水滑石(LDHs)是一种结构、组成具有丰富可调变性的阴离子层状结构功能材料,已在PVC热稳定剂、抑烟剂以及紫外阻隔材料等领域得到了大规模应用。目前工业制备LDHs基本都采用共沉淀法,在制备过程中会产生大量副产物盐,原子利用率低,需要用大量水对产物进行洗涤,浪费了大量资源与能源,不符合绿色化学的发展趋势。本实验室前期以金属氢氧化物为原料,发明了原子经济反应制备MgAl LDHs的新路线,原子利用率100%。但由于不能有效控制产物的颗粒尺寸和形貌,且在制备其他层板组成水滑石时易出现杂晶相,产品应用性能较差,限制了其产业化实施。针对上述问题,本论文通过实验手段和反应动力学计算相结合的方式研究了原子经济反应制备LDHs的合成机理,提出了原料颗粒尺寸影响LDHs生长过程的新理论,并实现了对MgAl LDHs颗粒尺寸的控制。在此基础上,通过调控原料颗粒尺寸和工艺参数,首次实现了原子经济反应可控制备ZnAl LDHs。发现了ZnAl-CO3 LDHs在水热条件下具有的独特的热稳定性,并进一步利用原子经济反应,揭示了 ZnAl LDHs水热条件下分解产物不存在结构记忆效应的原因。将原子经济反应制备的系列LDHs在PVC、EVA和PP中开展了分散性和应用性能研究,结果表明,产品在树脂中分散性良好,性能达到且部分指标超过了传统共沉淀工艺产品。本论文基于反应机理研究,实现了对LDHs组成、形貌等微观和介观结构的调控,为采用原子经济反应制备LDHs的基础研究以及产业化实施提供了理论和技术基础。本论文主要的研究内容和取得的研究成果如下:1.原子经济反应制备MgAl LDHs的机理研究与颗粒尺寸控制首先调变拟薄水铝石颗粒尺寸,利用原子经济反应制备了MgAl-CO3 LDHs,结合实验手段与反应动力学计算,探究了原子经济反应制备MgAl LDHs的合成机理以及反应物颗粒尺寸对反应成核方式和晶体生长的影响。研究表明该反应过程为:Mg(OH)2与拟薄水铝石在水热条件下解离产生Mg2+和Al(OH)4-,这些离子在Mg(OH)2表面反应形成LDHs晶核,晶核逐渐长大形成晶体结构完整的MgAl LDHs,且受原料颗粒尺寸影响,表现出两种反应控制机理:1)当反应物拟薄水铝石颗粒尺寸为微米级时,该反应为一维扩散反应控制整个反应进程;2)当拟薄水铝石颗粒尺寸下降至纳米级时,由于原料离解产生的离子浓度增大,扩散速率提高,该反应由一维扩散反应转变为二维相界面反应控制。根据上述机理研究,本论文进一步调控Mg(OH)2颗粒尺寸,制备了不同颗粒尺寸的MgAl LDHs,实现了原子经济反应制备MgAl LDHs的可控合成。2.原子经济反应制备ZnAl LDHs及机理研究基于上述对MgAl LDHs成核、生长和颗粒尺寸控制的研究,本论文采用颗粒尺寸为30 nm的ZnO、拟薄水铝石以及CO2为原料,调控反应温度、反应压力等合成条件,首次实现了原子经济反应制备ZnAl LDHs,确定了制备工艺条件。同时结合实验研究与反应动力学计算对反应过程进行研究分析,揭示了原子经济反应制备ZnAl LDHs的溶解-成核-扩散并受一维扩散过程控制的反应机理。具体反应过程为:1)纳米ZnO、拟薄水铝石和CO2在水热环境中离解生成Zn2+、OH-、Al(OH)4-和 CO32-;2)Zn2+、Al(OH)4-、CO32-和 OH-发生碰撞,在ZnO颗粒表面反应生成LDHs晶核;3)形成的LDHs晶核在ZnO表面沿着LDHs与ZnO的界面以一维扩散方式不断生长,逐渐形成晶体结构完整的ZnAl-C03 LDHs。其中第三步的扩散反应过程为该反应进行的主要控制步骤。本论文进一步采用不同颗粒尺寸的ZnO为原料,在120℃条件下研究了 ZnAl LDHs的生长过程,结果表明由于受ZnO表面成核和一维扩散过程控制,随着ZnO颗粒尺寸增大,LDHs与ZnO界面之间的扩散反应速率降低,导致LDHs的生长速率变慢,使ZnO不能完全发生反应,不能得到纯净的ZnAl LDHs晶体。这也为原子经济反应制备其它组成LDHs提供了理论基础。3.ZnAl LDHs水热条件下的热稳定性与结构记忆效应研究本论文研究发现ZnAl LDHs水热条件下热稳定性较差,在大于150℃时就易发生分解。分析结果表明,ZnAl LDHs在170℃水热条件下分解时生成了 ZnO和类似ZnAl204尖晶石结构的锌铝混合氧化物ZnAl-MMO(ZnAl1.603.4)。进一步利用原子经济反应,对其分解产物的性质进行了研究,结果表明,分解产生的ZnO仍具有反应活性,可与外加铝源反应重新生成ZnAl LDHs;分解产生的ZnAl-MMO由于具有类似尖晶石结构,失去反应活性,不能通过结构记忆效应重新生成LDHs,揭示了 ZnAl LDHs水热条件下分解产物不存在结构记忆效应的原因,丰富了 LDHs的结构理论。4.原子经济反应制备LDHs的应用性能研究本论文将原子经济反应制备的具有不同组成和颗粒尺寸的MgAl-CO3 LDHs 和ZnAl-CO3 LDHs 应用到 PVC、EVA、PP 等塑料中,采用聚集诱导发光(AIE)分子荧光探针标定技术研究了 LDHs在PVC中的分散性,同时研究了产品的PVC热稳定性、抑烟以及紫外阻隔等性能。结果表明,采用原子经济反应制备的420 nm的MgAl-CO3 LDHs在PVC中具有良好的分散性,进而提升了其对PVC的热稳定性;制备的MgAl-CO3 LDHs与ZnAl-CO3 LDHs在EVA和PVC材质中均表现出了优异的抑烟性能,其中MgAl-CO3 LDHs对EVA的最大烟密度下降幅度可达到70%以上,超过了共沉淀工艺制备LDHs的性能;制备的ZnAl-CO3 LDHs由于具有更多的表面缺陷,对PP的紫外阻隔性能优于共沉淀工艺产品。综上所述,通过本论文研究,实现了 LDHs原子经济反应制备在组成和形貌等微观和介观结构方面的控制,使LDHs表现出了优异的分散性能和应用性能,扩大了产品应用范围,为LDHs原子经济反应制备的产业化发展提供了理论和技术支持。