高岭土插层材料的制备和荧光性质研究

1.高岭土的概述

高岭土是一种1:1型层状硅酸盐，其有机插层复合物既具有粘土矿物特有的吸附性、分散性、流变性、多孔性和表面酸性，又具有插层剂官能团的反应活性。作为新型的复合材料，在高性能聚合物基复合材料、高性能有机纳米陶瓷、非线性光学材料、功能材料等方面有着广泛的应用前景。高岭石是最着名的粘土矿物之一。具有理论分子式Al2Si2O5（OH）4的高岭石以及7.1和环的基础层间距; 是属于四面体八面体（TO）类型的粘土矿物。它是一种典型的1：1粘土矿物，由沿着c轴的四面体二氧化硅（Si-O）片和八面体氧化铝（Al-OH）片组成。四面体片与八面体片共享一层氧原子，并且这两片通过共价键紧密结合在一起。因此，在插入高岭土之前必须克服氢键的能垒，并且只有有限数量的极性有机分子可以直接插入，如二甲基亚砜（DMSO），尿素（U），二甲基甲酰胺（DMF），N-甲基甲酰胺（NMF）等。^1,4

2.高岭土的应用

目前高岭土有机插层领域的研究多集中在复合物的制备及结构分析方面，插层机理仍不清楚，对于插层复合物的结构及插层剂分子在层间的形态仍存在着广泛的争议，主要是因为插层反应达到平衡所需时间较长，对插层过程的研究存在困难。

由于高岭土的优良性能，其被广泛应用于造纸、橡胶、塑料、涂料、油墨等领域。用高岭土作填充剂制成的塑料，表面光洁，色泽鲜丽，尺寸稳定，并能改善某些塑料的分散性能；高岭土作橡胶的填充剂，可以改善橡胶的强度和耐磨性能。更为重要的是，高岭土的晶格结构较蒙脱土更为完美，晶格中杂质更少，层间很少存在吸附水和可交换离子，因而具有更好的结构稳定性。这对于制备得到高性能的无机/有机纳米复合材料是非常重要的。其层间的非对称结构又使得其插层复合物能做为性能优良的功能材料而得以应用。因此开展高岭土有机插层纳米复合材料的研究具有非常重大的现实意义。^9,10

3.镧系元素的概述

镧系元素通常是银白色有光泽的金属，比较软，有延展性并具有顺磁性。镧系元素的化学性质比较活泼。新切开的有光泽的金属在空气中迅速变暗，表面形成一层氧化膜，它并不紧密，会被进一步氧化，金属加热至200～400℃生成氧化物。金属与冷水缓慢作用，与热水反应剧烈，产生氢气，溶于酸，不溶于碱。金属在200℃以上在卤素中剧烈燃烧，在1000℃以上生成氮化物，在室温时缓慢吸收氢，300℃时迅速生成氢化物。镧系元素是比铝还要活泼的强还原剂，在150～180℃着火。镧系元素最外层（6S)的电子数不变，都是2。而镧原子核有57个电荷，从镧到镥，核电荷增至71个，使原子半径和离子半径逐渐收缩，这种现象称为镧系收缩。由于镧系收缩，这15种元素的化合物的性质很相似，氧化物和氢氧化物在水中溶解度较小、碱性较强，氯化物、硝酸盐、硫酸盐易溶于水，草酸盐、氟化物、碳酸盐、磷酸盐难溶于水。包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，它们都是稀土元素的成员。所有镧系元素既能生成化学性质类似的三价化合物，个别镧系元素也能生成比较稳定或不很稳定的四价或二价化合物，所以15个元素的化学性质并不完全相似，在光学、电磁学等物理性质也有较大的差别。¹¹

镧系元素-吡啶羧酸（吡啶甲酸）配合物是重要的是开发在光电子学，激光，发光标签，荧光探针，发光传感器，光转换分子器件（LCMD），有机发光器件（OLED），荧光灯和阴极射线管中的应用的先进的发光材料作为等离子显示面板（PDP）。镧系元素-芳香羧酸酯络合物由于天线效应而显示有趣的光物理性质; 也就是说，络合物中的有机配体比分离的有机配体更强烈地吸收能量。但是，这些配合物表现出低的热稳定性和化学稳定性。使得更稳定的镧系元素-芳族羧酸盐的一种策略是将其固定在无机基质上。杂化材料通过改性获得的表面粘土矿物与发光有机配合物已经引起了几位科学家的注意，因为所得到的材料具有在分离的有机配合物中不存在的新性质和功能。层状粘土可以通过发光有机复合物通过分子间作用力的插层来改变。或者，这些粘土的层间空间可以通过共价键合用发光有机络合物官能化。嵌入和功能化过程都产生纳米级别的有序组装。¹²

4.高岭土有机插层机理