兰州化物所凹凸棒石利用技术及产业化应用取得突破性进展
2020-12-18 17:42:04
今年2月26日的江苏省科学技术评比中，兰州化物所和常州大学等单位共同完成的“凹凸棒石高值利用关键技术创新及其产业化应用”获得2015年度一等奖，化物所研究员王爱勤课题组在凹凸棒石棒晶束“拆”与“装”研究方面取得系列进展。
中科院兰州化物所是国内对凹凸棒石研究较早的单位，其研究员王爱勤是目前国内外发表凹凸棒石SCI论文最多的，且于2014、2015连续2年入选爱思唯尔中国高被引学者化学工程类榜单。早在2011年9月，兰州化物所完成的“凹凸棒石棒晶束解离关键技术及其应用研究”就通过了科技成果鉴定。
凹凸棒石黏土是一种以凹凸棒石为主要成分的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物。由于其独特的棒状晶体形貌和孔道结构，已在许多方面得到广泛应用。凹凸棒石棒晶长约1-5μm，直径约20-70nm，是一种天然的一维纳米材料，但其较强的氢键和静电作用力，使得天然凹凸棒石棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集，成为制约凹凸棒石黏土产业发展的关键瓶颈。
多年来，研究者采用高速搅拌、超声、对辊、碾磨和冷冻等传统处理方式对凹凸棒石棒晶束进行了解离研究，但传统方法只能部分解离棒晶束，而且会损伤凹凸棒石晶体固有的长径比，影响了凹凸棒石纳米性能的应用。
化物所研究员王爱琴
鉴于此，在各种处理工艺对凹凸棒石微观结构影响和棒晶损伤研究积累基础上，王爱勤课题组发展了对辊处理-制浆提纯-高压均质-乙醇交换一体化工艺，在保持凹凸棒石固有长径比前提下，成功实现了棒晶束的高效解离，棒晶达到纳米级分散，同时还解决了干燥过程中纳米棒晶的二次团聚问题。
凹凸棒石棒晶束解离后，充分凸显出一维纳米材料在支撑和增韧补强等方面的应用优势。在凹凸棒石棒晶束解离基础上，该课题组开展了不同类型改性剂对凹凸棒石表面功能化改性研究，建立了高压均质和改性剂协同作用提高改性效率的新方法，实现了应用导向的凹凸棒石表面性质调控和功能化设计。
凹凸棒石磁性纳米复合物对贵金属吸附及其催化应用示意图
在凹凸棒石棒晶表面负载四氧化三铁纳米粒子，采用层层自组装或表面改性方法，制备出了磁性凹凸棒石纳米复合材料，实现了对贵金属的高效吸附分离及其在催化领域的应用；通过常温一锅法制备了凹凸棒石/聚苯胺/银纳米粒子三元纳米复合材料，该制备方法有效结合了银纳米粒子的催化特性和聚苯胺的阴离子吸附特性，既可以有效催化降解对硝基苯酚和刚果红染料，还可以有效去除水体中的磷酸二氢根离子。
超疏热液体表面
超疏水/超疏油表面在自清洁、流体输送和防油污染等领域有广泛应用前景。研究表明，纤维或棒晶状纳米材料可提高表面的超疏水/超疏油性能。在前期有机硅烷聚合物纳米纤维的工作基础上，该课题组将有机硅烷与凹凸棒石相结合，在各种材料表面构筑了性能优异的超疏水表面。目前，超双疏表面普遍存在低表面能有机液体（表面能≤25 mN/m）易粘附、稳定性差、尤其是热液体极易粘附等问题。为此，该课题组通过全氟烷基硅烷与凹凸棒石的反应，在多种基底材料上构建了稳定自修复低滚动角超疏热液体表面；制备了全氟烷基硅烷/凹凸棒石磁性纳米复合材料，构建了超双疏表面和磁控低表面能液体弹珠。
棒晶束解离的凹凸棒石在纳米复合材料中的应用
凹凸棒石在纳米复合材料中还可以起到类似于混凝土中的“钢筋”作用。采用功能化的凹凸棒石作为交联剂，该课题组制备了凹凸棒石/聚丙烯酸纳米复合物水凝胶，实现了对铅离子的选择性吸附和多次重复使用；发展了室温条件下一步法制备粒状三维网络纳米复合水凝胶的新方法，实现了对阳离子染料的选择性吸附。
此外，他们还开展了凹凸棒石在纳米复合膜中的补强应用研究，在有机高分子薄膜中添加1-3%的凹凸棒石，就可显著提升复合膜的拉伸断裂强度，为凹凸棒石“味精式”应用奠定了基础。
·启东
参考来源：兰州化学物理研究所