一种纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物及其清洁制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机非金属材料的制备技术领域，特别涉及一种纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物及其清洁制备方法。
技术背景
[0002]水滑石(LDHs)和类水滑石化合物，作为近年来发展迅速的一类带有层状结构的插层功能材料，是由带有正电荷的类似水镁石的层板以及包含有电荷补偿的阴离子和溶剂分子的层间部分组成的具有超分子结构的层状化合物，两种金属的氢氧化物构成其主体。其独特的层状结构，导致其层板组成及层板间阴离子以及晶粒尺寸大小等都具有一定的可调控性。使水滑石在多个领域具有广泛应用，如催化，光化学、电化学等方面。硼酸根插层类水滑石在受热情况下会分解生成一种玻璃状物质，具有良好的阻燃性和抑烟性，添加到塑料中可以提高制品的阻燃性，降低发烟性量，降低火灾的风险。
[0003]目前，制备水滑石常用共沉淀法、离子交换法和水热合成法等，在工业上制备水滑石采用可溶盐共沉淀法，但共沉淀工艺不仅原材料成本高、水耗大和能耗高，而且生产过程中会生产出大量低价值的无机盐和废水，与目前追求可持续发展、环保型新化学工业的要求有一定的偏离，离子交换法工艺复杂，采用新的清洁工艺制备水滑石的研究开始受到越来越多的注意。现有报道中硼酸根插层类水滑石化合物多采用共沉淀法和离子交换法来合成。
[0004]专利201010148480.8公开了一种清洁合成硼酸根插层类水滑石化合物的方法，投入反应的原子百分之百参与反应，是一种环保制备方案，从XRD和红外谱图来看，制备的硼酸根插层水滑石是纯净的，但从附图3的SEM照片来看，所制备的水滑石粒径较大，在I微米左右，如果晶片尺寸可以达到纳米级别时将会因小尺寸效应和表面效应具备更大的作用。当粉体的粒径达到纳米级别时表面能会急剧增大，自身很不稳定，目前依靠纯机械方法无法制备纳米级的粉体，而机械方法不能降低纳米材料的高表面能，无法解除纳米原料的自身团聚。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物及其清洁制备方法。
[0006]本发明利用水滑石层板阴离子的可调控性，采用纳米级Mg(OH)2和Al(OH)3原料制备纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物。但市售的纳米级原料一般都有不同程度的团聚，本发明采用胶体磨的机械作用将其打散，使用改性剂降低纳米Mg(OH)2和Al(OH)3的表面能，使得通过胶体磨分散开的粒子不再聚集，使H3BO3在溶液状态下通过胶体磨与纳米级Mg(OH)#PA1 (0H)3原料充分结合，在水热作用下，完成H3BO3向水滑石之间的插层，晶片以原来的镁铝氢氧化物尺寸为基础逐渐长大。
[0007]本发明所述的纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物，其粒径范围在80_300nm，其通式为[Mgi—xAlx(OH)2]An—x/n.mH20.aR，其中，An—为层间阴离子B(0H)4—和B303(0H)4—;x为主体层板中三价Al离子摩尔分数，其取值范围是0.2^ x<0.33;m为结晶水的数量，取值范围是O ^ m < 2; R为改性剂，a的取值范围是O <a<0.1o
[0008]本发明所述的纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物的清洁制备方法，其具体操作步骤为:
[0009]A、称取粒径范围在20-80nm的Mg(OH)2、Al(OH)3和H3BO3,其中镁元素与铝元素的摩尔比为2-4;硼元素与铝元素的摩尔比为1-3，改性剂的用量为以上原料质量的0.5-10%;
[0010]B、称取H3BO3质量10-30倍的水，将H3BO3加入水中，加热使其完全溶解，冷却备用；
[0011]C、将称好的Mg(OH)2、Al(OH)3和改性剂加入到步骤B配制好的H3BO3溶液中，将混合物料通过胶体磨分散成悬池液，胶体磨转速2000-4000rpm，分散时间为5_60min ；
[0012]D、将步骤C制备的悬浊液加入高压反应釜中，搅拌下加热至90_110°C排除体系中的空气，升温至150-250 °C，反应2-24小时，冷却至室温后将产物过滤，50-120 °C条件下烘干得到纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物。
[0013]所述的改性剂选自C6-C18的羧酸、磺酸、羧酸盐、磺酸盐中的一种或几种。
[0014]根据水滑石合成的反应机理，氢氧化镁溶解后在氢氧化铝表面成核，形成水滑石产品。减小原料的粒径，不但有利于加速氢氧化镁的溶解，降低反应活化能，加快反应速度，而且由于在纳米级氢氧化铝表面成核，可以减小反应过程中体相扩散的阻力，使晶体排列更完整，得到硼酸根在层间规则排列的纳米级插层结构水滑石。同时，由于减小了晶粒尺寸，加入高分子材料中可以提高其分散性，提高作用效率，扩大作用范围，使其可以充分发挥阻燃抑烟的优势，作为高抑烟阻燃材料应用于PP、PE、EVA、PET、尼龙等多种高分子材料。
[0015]纳米原料自身存在团聚，使用现有技术无法打破这些纳米原料之间的团聚，现有技术即使用纳米原料也无法得到纳米粒径的产品。本发明引入改性剂避免了纳米原料自身的团聚，使得纳米粒径产品的实现而且改性剂的加入使得产品无需进行后续的改性处理，节省人力和资源。
[0016]本发明利用水滑石化合物层间阴离子的可调控性，制备了纳米粒径的层间阴离子为B(OH)4-或B3O3(OH)4-的硼酸根插层类水滑石化合物。本发明通过引入改性剂来降低粉体的表面能使得纳米级原料得到充分的分散，然后以纳米分散状态直接制备了改性的纳米级硼酸根插层类水滑石化合物。本发明采用清洁方法制备纳米粒径的硼酸根水滑石，同之前的离子交换法相比节省水资源，对环境更加友好，较之前报道过的清洁方法相比，粒径更小，表面效应强，具有更高的应用前景。
【附图说明】
[0017]图1是实施例3所得纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物的XRD谱图。
[0018]图2是实施例3所得纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物的FT-1R谱图。
[0019]图3是实施例3所得纳米粒径硼酸根插层类水滑石化合物的SEM照片。
【具体实施方式】
[0020]实施例1
[0021]A、称取 80nm 的 Mg(0H)2、80nm 的 Al(OH)3 和 H3BO3,其中 Mg/Al 摩尔比为 2.4:1，Β/Α1 摩尔比为3:1，改性剂选择硬脂酸，质量为以上固体质量的5% ；
[0022]B、称取H3BO3质量18倍的水，将H3BO3加入水中，加热使其完全溶解，冷却备用；
[0023]C、将称好的Mg(OH)2、Al(OH)3和硬脂酸加入到步骤B配制好的H3BO3溶液中，将混合物料通过胶体磨分散成悬池液，胶体磨转速2500rpm，分散时间