超分子插层结构设计与紫外阻隔性能研究
层状复合金属氢氧化物（LDHs，又称水滑石）层板之间的限域空间可作用于层间客体分子，使层间客体分子结构发生改变，从而导致性能的变化;此外，主体层板与客体阴离子存在可以调控的超分子相互作用，对材料性能也具有重要影响。因此，利用LDHs的层间限域效应以及主客体相互作用的可调控性，设计新型超分子结构紫外阻隔材料，并将其用于提高沥青的抗紫外老化性能，对于发展超分子插层结构功能材料和提高沥青的服役寿命，具有重要理论意义和实际价值。 本论文采用离子交换法，将存在内酯式和醌式结构转化平衡反应的酚酞(PPN)插入到不同金属元素组成的LDHs层间，采用XRD、FT-IR和13C NMR、UV-vis等研究了PPN在LDHs层间限域作用下从内酯式结构向醌式结构转换的过程，以及对紫外吸收性能的影响。研究表明，PPN插层前存在形式是内酯式结构，插层后在LDHs层间的存在形式主要是醌式结构，同时也存在少量内酯式结构和三价结构。LDHs层间可以给PPN提供一个碱性环境，而且LDHs的层间限域效应能够使PPN结构发生转换，平衡向醌式结构移动，产生更大的共轭结构，使插层结构LDHs的紫外吸收性能相比PPN得到大幅度提升，同时紫外吸收范围也从UVC和UVB扩大到覆盖整个紫外波段。层板的金属离子种类可以改变PPN平衡的移动，紫外吸收性能强弱顺序为:MgAl-PPN-LDHs＞CoAl-PPN-LDHs＞CaAl-PPN-LDHs。将紫外吸收性能良好的MgAl-PPN-LDHs加入沥青中，沥青老化后的VAI为10.4％，△S为1.0℃，相比基质沥青的VAI(36.0％)和△S(4.25℃)分别降低了71％和76％。 本论文将能够与LDHs层板形成氢键的钙羧酸(CCA)以及不能形成氢键的铬变素FB(CFB)分别插入到不同金属元素组成的LDHs层间，利用XRD、FT-IR和UV-vis等研究了LDHs主体层板与客体CCA的氢键作用及对插层LDHs紫外-可见光吸收性能的影响。研究表明，因为羰基与不同LDHs的层板羟基形成了强度不同的氢键，使CCA羰基的红外振动峰产生了较大差异，导致插层结构LDHs在可见光区的吸光度发生了较大变化，且氢键作用越强，在可见光区的吸收强度越低。这可能是由于CCA与LDHs层板羟基的氢键相互作用力增强，减少了分子内氢键的数量，导致在可见光区的吸收强度降低。CFB插层后磺酸基团的特征峰的位置几乎没有发生变化，这可能是磺酸基与LDHs层板没有形成氢键或作用力较弱。上述研究表明，主客体氢键作用对CCA插层LDHs的紫外-可见光吸收性能具有较大影响，而对CFB影响较小。此外，由于CCA与LDHs层板存在氢键的相互作用，CCA进入LDHs层间后热稳定性能得到大幅度提升（提高了约200℃）。将MgAl-CCA-LDHs与MgAl-CFB-LDHs分别加入沥青中，MgAl-CCA-LDHs改性沥青老化后的VAI为18.4％，△S为2.50℃，相比基质沥青的VAI和△S分别降低了49％和41％，MgAl-CFB-LDHs改性沥青老化后的VAI为17.1％，△S为2.05℃，相比基质沥青的VAI和△S分别降低了53％和52％。 本论文发展了性能优异的新型插层结构紫外阻隔材料，丰富了超分子插层结构理论，为新型插层结构材料的研究提供了新的方法和思路。
层状复合金属氢氧化物;分子结构;紫外光;阻隔性能
北京化工大学
硕士
化学工程
林彦军;王建荣
2017
中文
TB383;TB303
98
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）