技術 | 一文了解水滑石類化合物在塑料工業中的應用！
水滑石類層狀化合物（LDHs）是一類具有廣闊應用前景的陰離子型層狀化合物，主要由水滑石（HT）、類水滑石（簡稱HTLC）和它們的插層化學產物柱撐水滑石（PillaredLDH）構成。由於水滑石類層狀化合物層板間由兩種不同價型的金屬氧化物組成，所以又稱層狀雙金屬氧化物。
水滑石類化合物由於其獨特的結構特徵，具有層間離子的交換性和晶粒尺寸分佈的可調控性等一些特徵，使得其在催化、紫外阻隔材料、紅外吸收阻隔材料、抑菌劑、醫藥、有機合成、離子交換和吸附、阻燃等方面具有廣泛的應用，開發利用前景十分廣闊。
1、水滑石類層狀化合物的效能
（1）鹼性
LDHs的層板上含有鹼性位，具有鹼催化能力。氫氧基團位於以Al為中心的正四面體頂端。
（2）層間陰離子的可交換性
LDHs層間陰離子可與各種陰離子如無機陰離子、有機陰離子、同多和雜多陰離子以及配位化合物陰離子進行交換，從而調變了層間距，同時使柱撐LDHs的擇形催化效能更加顯著。也可用體積較大的陰離子取代體積較小的陰離子，以得到更多的反應空間和暴露更多的活性中心。利用這一性質，可以將一些功能性離子引入層間。實現分子設計。
（3）熱穩定性
LDHs加熱到一定溫度要發生分解，熱分解過程包括脫層間水、羥基脫水（層狀結構的破壞）和新相生成等步驟。在空氣中低於200℃時，僅失去層間水，對其結構沒有影響，當加熱到250-450℃時，失去更多的水分，同時有CO2生成。加熱到450-500℃後，脫水比較完全，CO32-消失，完全轉變為CO2，生成LDO。在加熱過程中，表現為適當的表面積增加，孔體積增大以及形成酸鹼中心。當加熱溫度超過600℃時。則分解後形成的金屬氧化物的混合物開始燒結，致使表面積降低，孔體積減小，通常形成尖晶石和MgO。
（4）吸附效能
LDHs具有較大的內表面和層間空間，容易接受客體，有良好的吸附效能。
（5）結構記憶效應
LDHs在一定溫度下焙燒改變結構後，可重新吸收水和陰離子，部分恢復為原有的層狀結構。利用這一特點，可用作陰離子吸收劑。被吸收的陰離子離子半徑越小，恢復後層狀結構的層間距越小，所以陰離子價數越高，越容易進入層間。
（6）低表面能性
LDHs因其層狀結構的特殊性，表現出較低的表面能，使得製備時無需昂貴的輔助試劑及高能耗的生產裝備便可得到具有納米尺寸的LDHs。另外，應用時易於均勻分散，不易聚集。
（7）幾何結構效應
LDHs主體二維層板結構及納米尺寸，使其在應用時表現出獨特的效能。
2、水滑石類化合物在塑料工業中的應用
（1）用作PVC熱穩定劑
聚氯乙烯（PVC）是5大通用塑料之一，但是存在著熱穩定性差的突出缺點，因此在加工過程中必須加入熱穩定劑。傳統的PVC熱穩定劑主要有無機鉛鹽、金屬皁和有機錫三大類數十個品種。但是，其中效能較高的品種不是有毒（無機鉛鹽、鋇-鉻皁），就是價格昂貴（有機錫）。
水滑石熱穩定劑是新近出現的無毒且性價格比較高的一種PVC熱穩定劑，其原理是水滑石可中和吸收PVC降解時釋放的HCl，首先是LDHs層間的CO32-與HCl反應產生CO2，接下來是層板上的氫氧化物與HCl反應，直至結構完全被破壞，生成金屬氯化物為止。
水滑石具有絕緣及耐候性好的優點。但單獨用作PVC熱穩定劑時不能有效抑制初期著色。因此，為了更好地提高產品效能，一般對其進行改性後再加以利用。日本的佐藤義等人通過用（ClO4）2改性水滑石，並將改性產物約0.001-10份與穀氨酸鋅復配作熱穩定劑時，可獲得具有優異長期熱穩定性的樣品，並且可以提高製品的耐候性及其機械強度。研究發現，在PVC電纜材料中配合適量的金屬鹽、水滑石和CaO，產品具有特別優異的耐熱性、透明性及防止變色的能力,而且加工成型時氣泡明顯減少，電絕緣效能也大大提高。很好地解決了以往存在的問題，提高了使用效能。
（2）用作阻燃劑
目前，電工行業使用的無滷阻燃填料主要是粒狀氫氧化鋁和氫氧化鎂，LDHs結構中含有相當數量的結構水，控制合成條件可使層間具有CO32-，新增到聚合物中的鎂鋁水滑石阻燃劑受熱分解時，放出的惰性氣體二氧化碳和水汽能稀釋可燃氣體濃度，減弱火勢，達到阻燃的目的，而分解產生的MgO和Al2O3可形成隔熱層，同時受熱分解時吸收大量的熱量，降低燃燒體系的溫度。
由此可見，LDHs不僅具有氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑的優點，而且還克服了其不足之處，具有阻燃、消煙、填充3種功能，是一種很有發展前景的高效、無毒、低煙的無滷阻燃劑新品種。
（3）用作光穩定劑
合成材料光老化是最常遇到的問題，也是塑料最重要的老化原因。LDHs是一種無機紫外阻隔材料，可以吸收紫外光，防止由紫外光引起樹脂的鏈引發、鏈增長，使樹脂得到保護。此外，層間可插入有機紫外吸收劑，以選擇性地加強紫外吸收能力。
LDHs經煅燒後的產物含有特殊的化學鍵（如Zn-O鍵），表現出優異的紫外吸收和散射效果，可以作為紫外阻隔材料。同時表面呈鹼性並且具有不飽和鍵力，具有表面接枝效能，可以與具有不同紫外吸收效果的有機物如肉桂酸、對一甲氧基肉桂酸鹽、2-苯基苯咪唑、2-羥基-4-甲氧基苯磺酸等經反應接枝，進一步強化紫外吸收能力，使之兼備物理和化學雙重功能。大量實踐證明，以其作為光穩定劑，效果明顯優於傳統材料，在塑料、橡膠、纖維、化妝品、塗料以及油漆等領域具有廣泛的用途。
北京化工大學對此作了較為系統的研究，通過成核，晶化方法合成鎂鋁和鋅鋁水滑石，再高溫焙燒得到金屬複合氧化物，綜合考察其對紫外阻隔效能的影響。發現鋅鋁複合氧化物的紫外阻隔效能和可見光透過率均優於傳統的ZnO、也優於鎂鋁複合氧化物和鋅鋁水滑石，在400-600℃之間，它的紫外阻隔效能隨溫度升高而上升。
東北師大通過對水滑石改性來研究HT的光學性質，利用共沉澱法或離子交換法將尺寸較大的有機紫外吸收劑以陰離子形式嵌入Zn2Al-LDH間，Zn2Al-LDH有很強的紫外遮蔽能力和高的可見光區透明性，嵌入後，紫外吸收能力明顯增加。
隨著對環保要求的提高和綠色化學的倡議，無毒、無害以及高效安全的無機紫外阻隔劑代替有機紫外阻隔劑是這一領域的發展趨勢。
（4）作為紅外吸收阻隔材料
LDHs的化學組成決定其具有優異的紅外吸收能力和較寬的紅外吸收範圍，並且其吸收範圍還可以通過調變其組成加以改變，是一種很好的紅外阻隔無機填料。採用先進的複合技術，可以在不影響農膜原有光學效能的條件下，顯著提高農膜的保溫效能。
作為改善農膜保溫效能填料的研究發現，在PVC和PE薄膜中加入LDHs類填料。在不影響其可見光透過率的同時，紅外光的透過率可由原來的36%下降到6%，效果非常顯著。在環境溫度為-2.1℃，棚內溫度可以達到5.9℃以上，比與之對照的為未加填料的棚內溫度高2.2℃。
另外，LDHs組成和結構上的特點還使其兼備抗老化、改善力學、提高阻隔、抗靜電性及防塵等效能。
（5）用作抑菌劑
因為LDHs特殊的化學組成，比如含鋅或銅等活性組分的LDHs及CLDH，對多種微生物和菌類的生長有著特殊的抑制作用，而且幾乎沒有毒性。耐熱性、耐氣候性好，價格便宜，可作為抑菌劑使用，用於合成材料及塗料等後，能很快地分散到樹脂、橡膠、纖維中，特別是在表面用表面處理劑處理後，可賦予其殺菌防黴功能，並獲得性能優異的自潔材料。
另外，由於含銀抗菌劑具有優越的殺菌效能，塑料中常加入含銀抗菌劑，但是存在一個缺陷。就是容易引起塑料的褪色或變色。但是如果在其中加入0.02-0.06%的鎂鋁LDHs後，則可以防止塑料顏色的變化。
此外，由水滑石衍生的複合氧化物對多種微生物和菌類生長有抑制作用，可用於塑料、農膜以防止表面微生物的生成，而水滑石本身可用作新增載銀無機抗菌劑的抗菌塑料的變色抑制劑。
LDHs結構及效能的可設計性、可調控性使其催化劑、吸附劑、離子交換劑、阻燃劑等行業具有巨大的應用潛力。今後LDHs的研究發展方向主要是：
①充分利用LDHs特殊的插層結構以及層板金屬元素的種類及比例，插層陰離子的種類及數量，晶粒尺寸和分佈的可調變性，提高其效能；
②利用LDHs與其它塑料的協同效應，進一步提高效能，降低成本；
③以提高效能，降低成本為目標，不斷改進LDHs的生產工藝，使之更加環保化、高效能化和經濟化。