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《山东大学》 2010年
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LDH纳米颗粒分散体系、乳状液及中空微胶囊的研究

刘国鹏  
【摘要】: 层状复合金属氢氧化物(Layered double hydroxides,简称LDHs),是由一种以上金属离子组成的具有类水滑石层状结构的混合金属氢氧化物,是一类具有广阔应用前景的新型无机材料。LDHs层片由于同晶置换而带永久正电荷,层间可交换的阴离子和水分子补偿了其正电性,层间距因阴离子不同而变化。水中的LDHs胶体粒子因层间阴离子的扩散而带正电,进而可形成稳定的胶体分散体系。LDHs的胶体水分散体系在生命科学、传感、催化、油气田开发及水环境净化等领域具有重要的应用价值。我们课题组已详细研究过LDHs水分散体系的流变学、稳定乳状液和泡沫及形成液晶相等特性,并将LDHs正电溶胶作为钻井泥浆处理剂成功的用于油气田开发中。关于LDHs分散体系稳定性的研究是进行上述研究及开发的基础。外部条件的变化及颗粒自身的特性是影响LDHs分散体系稳定性的重要因素,进而将影响到其在理论研究和实际应用中的价值。就由LDHs纳米颗粒稳定的Pickering乳状液而言,分散体系稳定性的变化将直接影响到LDHs颗粒的界面自组装能力和体相中形成网架结构的能力,从而影响到乳状液的稳定性以及其他方面的特性。而这些特性是形成更高级别的LDHs有序结构的基础。基于上述考虑,我们对镁铝型LDH的水分散体系、乳状液以及以乳状液为模板制备的中空微胶囊特性进行了探索性研究,对于完善LDHs的理论研究体系以及扩展其实际应用价值具有重要意义。 本文主要内容包括以下几个部分:1.LDH-聚丙烯酸钠水体系的双絮凝现象及机理分析 本章研究了聚丙烯酸钠(Sodium Polyacylate,简称PAAS,分子量为15000)浓度的改变对固定颗粒浓度的镁铝型LDH胶体水分散体系稳定性的影响,发现了独特的双絮凝现象。借助总有机碳(TOC)测定,zeta电势表征、x射线衍射(XRD)和傅立叶红外光谱(FTIR)等多种分析技术探讨了产生双絮凝现象的机理。在固定LDH颗粒浓度的水分散体系中引入聚丙烯酸钠,PAAS在LDH颗粒上的吸附导致颗粒电性质发生变化,从而影响了分散体系的稳定性。当PAAS浓度较低时,阴离子型聚电解质主要吸附于正电性LDH颗粒的表面,致使颗粒的(?)电位降低并发生电性翻转,颗粒间的静电斥力由此而减小,LDH-PAAS混合体系的稳定性随之降低,原来稳定的分散体系产生絮凝。PAAS浓度居中时,聚电解质分子的进一步吸附使颗粒的(?)电位继续负向增加,颗粒间静电斥力随之增强,因此体系又重新分散。当PAAS浓度较高时,聚电解质分子不仅吸附于LDH颗粒表面,还以接近平躺的构象插入颗粒层间。这使颗粒的负电性进一步增强,与体相中未吸附的PAAS链间存在较强的静电斥力,由此产生的空缺引力作用导致体系再次絮凝。红外光谱分析结果表明,PAAS主要通过分子中的-COO-与LDH颗粒间的静电引力和氢键作用而吸附于颗粒上。这一发现丰富了LDH分散体系的相行为,拓展了LDH的研究空间和应用价值。2.非晶态LDH颗粒稳定的Pickering乳状液 本章制备了三种LDH颗粒的水分散体系,比较了颗粒形貌、尺寸和结构的不同,以及由其水分散体系制备的Pickering乳状液稳定性的异同。结果表明,在共沉淀法得到的LDH新鲜沉淀中,氢氧化物多为非晶态。高剪切力使沉淀以絮团的形式分散在水中,对LDH结晶的贡献很小。而长时间的水热处理可促使非晶态沉淀生长为晶态六角片状颗粒。NaCl对非晶态和晶态LDH颗粒稳定乳液能力的影响规律基本相同。NaCl的引入均可引发颗粒间的絮凝,提高颗粒在油/水界面的吸附能力,同时也有利于界面网络及体系中三维网架结构的形成,从而可有效提高颗粒生成和稳定乳液的能力。与晶态LDH颗粒相比,相同盐浓度下非晶态LDH颗粒亲水性更强,生成的絮凝体结构更弱,因而稳定乳液的能力更小。对于非晶态LDH颗粒,相同盐浓度下较大颗粒间更易生成大的絮凝体,导致其在油/水界面的吸附能力更强,因而生成和稳定乳液的能力更好。这一工作对于LDH颗粒稳定的Pickering乳状液的研究体系起到了丰富和完善的作用。3.以Pickering乳状液为模板制备LDH中空微胶囊 本章以Pickering乳状液为模板制备了由MgAl-LDH片状纳米颗粒组装而成的中空微胶囊。先通过颗粒在油/水界面的吸附制备了o/w型Pickering乳状液。再使用与乳状液内外相液体均互溶的溶剂将乳液滴内油核溶解至周围的介质环境中,从而制得了LDH中空微胶囊。在胶囊制备过程中发现,与原模板乳液滴相比,中空微胶囊的直径减小了约一个数量级,这是由于LDH片状颗粒在球体表面的重新排列引起的。在油核溶出的过程中,乳液滴表面的LDH片改变了原来的取向,并且排列得更加紧密。即由在乳液滴表面的平铺变为在胶囊壳中的竖立,面面相连组成壳体。胶囊制备过程中由于介质极性的减小而引发颗粒间吸引力的增强是产生颗粒重排现象的原因。 利用软模板法制备LDH中空微胶囊不仅克服了硬模板法步骤繁琐,须高温烧结等不足,还引入了由溶剂效应引发的各向异性颗粒在弯曲表面的重排现象。这为由Pickering乳液模板法制备具有各种特殊结构和应用价值的中空结构提供了广阔的前景。LDH片状颗粒的重排可为研究各向异性胶体颗粒在弯曲界面上的液晶行为提供一个新的模型。由具有层状结构的LDH片组成的微胶囊在渗透性控制以及多功能微胶囊制备方面具有独特的优势。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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