摘要
坡缕石，又名凹凸棒石，是一种天然的黏土矿物。由于在自然界中风化沉积，天然的坡缕石中常含有许多伴生矿，其中石英最为常见。此外，由于静电和范德华力相互作用，天然坡缕石的纳米结构更倾向于以晶体束或聚集体的形式存在。显然，伴生矿物的存在和棒状晶体的聚集均会抑制坡缕石的纳米载体特性。因此，研究坡缕石的纯化和棒状聚集体的解离对于提高载体材料在其纳米纤维结构上的分散性具有重要的意义。本文以纯化和解离后的坡缕石为载体制备了一系列的复合材料，其中主要包括四氧化三铁，聚苯胺，碳黑以及相互组合的复合材料。系统地研究了坡缕石在复合材料体系中的作用，并证实了坡缕石在电磁吸收与污水处理中具有强大的载体应用性。具体如下: (1)通过使用湿法球磨工艺，系统地考察了球料比对坡缕石的晶体结构，微观形貌和孔结构的影响。结果表明，在湿法球磨过程中，低速离心处理可以有效地去除坡缕石中的石英砂杂质。经低球料比作用后，坡缕石的部分棒晶束趋于蓬松化，棒晶之间的孔隙增加。而高球磨力的作用会导致坡缕石棒晶折断甚至无定型化。此外，在整个湿法球磨过程中坡缕石的晶体结构始终保持不变。其中球料比为1∶2时，坡缕石的晶束得到了最大程度的解离，同时保持了棒晶固有的长径比。与天然坡缕石相比，纯化和解离后坡缕石的比表面积，微孔体积和微孔面积分别从206.87m2/g，0.0347cm3/g，76.07m2/g增加到255.03m2/g，0.0502cm3/g和109.42m2/g。高的比表面积和高度分散的纳米棒晶将极大发挥坡缕石的载体性能。 (2)以纯化的坡缕石为载体，六水氯化铁为前驱体，经水热反应后得到Pal/Fe3O4纳米复合材料，并首次将Pal/Fe3O4纳米复合材料应用在电磁吸收领域。结果显示，坡缕石的引入有效地阻止了Fe3O4纳米粒子的自由聚集。通过控制坡缕石和Fe3O4的质量比，可调控纳米磁性粒子在坡缕石棒状结构上的分散度。当坡缕石和Fe3O4的质量比为1∶2时，纳米复合材料的比表面积从10.29m2/g增大到了40.73m2/g。由于界面极化的增强，Pal/Fe304纳米复合材料展现了较好的反射损耗，在4.80GHz下达到-40.41dB，并且有效吸收频率覆盖了整个2-18GHz范围。 (3)采用水热法和原位聚合法相结合，制备了ATP/Fe3O4/PANI复合材料。由于坡缕石的阳离子交换机理和丰富的硅醇(Si-OH)基团，复合材料呈现出蓬松的珊瑚状结构。随着坡缕石含量的增加，ATP/Fe3O4/PANI复合材料的比表面积由21.14m2/g增加到了29.69m2/g。由于增强的界面作用，磁损耗和介电损耗的协调机制以及改进的阻抗匹配，ATP/Fe3O4/PANI的最佳反射损耗达到-62.45dB，有效吸收带宽为5.05GHz。因此，本研究开发了一种廉价的纳米颗粒分散框架，并提出了坡缕石的新应用。 (4)采用葡萄糖水热法在坡缕石表面包覆一层碳，形成坡缕石/碳(Pal/C)复合材料，并以此为载体，通过原位聚合负载聚苯胺，得到球壳形坡缕石/碳/聚苯胺(Pal/C/PANI)三元复合材料。在整个合成过程中，坡缕石起到骨架和分散剂的作用，有效地防止了碳和聚苯胺的纳米团聚。这种丰富的界面，双介电材料的协调以及良好的微波衰减能力使得Pal/C/PANI复合材料展现了强大的电磁吸收效应。通过调节Pal/C的含量来优化三元复合材料电磁吸收性能。其中Pal/C/PANI-3样品在6.24GHz时的最佳反射损耗为-74dB，最大有效吸收带宽为4.96GHz。这种轻质的复合材料可以作为高性能的微波吸收剂。 (5)以高表面积的纯坡缕石为载体，与葡萄糖水热反应后制备出Pal/C复合材料。最后以氯化锌作为活化剂制备出多孔的Pal/C复合材料。该研究主要考察了活化剂的用量和活化温度对多孔Pal/C的晶体结构，微观形貌，比表面积和吸附性能的影响。XRD和SEM的结果表明在活化过程中，坡缕石的晶体结构被破坏，不规则的多孔碳结构紧密依附在坡缕石的骨架上。在活化温度为400℃，浸渍比为2∶1时，活化样品的比表面积达到最大值1497.88m2/g，总孔体积和微孔体积分别为1.0355和0.5464cm3/g。该样品对浓度为100mg/L，体积为80mL的亚甲基蓝溶液去除率达到95.26％，吸附容量高达381.04mg/g。这种廉价且高性能的多孔Pal/C复合材料在污水处理中将有很好的应用潜能。
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