水滑石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及市場(chǎng)應(yīng)用介紹.doc

1 水滑石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)水滑石是一類具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的無機(jī)化合物結(jié)晶體，化學(xué)名稱為堿式碳酸鎂、鋁水合物，英文名稱為Hydrotalcite。自然界中所見到的自然狀態(tài)的水滑石，數(shù)量很少，僅在俄羅斯、挪威等少數(shù)地區(qū)以礦物形式存在。由于此類化合物有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)，各國(guó)用化學(xué)合成方法，相繼投人科研力量，研制出百余種結(jié)構(gòu)不同的水滑石，其中一些品種已經(jīng)投入工業(yè)化生產(chǎn)。水滑石作為新穎的化工產(chǎn)品，在化學(xué)工業(yè)、塑料工業(yè)、醫(yī)藥業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。水滑石結(jié)構(gòu)與水鎂石Mg(OH)2結(jié)構(gòu)相似，由MgO6八面體組成菱形單元層，由于Mg與AL離子半徑相近，層板上Mg與AL離子相間排列，Mg與AL層帶正電荷，兩側(cè)為帶負(fù)電的OH-層，再外側(cè)為碳酸根與H20層。水滑石受熱時(shí)，低于200，僅釋放少量結(jié)晶水；在280左右，釋放的都是游離水(結(jié)晶水)；高于350時(shí)，丟失水及碳酸根離子轉(zhuǎn)化的C02；直到450左右，丟失的都是水和C02。低于500，分解過程仍是可逆的。水滑石熱分解曲線如圖1所示。圖 1: 水滑石熱分解曲線應(yīng)用于農(nóng)膜的水滑石要求顆粒度較小，理想狀態(tài)是球型結(jié)構(gòu)，目前生產(chǎn)合成水滑石的公司和專利較多，專利和專論文獻(xiàn)每年有百篇，其中報(bào)道較多的常用水滑石分子式見表1.水滑石結(jié)構(gòu)中還可含有其他金屬離子，因此水滑石是一類化合物，它的主要性質(zhì)和特征相同，結(jié)構(gòu)和性能是有差異的。2 水滑石在農(nóng)用薄膜中的作用水滑石在農(nóng)膜中的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)：增透、緩釋、保溫、與光穩(wěn)定劑有協(xié)同和熱穩(wěn)定作用等，使水滑石與其他緩釋劑相比有顯著的優(yōu)越性。2.1 水滑石的增透作用在農(nóng)膜中透光性能可用兩個(gè)概念來表述：透光率和透明度。透光率是透過農(nóng)膜光線的光通量與入射光的光通量之比(用來表示)，透射光包括直射光和散射光。透明度是直射光的透過能力，不包括散射光，一般用霧度來表示。霧度是偏離入射光方向的散射光光通量與透過光光通量之比。因此，霧度大也就是透明度不高。冬季，為了提高塑料大棚內(nèi)的溫度，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，我國(guó)北方地區(qū)希望使用透光性能好、霧度低的農(nóng)膜來鋪設(shè)，主要用于反季節(jié)栽培的日光溫室。水滑石在農(nóng)膜中增透作用通過三個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：增加結(jié)晶晶核、減小水滑石顆粒尺寸、相近的折光率。2.1.1 結(jié)晶晶核農(nóng)膜中樹脂以結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)(無規(guī)狀態(tài))存在。光線在無規(guī)樹脂中不發(fā)生折射，所以透光率高。PVC樹脂是無規(guī)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度5-10，透光率90。聚烯烴樹脂結(jié)晶度高，透光率不如PVC樹脂。農(nóng)膜常用樹脂透光率對(duì)比如下：PVCEVALDPELLDPE農(nóng)膜中樹脂結(jié)晶度越高，結(jié)晶尺寸越大，材料非均相結(jié)構(gòu)越明顯，入射光的折射損耗越大，造成農(nóng)膜的霧度高、透明度低。樹脂中加入水滑石，由于其尺寸小、數(shù)量大，相當(dāng)于在樹脂中增加結(jié)晶中心，起著類似成核劑的作用，使薄膜中晶體數(shù)量增加、尺寸減小，減少光的折射，增加薄膜的透光性。2.1.2水滑石顆粒尺寸水滑石顆粒尺寸一般較小，例如水滑石HT-P的平均粒徑98以上1m，1003m。一般的緩釋劑粒徑大，使入射光受到阻隔，增加了霧度。面水滑石則因粒徑小，對(duì)光線阻隔比其他緩釋劑少得多，因此霧度小。表2列出了各種緩釋劑的平均粒徑。2.1.3 相近的折光率光線射入農(nóng)膜中，遇到固體顆粒(包括樹脂晶體)，都會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。不透明的顆粒阻礙光線通過，產(chǎn)生反射和漫散射；透明顆粒由于折光率不同會(huì)產(chǎn)生折射，如果折光率與樹脂相近似，折光現(xiàn)象小，通過農(nóng)膜的光線損耗小，提高了農(nóng)膜的透光性能。由于水滑石與PE樹脂折光率相近，在農(nóng)膜中添加水滑石，產(chǎn)生的折光現(xiàn)象較小，使農(nóng)膜的透光性能高于其他緩釋劑。各種緩釋劑及LDPE的折光率見表3。2.2 水滑石的緩釋作用水滑石是無機(jī)化合物結(jié)晶體，具有顆粒尺寸小、表面積大的特性，因?yàn)槠浔砻娉识嗫捉Y(jié)構(gòu)，所以具有較大的吸油能力(見表4)，對(duì)農(nóng)膜中流滴劑有緩釋作用。2.3 水滑石的保溫作用影響保溫的因素有二個(gè)：增加入射光，減少輻射熱。與其他保溫劑相比，加入水滑石的薄膜透光率高，白天增加棚內(nèi)入射光線，提高了柵溫。晚上，由于水滑石紅外線透過率低，降低了輻射熱的損失，增加了農(nóng)膜的保溫性能。通過對(duì)圖5、圖6中兩個(gè)物質(zhì)紅外線透過宰相比較，看出水滑石的紅外線透過率明顯小于滑石粉。在夜晚時(shí)，含有水滑石的薄膜紅外線輻射熱損失較少，因此，比用加有滑石粉的薄膜時(shí)棚內(nèi)溫度高。表5列出各種緩釋劑紅外線透過率，表中顯示水滑石的紅外線透過率最低，含有水滑石的薄膜的保溫性能最好。 2.4 光穩(wěn)定協(xié)同作用水滑石能吸附薄膜中酸性基團(tuán)，使光穩(wěn)定劑免受酸性基團(tuán)的攻擊，保護(hù)了光穩(wěn)定劑。水滑石的層狀結(jié)構(gòu)能夠吸附重金屬離子，降低了薄膜的降解作用，因此水滑石與光穩(wěn)定劑有協(xié)同作用。2.5 熱穩(wěn)定作用水滑石能夠吸附酸性基團(tuán)，在PVC中起熱穩(wěn)定劑作用，與其他熱穩(wěn)定劑有協(xié)同作用。水滑石能夠吸附酸性陰離子，如Cl-、亞硫酸根離子使樹脂熱穩(wěn)定性提高。水滑石在工業(yè)中的應(yīng)用也極其廣泛，由于實(shí)際中應(yīng)用的時(shí)間較短，許多用途還沒有得到開發(fā)。水滑石具有高度安全性，通過美國(guó)FDA標(biāo)準(zhǔn)，適宜于食品包裝。與樹脂的相容性好，可適用于硬質(zhì)樹脂、纖維、彈性體和所有共聚物。3 加工方法水滑石的應(yīng)用與其他保溫緩釋劑相同。首先把水滑石、流滴劑、消霧劑等助劑制成母粒，在吹膜時(shí)把母粒與基礎(chǔ)樹脂混合均勻后，通過吹膜機(jī)制成農(nóng)膜。母粒制造一般采用兩種方法：高速混合雙螺桿擠出；混煉(密煉)單螺桿擠出。高速混合雙螺桿擠出造粒與常用色母粒制造設(shè)備相同，混煉(密煉)單螺桿擠出造粒是利用加熱及摩擦熱使樹脂和助劑在混煉機(jī)內(nèi)達(dá)到半熔融狀態(tài)，混合時(shí)間比雙螺桿增加十幾倍，不斷地翻滾物料，助劑能在基礎(chǔ)樹脂中得到充分分散，效果較佳。母粒生產(chǎn)時(shí)注意事項(xiàng)：(1)如圖所示，水滑石熱分解曲線有兩個(gè)峰，第一個(gè)峰溫度較低，在280左右，由于摩擦熱可能造成局部過熱，使水滑石有少量分解，在吹膜時(shí)使薄膜中含有氣泡；(2)水滑石吸濕性強(qiáng)，容易吸附空氣中水蒸氣，水使薄膜中產(chǎn)生氣泡；(3)制造母粒時(shí)，切粒應(yīng)采用機(jī)頭熱切方法，不能采用機(jī)頭水冷切粒及拉條水冷切粒方法，否則在吹膜中將帶人大量氣泡；(4)應(yīng)用水滑石作為緩釋劑，增加了物料的粘附力，使擠出及吹膜時(shí)會(huì)困難較大，在三層共擠時(shí)，有時(shí)采用在中層添加水滑石，減少吹膜時(shí)薄膜與夾板的摩擦阻力。4 應(yīng)用實(shí)例水滑石在農(nóng)膜中應(yīng)用實(shí)例，在科技文獻(xiàn)和專利文獻(xiàn)中已有許多報(bào)道，這里僅舉幾個(gè)典型的例子。4.1 在EVA農(nóng)膜中的應(yīng)用日本三菱化成公司JP 01 009 251。(1)農(nóng)膜配方EVA 100山梨糖醇單硬脂酸酯 1.0紫外線吸收劑UV-531 0.1水滑石 1.0磷酸酯 0.2(2)效果0.1mm農(nóng)膜具有極好的透光性和耐候性。4.2 在LDPE三層共擠農(nóng)膜中的應(yīng)用(1)內(nèi)層、外層配方LDPE 100山梨糖醇單硬脂酸酯 1.5雙硬脂酸雙甘油酯 0.6硬脂酸單甘酯 0.4(2)中層配方LDPE 100水滑石 20(3)效果透光率在長(zhǎng)期使用后下降很少，結(jié)果見表6。5 水滑石的市場(chǎng)和發(fā)展前景水滑石用于塑料大棚膜，國(guó)內(nèi)早有人嘗試過，但效果不理想。近年來，由于對(duì)水滑石的認(rèn)識(shí)加深，國(guó)內(nèi)幾個(gè)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的塑料加工企業(yè)，對(duì)加工工藝作了改進(jìn)，生產(chǎn)出透光率高、霧度低、保溫性好的大棚膜