，硝酸根插层镁铝水滑石前体中硝酸根与钙羧酸摩尔比为1:2，在80℃下晶化10小时，离心分离，用除CO2的去离子水洗涤至pH约为7，60℃干燥12小时，得到超分子结构钙羧酸插层紫外阻隔材料，记为MgAl-CCA-LDHs。
将得到的产品进行XRD、元素分析表征得出其化学式为Mg0.66Al0.34(OH)2(A2-)0.17·1.0H2O，A2-为钙羧酸阴离子。
如图1所示，通过X射线粉末衍射(XRD)，显示钙羧酸阴离子已组装进了水滑石层间。
如表1所示为MgAl-CCA-LDHs各组成元素含量，经计算可得到其具体的化学式Mg0.66Al0.34(OH)2(A2-)0.17·1.0H2O。
如图2、3所示，对其进行的热重差热分析表明其插层产物的初始分解温度为298℃，比钙羧酸(CCA)的初始分解温度有很大提高。
如图4所示，用紫外可见分析方法测定的紫外吸收曲线，看出其对220～400nm波段具有优异紫外吸收性能。
实施例2
本实施例公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将35.70g(0.12mol)的固体Zn(NO3)2·6H2O和22.51g(0.06mol)的固体Al(NO3)3·9H2O，溶于除CO2的去离子水中，配制成150mL的混合盐溶液；
称取14.4g的NaOH，溶于除CO2去离子水中，配成150mL碱溶液；
室温下将上述两种溶液以相同的流速加入旋转膜反应器中快速成核，将得到的浆液移至500mL烧瓶，100℃晶化7小时，离心洗涤，至pH为7，60℃干燥12小时，得到硝酸根插层锌铝水滑石前体，记为ZnAl-NO3-LDHs；
取上述产物ZnAl-NO3-LDHs 13.21g在三口烧瓶中用除CO2的去离子水超声分散，配制成75mL悬浮液Ⅰ；
步骤二、称取4.38g(0.01mol)钙羧酸溶于75mL除CO2的去离子水中，在300rpm的搅拌速率下加入NaOH，调节溶液pH值为12，得到溶液Ⅱ；
步骤三、在氮气保护下，将步骤B的溶液Ⅱ加入到步骤A的悬浮液Ⅰ中快速混合(搅拌速率300rpm)，硝酸根插层锌铝水滑石前体中硝酸根与钙羧酸摩尔比为1:2，在90℃下晶化10小时，离心分离，用除CO2的去离子水洗涤至pH约为7，60℃干燥12小时，得到超分子结构钙羧酸插层紫外阻隔材料，记为ZnAl-CCA-LDHs。
将得到的产品进行XRD、元素分析表征得出其化学式为Zn0.65Al0.35(OH)2(A2-)0.17·1.0H2O，A2-为钙羧酸阴离子。
通过X射线粉末衍射(XRD)、元素分析表征，显示钙羧酸阴离子已组装进了水滑石层间。
如表1所示如表1所示为MgAl-CCA-LDHs各组成元素含量，经计算可得到其具体的化学式Zn0.65Al0.35(OH)2(A2-)0.17·1.0H2O。
如图5所示，对其进行的热重差热分析结果见，结果表明其插层产物的初始分解温度为303℃，比CCA的初始分解温度有很大提高。
如图6所示，用紫外可见分析方法测定的紫外吸收曲线，由图6看出其对220～400nm波段具有优异紫外吸收性能。
实施例3
本实施例公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将35.70g(0.12mol)的固体Zn(NO3)2·6H2O和15.00g(0.04mol)的固体Al(NO3)3·9H2O，溶于除CO2的去离子水中，配制成150mL的混合盐溶液；
称取12.8g的NaOH，溶于除CO2去离子水中，配成150mL碱溶液；
室温下将上述两种溶液以相同的流速加入旋转膜反应器中快速成核，将得到的浆液移至500mL烧瓶，90℃晶化8小时，离心洗涤，至pH为7，60℃干燥12小时，得到硝酸根插层锌铝水滑石前体，记为Zn3Al-NO3-LDHs；
取上述产物Zn3Al-NO3-LDHs 13.48g在三口烧瓶中用除CO2的去离子水超声分散，配制成75mL悬浮液Ⅰ；
步骤二、称取8.76g(0.02mol)钙羧酸溶于75mL除CO2的去离子水中，在300rpm的搅拌速率下加入NaOH，调节溶液pH值为11，得到溶液Ⅱ；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二的溶液Ⅱ加入到步骤一的悬浮液Ⅰ中快速混合(搅拌速率300rpm)，硝酸根插层锌铝水滑石前体中硝酸根与钙羧酸摩尔比为1:4，在80℃下晶化12小时，离心分离，用除CO2的去离子水洗涤至pH为7，60℃干燥12小时，得到超分子结构钙羧酸插层紫外阻隔材料，记为ZnAl-CCA-LDHs。
将得到的产品进行XRD、元素分析表征得出其化学式为Zn0.72Al0.28(OH)2(A2-)0.14·0.9H2O，A2-为钙羧酸阴离子。
ZnAl-CCA-LDHs的起始分解温度为315℃，对220～400nm波段具有优异紫外吸收性能。
实施例4
本实施例公开一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将28.34g(0.12mol)的固体Ca(NO3)2·4H2O和22.51g(0.06mol)的固体Al(NO3)3·9H2O，溶于除CO2的去离子水中，配制成150mL的混合盐溶液；
称取14.4g的NaOH，溶于除CO2去离子水中，配成150mL碱溶液；
室温下将上述两种溶液以相同的流速加入旋转膜反应器中快速成核，将得到的浆液移至500mL烧瓶，90℃晶化8小时，离心洗涤，至pH为7，60℃干燥12小时，得到硝酸根插层钙铝水滑石前体，记为CaAl-NO3-LDHs；
取上述产物CaAl-NO3-LDHs 11.27g在三口烧瓶中用除CO2的去离子水超声分散，配制成75mL悬浮液Ⅰ；
步骤二、称取4.38g(0.01mol)钙羧酸溶于75mL除CO2的去离子水中，在300rpm的搅拌速率下加入NaOH，调节溶液pH值为11，得到溶液Ⅱ；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二的溶液Ⅱ加入到步骤一的悬浮液Ⅰ中快速混合(搅拌速率300rpm)，硝酸根插层钙铝水滑石前体中硝酸根与钙羧酸摩尔比为1:2，在90℃下晶化10小时，离心分离，用除CO2的去离子水洗涤至pH为7，60℃干燥12小时，得到超分子结构钙羧酸插层紫外阻隔材料，记为CaAl-CCA-LDHs。
将得到的产品进行XRD、元素分析表征得出其化学式为Ca0.60Al0.39(OH)2(A2-)0.19·1.0H2O，A2-为钙羧酸阴离子。
通过X射线粉末衍射(XRD)、元素分析表征，显示钙羧酸阴离子已组装进了水滑石层间。对其进行的热重差热分析，结果表明其插层产物的初始分解温度为305℃，比CCA的初始分解温度有很大提高。用紫外可见分析方法测定的紫外吸收曲线，其对220～400nm波段具有优异紫外吸收性能。
实施例5
步骤一、将35.02g(0.12mol)的固体Ni(NO3)2·6H2O和22.51g(0.06mol)的固体Al(NO3)3·9H2O，溶于除CO2的去离子水中，配制成150mL的混合盐溶液；
称取14.4g的NaOH，溶于除CO2去离子水中，配成150mL碱溶液；
室温下将上述两种溶液以相同的流速加入旋转膜反应器中快速成核，将得到的浆液移至500mL烧瓶，90℃晶化8小时，离心洗涤，至pH为7，60℃干燥12小时，得到硝酸根插层镍水滑石前体，记为NiAl-NO3-LDHs；
取上述产物NiAl-NO3-LDHs 12.10g在三口烧瓶中用除CO2的去离子水超声分散，配制成75mL悬浮液Ⅰ；
步骤二、称取4.38g(0.01mol)钙羧酸溶于75mL除CO2的去离子水中，在300rpm的搅拌速率下加入NaOH，调节溶液pH值为12，得到溶液Ⅱ；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二的溶液Ⅱ加入到步骤一的悬浮液Ⅰ中快速混合(搅拌速率300rpm)，硝酸根插层镍铝水滑石前体中硝酸根与钙羧酸摩尔比为1:2，在80℃下晶化10小时，离心分离，用除CO2的去离子水洗涤至pH约为7，60℃干燥12小时，得到超分子结构钙羧酸插层紫外阻隔材料，记为NiAl-CCA-LDHs。
将得到的产品进行XRD、元素分析表征得出其化学式为Ca0.66Al0.33(OH)2(A2-)0.17·1.0H2O，A2-为钙羧酸阴离子。
NiAl-CCA-LDHs的起始分解温度为328℃，对220～400nm波段具有优异紫外吸收性能。
表1为实施例1、实施例3的化学式
需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料，其特征在于，所述阻隔材料的分子式如下所示：[M2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(A2-)x/2·mH2O；
其中，M2+是Mg2+、Zn2+、Ca2+、Ni2+、Co2+中的一种；X为0.2≤x≤0.4；m为0.5≤m≤2；A2-为钙羧酸。
2.一种制备如权利要求1所述的超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将含有硝酸根的溶液插层镁铝水滑石前体悬浮液或锌铝水滑石前体悬浮液或钙铝水滑石前体悬浮液或镍铝水滑石前体悬浮液或钴铝水滑石前体悬浮液；
步骤二、将钙羧酸溶于去离子水中，配制溶液Ⅱ，调节溶液pH值为11～12，使钙羧酸中阴离子释放；
步骤三、在氮气保护下，将步骤二中的溶液Ⅱ加入到步骤一中的滑石前体悬浮液中混合，晶化、过滤、洗涤后，干燥得到产物。
3.根据权利要求2所述的制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，所述步骤一中的含有硝酸根的溶液中硝酸根的浓度为0.02-0.2mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，所述步骤二中的离子水经过氮气氛下的沸腾处理，去除CO2。
5.根据权利要求2所述的制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，所述步骤二中配制成的溶液Ⅱ中的钙羧酸其浓度为0.04～0.4mol/L。
6.根据权利要求2所述的制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，所述步骤三中的钙羧酸与硝酸根插层水滑石前体中硝酸根摩尔数比为1～4:1。
7.根据权利要求2所述的制备超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料的方法，其特征在于，所述步骤三中的晶化温度为60～100℃，时间为8～14h。
8.一种如权利要求1所述的超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料在沥青紫外阻隔中的应用。
9.根据权利要求8所述的超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料在沥青紫外阻隔中的应用，其特征在于，所述超分子结构的钙羧酸插层紫外阻隔材料用于沥青紫外阻隔剂。
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| GR01 | Patent grant | ||
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