蘭州化物所在凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”研究方面取得系列進(jìn)展

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21377135、51403221和U1407114）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2013AA032003）、中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”以及“西部之光”人才培養(yǎng)等項(xiàng)目的支持下，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員王愛勤課題組在凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”研究方面取得系列進(jìn)展。

　　凹凸棒石黏土是一種以凹凸棒石為主要成分的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物。由于其獨(dú)特的棒狀晶體形貌和孔道結(jié)構(gòu)，已在許多方面得到廣泛應(yīng)用。凹凸棒石棒晶長(zhǎng)約1-5 μm，直徑約20-70 nm，是一種天然的一維納米材料，但其較強(qiáng)的氫鍵和靜電作用力，使得天然凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集，成為制約凹凸棒石黏土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。多年來，研究者采用高速攪拌、超聲、對(duì)輥、碾磨和冷凍等傳統(tǒng)處理方式對(duì)凹凸棒石棒晶束進(jìn)行了解離研究，但傳統(tǒng)方法只能部分解離棒晶束，而且會(huì)損傷凹凸棒石晶體固有的長(zhǎng)徑比，影響了凹凸棒石納米性能的應(yīng)用。

　　鑒于此，在各種處理工藝對(duì)凹凸棒石微觀結(jié)構(gòu)影響和棒晶損傷研究積累基礎(chǔ)上（Applied Clay Science, 2011, 54: 118-123；2013, 86: 174-178；2014, 87: 7-13；2014, 95: 365-370；Powder Technology, 2012, 225: 124-129；2013, 235: 652-660；2013, 249: 157-162；2014, 261: 98-104；Advanced Powder Technology, 2014, 25: 968-977），王愛勤課題組發(fā)展了對(duì)輥處理-制漿提純-高壓均質(zhì)-乙醇交換一體化工藝，在保持凹凸棒石固有長(zhǎng)徑比前提下，成功實(shí)現(xiàn)了棒晶束的高效解離，棒晶達(dá)到納米級(jí)分散，同時(shí)還解決了干燥過程中納米棒晶的二次團(tuán)聚問題。由于在該方面的持續(xù)研究工作以及取得的重要進(jìn)展，近期該課題組受邀在黏土礦物主流期刊Applied Clay Science上撰寫了綜述性文章（Applied Clay Science, 2016, 119: 18-30）。

　　凹凸棒石棒晶束解離后，充分凸顯出一維納米材料在支撐和增韌補(bǔ)強(qiáng)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在凹凸棒石棒晶束解離基礎(chǔ)上，該課題組開展了不同類型改性劑對(duì)凹凸棒石表面功能化改性研究，建立了高壓均質(zhì)和改性劑協(xié)同作用提高改性效率的新方法，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用導(dǎo)向的凹凸棒石表面性質(zhì)調(diào)控和功能化設(shè)計(jì)。在凹凸棒石棒晶表面負(fù)載四氧化三鐵納米粒子，采用層層自組裝或表面改性方法，制備出了磁性凹凸棒石納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貴金屬的高效吸附分離及其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用（Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1: 4804-4811；2013, 1: 7083-7090；2015, 3 (1): 281-289）；通過常溫一鍋法制備了凹凸棒石/聚苯胺/銀納米粒子三元納米復(fù)合材料，該制備方法有效結(jié)合了銀納米粒子的催化特性和聚苯胺的陰離子吸附特性，既可以有效催化降解對(duì)硝基苯酚和剛果紅染料，還可以有效去除水體中的磷酸二氫根離子（Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 473: 84–92）。

　　超疏水/超疏油表面在自清潔、流體輸送和防油污染等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。研究表明，纖維或棒晶狀納米材料可提高表面的超疏水/超疏油性能。在前期有機(jī)硅烷聚合物納米纖維的工作基礎(chǔ)上（Adv Funct Mater 2014, 24, 1074-1080），該課題組將有機(jī)硅烷與凹凸棒石相結(jié)合，在各種材料表面構(gòu)筑了性能優(yōu)異的超疏水表面（ChemPlusChem 2013, 78, 1503-1509）。目前，超雙疏表面普遍存在低表面能有機(jī)液體（表面能≤25 mN/m）易粘附、穩(wěn)定性差、尤其是熱液體極易粘附等問題。為此，該課題組通過全氟烷基硅烷與凹凸棒石的反應(yīng)，在多種基底材料上構(gòu)建了穩(wěn)定自修復(fù)低滾動(dòng)角超疏熱液體表面（Chem Commun 2016, 52, 2744-2747）；制備了全氟烷基硅烷/凹凸棒石磁性納米復(fù)合材料，構(gòu)建了超雙疏表面和磁控低表面能液體彈珠（J Mater Chem A 2016, 4, 5859-5868.封面）。

　　凹凸棒石在納米復(fù)合材料中還可以起到類似于混凝土中的“鋼筋”作用。采用功能化的凹凸棒石作為交聯(lián)劑，該課題組制備了凹凸棒石/聚丙烯酸納米復(fù)合物水凝膠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛離子的選擇性吸附和多次重復(fù)使用（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2014, 2(4): 643-651）；發(fā)展了室溫條件下一步法制備粒狀三維網(wǎng)絡(luò)納米復(fù)合水凝膠的新方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽離子染料的選擇性吸附（Chemical Engineering Journal, 2014, 257(1): 66-73）。鑒于他們?cè)谌S網(wǎng)絡(luò)納米復(fù)合水凝膠從塊狀到粒狀的持續(xù)研究工作，該課題組受邀撰寫了綜述性文章（European Polymer Journal, 2015, 72, 661-686；Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016, 4, 1274-1294）。此外，他們還開展了凹凸棒石在納米復(fù)合膜中的補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用研究，在有機(jī)高分子薄膜中添加1-3%的凹凸棒石，就可顯著提升復(fù)合膜的拉伸斷裂強(qiáng)度，為凹凸棒石“味精式”應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（Chemical Engineering Journal, 2012, 210: 166-172；RSC Advances, 2015, 5: 17775-17781）。