水滑石的结构和性质以及市场应用介绍讲解学习

水滑石的结构和性质以及市场应用介绍

1 水滑石的结构和性质

水滑石是一类具有特殊结构和性能的无机化合物结晶体，化学名称为碱式碳酸镁、铝水合物，英文名称为Hydrotalcite。自然界中所见到的自然状态的水滑石，数量很少，仅在俄罗斯、挪威等少数地区以矿物形式存在。由于此类化合物有独特的性质和特点，各国用化学合成方法，相继投人科研力量，研制出百余种结构不同的水滑石，其中一些品种已经投入工业化生产。水滑石作为新颖的化工产品，在化学工业、塑料工业、医药业中得到广泛的应用。

水滑石结构与水镁石Mg(OH)2结构相似，由MgO6八面体组成菱形单元层，由于Mg与AL离子半径相近，层板上Mg与AL离子相间排列，Mg与AL层带正电荷，两侧为带负电的OH-层，再外侧为碳酸根与H20层。

水滑石受热时，低于200℃，仅释放少量结晶水；在280℃左右，释放的都是游离水(结晶水)；高于350℃时，丢失水及碳酸根离子转化的C02；直到450℃左右，丢失的都是水和C02。低于500℃，分解过程仍是可逆的。水滑石热分解曲线如图1所示。

图 1: 水滑石热分解曲线

应用于农膜的水滑石要求颗粒度较小，理想状态是球型结构，目前生产合成水滑石的公司和专利较多，专利和专论文献每年有百篇，其中报道较多的常用水滑石分子式见表1.

水滑石结构中还可含有其他金属离子，因此水滑石是一类化合物，它的主要性质和特征相同，结构和性能是有差异的。

2 水滑石在农用薄膜中的作用

水滑石在农膜中的应用有很多优点：增透、缓释、保温、与光稳定剂有协同和热稳定作用等，使水滑石与其他缓释剂相比有显著的优越性。

2.1 水滑石的增透作用

在农膜中透光性能可用两个概念来表述：透光率和透明度。透光率是透过农膜光线的光通量与入射光的光通量之比(用％来表示)，透射光包括直射光和散射光。透明度是直射光的透过能力，不包括散射光，一般用雾度来表示。雾度是偏离入射光方向的散射光光通量与透过光光通量之比。因此，雾度大也就是透明度不高。

冬季，为了提高塑料大棚内的温度，增加农作物产量，我国北方地区希望使用透光性能好、雾度低的农膜来铺设，主要用于反季节栽培的日光温室。

水滑石在农膜中增透作用通过三个途径来实现：增加结晶晶核、减小水滑石颗粒尺寸、相近的折光率。

2.1.1 结晶晶核

农膜中树脂以结晶态和非结晶态(无规状态)存在。光线在无规树脂中不发生折射，所以透光率高。PVC树脂是无规结构，结晶度5％-10％，透光率90％。聚烯烃树脂结晶度高，透光率不如PVC树脂。

农膜常用树脂透光率对比如下：

PVC>EVA>LDPE>LLDPE

农膜中树脂结晶度越高，结晶尺寸越大，材料非均相结构越明显，入射光的折射损耗越大，造成农膜的雾度高、透明度低。

树脂中加入水滑石，由于其尺寸小、数量大，相当于在树脂中增加结晶中心，起着类似成核剂的作用，使薄膜中晶体数量增加、尺寸减小，减少光的折射，增加薄膜的透光性。

2.1.2水滑石颗粒尺寸

水滑石颗粒尺寸一般较小，例如水滑石HT-P的平均粒径98％以上<1μm，100％<3μm。一般的缓释剂粒径大，使入射光受到阻隔，增加了雾度。面水滑石则因粒径小，对光线阻隔比其他缓释剂少得多，因此雾度小。表2列出了各种缓释剂的平均粒径。

2.1.3 相近的折光率

光线射入农膜中，遇到固体颗粒(包括树脂晶体)，都会发生折射和反射现象。不透明的颗粒阻碍光线通过，产生反射和漫散射；透明颗粒由于折光率不同会产生折射，如果折光率与树脂相近似，折光现象小，通过农膜的光线损耗小，提高了农膜的透光性能。

由于水滑石与PE树脂折光率相近，在农膜中添加水滑石，产生的折光现象较小，使农膜的透光性能高于其他缓释剂。各种缓释剂及LDPE的折光率见表3。

2.2 水滑石的缓释作用

水滑石是无机化合物结晶体，具有颗粒尺寸小、表面积大的特性，因为其表面呈多孔结构，所以具有较大的吸油能力(见表4)，对农膜中流滴剂有缓释作用。

2.3 水滑石的保温作用

影响保温的因素有二个：增加入射光，减少辐射热。与其他保温剂相比，加入水滑石的薄膜透光率高，白天增加棚内入射光线，提高了栅温。晚上，由于水滑石红外线透过率低，降低了辐射热的损失，增加了农膜的保温性能。

通过对图5、图6中两个物质红外线透过宰相比较，看出水滑石的红外线透过率明显小于滑石粉。在夜晚时，含有水滑石的薄膜红外线辐射热损失较少，因此，比用加有滑石粉的薄膜时棚内温度高。表5列出各种缓释剂红外线透过率，表中显示水滑石的红外线透过率最低，含有水滑石的薄膜的保温性能最好。

2.4 光稳定协同作用

水滑石能吸附薄膜中酸性基团，使光稳定剂免受酸性基团的攻击，保护了光稳定剂。水滑石的层状结构能够吸附重金属离子，降低了薄膜的降解作用，因此水滑石与光稳定剂有协同作用。

2.5 热稳定作用

水滑石能够吸附酸性基团，在PVC中起热稳定剂作用，与其他热稳定剂有协同作用。水滑石能够吸附酸性阴离子，如Cl-、亚硫酸根离子使树脂热稳定性提高。

水滑石在工业中的应用也极其广泛，由于实际中应用的时间较短，许多用途还没有得到开发。水滑石具有高度安全性，通过美国FDA标准，适宜于食品包装。与树脂的相容性好，可适用于硬质树脂、纤维、弹性体和所有共聚物。

3 加工方法

水滑石的应用与其他保温缓释剂相同。首先把水滑石、流滴剂、消雾剂等助剂制成母粒，在吹膜时把母粒与基础树脂混合均匀后，通过吹膜机制成农膜。母粒制造一般采用两种方法：

高速混合―双螺杆挤出；

混炼(密炼)―单螺杆挤出。

高速混合―双螺杆挤出造粒与常用色母粒制造设备相同，混炼(密炼)―单螺杆挤出造粒是利用加热及摩擦热使树脂和助剂在混炼机内达到半熔融状态，混合时间比双螺杆增加十几倍，不断地翻滚物料，助剂能在基础树脂中得到充分分散，效果较佳。

母粒生产时注意事项：

(1)如图１所示，水滑石热分解曲线有两个峰，第一个峰温度较低，在280℃左右，由于摩擦热可能造成局部过热，使水滑石有少量分解，在吹膜时使薄膜中含有气泡；

(2)水滑石吸湿性强，容易吸附空气中水蒸气，水使薄膜中产生气泡；

(3)制造母粒时，切粒应采用机头热切方法，不能采用机头水冷切粒及拉条水冷切粒方法，否则在吹膜中将带人大量气泡；

(4)应用水滑石作为缓释剂，增加了物料的粘附力，使挤出及吹膜时会困难较大，在三层共挤时，有时采用在中层添加水滑石，减少吹膜时薄膜与夹板的摩擦阻力。

4 应用实例

水滑石在农膜中应用实例，在科技文献和专利文献中已有许多报道，这里仅举几个典型的例子。

4.1 在EVA农膜中的应用

日本三菱化成公司JP 01 009 251。

(1)农膜配方

EVA 100

山梨糖醇单硬脂酸酯 1.0

紫外线吸收剂UV-531 0.1