水滑石插层结构紫外阻隔材料的组装与性能研究

摘要

太阳光中过量的紫外辐射对地球上的生物及材料造成极大的破坏作用，每年材料的紫外老化导致了大量的资源浪费和经济损失。水滑石(LDHs)作为一类无机超分子结构功能材料，已经被广泛应用于医药材料、阻燃材料、催化材料等领域。近年来LDHs材料在耐紫外老化沥青的应用中表现出了良好的效果，可以明显减缓沥青的老化。为进一步提高LDHs材料的紫外阻隔性能，有必要更深入地探索和研究LDHs材料的超分子结构对紫外光的阻隔机理及构效关系，从而为开发性能优异的新型超分子结构层状紫外阻隔材料，以及进一步探索其在高分子材料抗紫外老化领域的应用提供实验依据和理论支持。
　　本论文针对高分子材料的紫外老化现象和目前紫外阻隔材料在应用过程中存在的问题，基于结构化学和超分子化学基本原理，探索了LDHs材料的紫外阻隔机理，对LDHs层状材料的超分子结构、能级特征、缺陷结构、主客体相互作用以及协同作用等方面进行了系统研究。结合高分子材料的老化机理和LDHs材料的结构特征，对LDHs的层板结构和层间客体进行了调控，制备了一系列性能优良的超分子结构紫外阻隔材料。进一步将其添加到沥青和聚丙烯(PP)中进行紫外加速老化实验，考察了其对高分子材料的抗紫外老化效果，为其实际应用提供了一定的理论基础和技术支持。
　　1.LDHs的紫外阻隔机理及构效关系研究
　　首先采用成核/晶化隔离法可控合成了不同粒径、不同层板组成的LDHs材料，总结并分析了实验参数对LDHs材料结构的影响规律，为工业中LDHs材料的生产工艺提供了技术支持。其次，从实验表征和理论计算两方面探索了层板组成对LDHs紫外吸收性能的影响机理，并研究了LDHs的尺寸效应对其紫外屏蔽性能的影响。将LDHs材料添加到沥青中进行紫外加速老化实验，进一步考察了LDHs材料在耐紫外老化沥青中的实际应用价值，为LDHs材料的工业化应用及推广提供了一定的理论基础和技术支持。
　　2.LDHs材料的表面缺陷对其紫外阻隔性能的影响机制研究
　　利用化学刻蚀法对LDHs材料层板的微观结构进行表面修饰，引入并调控氧空位缺陷的密度和分布。结果表明，LDHs材料经过刻蚀处理后，其紫外吸收性能得到了显著提高。结合结构化学和能带理论，该化学刻蚀法一方面通过氧空位缺陷结构减小了LDHs材料的禁带宽度，进而优化了其紫外吸收性能;另一方面，带正电的氧空位缺陷结构能够吸收高分子材料老化过程中产生的活性自由基，从根本上抑制其老化过程，从而实现了LDHs材料对高分子材料的保护作用。将制备的改性LDHs材料添加到聚丙烯和沥青中进行紫外加速老化测试，结果表明具有表面缺陷的LDHs材料显著提高了两种高分子材料的抗紫外老化性能。该方法可以有效扩大LDHs材料的紫外吸收范围，增加其紫外吸收强度，可用于对LDHs材料紫外阻隔性能的进一步优化。
　　3.无机—有机主客体结构水滑石紫外阻隔材料的制备及性能研究
　　基于LDHs材料的超分子层状结构特征和能量转化原理，将荧光客体插入到LDHs层间，制备了新型无机—有机主客体LDHs紫外阻隔材料。利用层间客体将紫外光转化为荧光耗散，从而减缓材料的紫外光老化和热老化过程，实现了主体层板对紫外线的屏蔽和层间客体的吸收双重紫外阻隔作用。由于层板对层间客体的保护作用，主客体复合材料具有良好的光热稳定性。另外，由于LDHs层板对层间客体的空间限域作用，主客体复合材料的荧光寿命（提高为原来的4倍）和量子产率（提高为原来的2倍）都有很大的提高，表明复合材料对紫外光具有很高的转化效率。利用密度泛函理论对主客体复合材料的构效关系进行了深入研究，揭示了主客体相互作用对其紫外吸收性能的影响机理。该工作对于设计和可控制备新型无机—有机主客体复合紫外阻隔材料具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 紫外线概述

1．1．1 紫外线的分类及分布

1．1．2 紫外线的影响

1．2 紫外阻隔材料概述

1．2．1 紫外阻隔材料的分类

1．2．2 紫外阻隔材料的应用

1．2．3 紫外阻隔材料应用中存在的问题

1．3 水滑石材料(LDHs)概述

1．3．1 LDHs的结构和组成

1．3．2 LDHs的应用领域

1．4 LDHs在耐紫外老化沥青中的应用

1．4．1 沥青的应用及蒙外老化

1．4．2 耐老化沥青的研究现状

1．4．3 LDHs改性耐紫外老化沥青的发展现状

1．5 本课题的研究内容、目的和意义

1．5．1 本课题的研究内容

1．5．2 研究目的和意义

第二章 LDHs尺寸效应及层板组成对紫外阻隔性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料与试剂

2．2．2 LDHs材料的制备

2．2．3 LDHs改性沥青的制备

2．2．4 仪器与表征方法

2．2．5 LDHs理论模型的建立与计算方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同层板组成LDHs的晶体结构与性能表征

2．3．2 Zn4Al2-CO3-LDHs的紫外屏蔽性能研究

2．3．3 LDHs改性沥青的耐紫外老化性能

2．4 小结

第三章 表面缺陷对LDHs紫外阻隔性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料与试剂

3．2．2 缺陷结构LDHs样品的制备

3．2．3 缺陷结构LDHs改性沥青的制备

3．2．4 缺陷结构LDHs／聚丙烯薄膜的制备

3．2．5 仪器与表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品的晶体结构表征

3．3．2 样品的Zeta电位表征

3．3．3 样品的表面形貌分析

3．3．4 样品的紫外漫吸收性能

3．3．5 样品的X射线光电子能谱(XPS)分析

3．3．6 LDHs／PP薄膜的耐紫外老化性能研究

3．3．7 LDHs／沥青的耐紫外老化性能研究

3．4 MgZnAl-LDH的表面缺陷结构及表征

3．4．1 缺陷结构MgZnAl-LDH的晶体结构表征

3．4．2 缺陷结构MgZnAl-LDH的形貌表征

3．4．3 缺陷结构MgZnAl-LDH的紫外吸收性能

3．5 小结

第四章 无机-有机复合LDHs材料的制备及紫外阻隔性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 ZnAl-NO3-LDH前体的制备

4．2．3 CPBA和ZnAl-CPBA-LDH的制备

4．2．4 ZnAl-CPBA-LDH／PP薄膜样品的制备

4．2．5 ZnAl-CPBA-LDH／PP薄膜样品的光稳定性测试

4．2．6 仪器与表征方法

4．2．7 模型建立和计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 样品的晶体结构表征

4．3．2 红外光谱分析

4．3．3 热稳定性分析

4．3．4 扫描和高分辨透射电镜表征

4．3．5 ZnAl-CPBA-LDH的紫外吸收性能及能带分析

4．3．6 样品的荧光性能表征

4．3．7 ZnAl-CPBA-LDH／PP薄膜的光稳定性测试

4．4 小结

第五章 结论

本论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介