鎂鋁及鎂鋅鋁水滑石的合成與表征*

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(1.常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇常州 213164；2.南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院)

1 實驗部分

1.1 主要原料

硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸鋅、氫氧化鈉、無水碳酸鈉，均為分析純；去離子水。

1.2 樣品制備

采用共沉淀法合成水滑石[13]。按照鎂鋁物質(zhì)的量比(以下簡稱鎂鋁比)為2∶1、2.5∶1、3∶1、4∶1分別將硝酸鎂和硝酸鋁以及碳酸鈉和氫氧化鈉用去離子水配成等體積溶液。將上述兩種溶液分別同時滴加進(jìn)劇烈攪拌的燒瓶中，溫度控制在65 ℃左右。滴加完畢后繼續(xù)攪拌30 min，然后在65 ℃下陳化18 h。過濾，濾餅用去離子水洗滌2～3次，然后在80 ℃下干燥超過12 h。干燥完畢后研細(xì)，得到鎂鋁水滑石，密封保存。按照鎂鋅鋁物質(zhì)的量比(以下簡稱鎂鋅鋁比)分別為3∶1∶2、1∶1∶1、1∶3∶2，采用相同的方法制備鎂鋅鋁水滑石。

1.3 樣品表征

樣品的晶型結(jié)構(gòu)采用日本理學(xué)D/max 2500 PC型X射線粉末衍射儀進(jìn)行表征，Cu靶Kα射線，波長為0.154 06 nm，掃描角度為5～70°，步幅為0.02°，掃描速度為3(°)/min，管電壓為40 kV，管電流為100 mA。樣品的外觀形態(tài)通過日本電子公司的JSM-6360LV型掃描電鏡觀察。樣品的熱穩(wěn)定性通過美國TA公司的SDTQ600型熱重分析儀進(jìn)行分析，升溫速度為20 ℃/min，升溫范圍為常溫～600 ℃，空氣氣氛。樣品的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)采用美國Nicolet PROTEGE 460型傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行表征，KBr壓片。樣品的粒度分析采用丹東市百特儀器有限公司的BT-9300H型激光粒度分布儀進(jìn)行測定，光源為半導(dǎo)體激光器，波長為635 nm，功率為3 mW。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

鎂鋁比：a—2∶1；b—2.5∶1；c—3∶1；d—4∶1

鎂鋁比0032θ/(°)d003/nm1102θ/(°)d110/nm2∶111．560．76560．760．15232．5∶111．340．78060．580．15273∶111．240．78760．340．15334∶111．120．79560．060．1539

圖2是制備的鎂鋅鋁水滑石[n(MⅡ)∶n(MⅢ)均為2∶1]XRD譜圖，表2為XRD結(jié)果。由圖2可以看出，在2θ為11.3、22.8、34.5、60.3°附近出現(xiàn)水滑石的特征衍射峰。從圖2及表2可以看出，隨著鎂鋅比的減小水滑石的層板間距隨之減小。從圖2及表2還可以看到，d110隨著鎂鋅比的減小而增大。這是由于Zn2+半徑(0.074 nm)大于Mg2+半徑，鎂鋅比的減小導(dǎo)致晶胞參數(shù)變大，相對而言，層板上原子密度減小，d110增大。

鎂鋅鋁比：e—3∶1∶2；f—1∶1∶1；g—1∶3∶2

鎂鋅鋁比0032θ/(°)d003/nm1102θ/(°)d110/nm3∶1∶211．520．76860．660．15251∶1∶111．580．76460．560．15281∶3∶211．620．76160．340．1533

2.2 TG/DTG分析

圖3是合成的鎂鋁水滑石的熱重曲線及熱重微分曲線。從圖3可以看出：水滑石的熱分解過程存在兩個明顯的質(zhì)量損失臺階，從加熱開始到約220 ℃質(zhì)量損失約18%，在此階段失去的是水滑石層板間的結(jié)晶水，此時樣品仍保持層狀結(jié)構(gòu)；從220 ℃到480 ℃質(zhì)量損失約24%，在此減少的質(zhì)量包括碳酸根脫除二氧化碳和層板上大部分羥基脫水；在更高溫度下層板上的羥基全部脫除，層板結(jié)構(gòu)完全破壞，最終生成混合氧化物。

由圖3可以看出：鎂鋁比小于4時水滑石分解峰值溫度在190 ℃左右；鎂鋁比等于4時水滑石穩(wěn)定性較差，分解峰值溫度在173 ℃。從圖3明顯看出，隨著鎂鋁比的增大，層板穩(wěn)定性增強(qiáng)。在190 ℃和380 ℃兩個主分解峰之間有個次分解峰，隨著Mg含量的提高而逐漸不明顯。當(dāng)鎂鋁比等于2時，次分解峰和第二分解峰相當(dāng)；當(dāng)鎂鋁比等于4時，次分解峰完全消失。

鎂鋁比：a—2∶1；b—2.5∶1；c—3∶1；d—4∶1

圖4是合成的鎂鋅鋁水滑石的熱重曲線及熱重微分曲線。綜合兩圖可以看到：鎂鋅鋁水滑石的熱分解只有一個明顯的階段，從加熱開始到220 ℃質(zhì)量損失為17%，分解峰在190 ℃左右；而后隨著溫度的升高，持續(xù)分解失重，直到約470 ℃，這個過程沒有明顯的分解峰；超過470 ℃分解趨于平緩。從圖4還可以看出，鎂鋅鋁比為3∶1∶2的水滑石在380 ℃有一個小分解峰，隨著Zn含量的提高這個峰變小直至消失。Zn的摩爾質(zhì)量遠(yuǎn)大于Mg，所以加熱到500 ℃后，Zn含量高的樣品殘余量遠(yuǎn)大于Zn含量低的樣品。

鎂鋅鋁比：e—3∶1∶2；f—1∶1∶1；g—1∶3∶2

2.3 FT-IR分析

a—鎂鋁比為2∶1；c—鎂鋁比為3∶1；

2.4 粒度分析

圖6是水滑石樣品的粒度分布圖。從圖6可以看出，水滑石的粒度分布都很窄，顆粒也很細(xì)，基本上在3～20 μm，尤其是鎂鋅鋁三元水滑石的粒度都在10 μm以下。

a—鎂鋁比為2∶1；c—鎂鋁比為3∶1；

2.5 SEM分析

圖7是鎂鋁比為2∶1的水滑石的掃描電鏡照片。由圖7可以看出，樣品顆粒的最大直徑在20 μm左右，是由許多小顆粒團(tuán)聚而成。從圖7(右)可以明顯看出水滑石的層板結(jié)構(gòu)，部分結(jié)晶度不好致使看似棒狀結(jié)構(gòu)。

圖7 鎂鋁比為2∶1的水滑石樣品的掃描電鏡照片

3 結(jié)論

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