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        淺析有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料中的應(yīng)用

        2021-11-30 06:19:06魏道清
        世界有色金屬 2021年21期
        關(guān)鍵詞:改性研究

        魏道清

        (河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院,河南 焦作 454000)

        金屬合金材料制備的整個(gè)流程中,無論是開始的單體制備,還是單體之間進(jìn)行聚合反應(yīng)形成金屬聚合物等每一個(gè)步驟之中,均存在十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)(尤其是有機(jī)化學(xué)變化),并且在該過程中應(yīng)用到了許多先進(jìn)的技術(shù)[1]。因此,有學(xué)者說有機(jī)化學(xué)的發(fā)展是金屬合成材料技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力,需要加大探索有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料應(yīng)用進(jìn)的力度,保障合成材料能夠更好地服務(wù)于全社會(huì)[2]。

        1 有機(jī)化學(xué)與金屬合成材料簡(jiǎn)介

        1.1 有機(jī)化學(xué)

        有機(jī)化學(xué)作為化學(xué)研究中與實(shí)際生活生產(chǎn)最為接近的一個(gè)分支,主要研究碳化合物的組成、制備使用、降解等。在有機(jī)合成方面,從仿制自然界曾經(jīng)出現(xiàn)過的有機(jī)物如[3]:尿素、有機(jī)酸、磺胺類化合物、胰島素等的合成制備,因此,有機(jī)化學(xué)創(chuàng)造出自然界從未出現(xiàn)過的有機(jī)化合物。在有機(jī)化學(xué)中常見的反應(yīng)按照反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類,可分為四大類:①離子反應(yīng)(親核反應(yīng)和親電反應(yīng))②自由基反應(yīng)(又稱游離基反應(yīng)均裂反應(yīng))③協(xié)同反應(yīng)(反應(yīng)過程主要是化學(xué)鍵的斷裂與重新生成)④金屬有機(jī)反應(yīng)(主要研究含有M-C鍵即金屬-化合物鍵的物質(zhì))。有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理主要是官能團(tuán)之間的對(duì)其支鏈集團(tuán)的爭(zhēng)奪。有機(jī)高分子材料的制備是通過有機(jī)化學(xué)反應(yīng)制成有機(jī)小分子材料,然后通過聚合反應(yīng)鏈接成千上萬的小分子,進(jìn)而形成高分子合成材料[4]。

        1.2 金屬合成材料

        金屬有機(jī)合成材料(MOFs)是一種大概20世紀(jì)初開始興起的、并且發(fā)展迅猛的一類新型納米級(jí)材料。由于其獨(dú)特的性質(zhì)和極其出色的理化性質(zhì),MOFs已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。另一方面金屬有機(jī)金屬合成材料在分析和分離方面也有廣泛的應(yīng)用,因此,磁性金屬合成材料在環(huán)境保護(hù)以及分析檢測(cè)等方面有著重要的研究意義,研究前景十分良好[5]。MOFs材料是多種學(xué)科結(jié)合產(chǎn)生的一種新型納米級(jí)材料,其是在沸石和碳納米管出現(xiàn)之后的又一種新型優(yōu)越材料,它的研究結(jié)合了結(jié)構(gòu)化學(xué)以及材料化學(xué)等學(xué)科,該領(lǐng)域是目前的熱點(diǎn)研究之一,其發(fā)展前景良好[6]。MOFs材料是由含O、N等有機(jī)配體與過渡金屬離子自動(dòng)結(jié)合而形成的配位體。其實(shí)早在幾十年前,很多學(xué)者就開始投入對(duì)金屬合成材料的研究,而且最早的金屬有機(jī)合成材料也被成功的合成出來,但是由于當(dāng)時(shí)金屬合成的材料還有很多問題,導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致其很難儲(chǔ)存,而且在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),存在安全風(fēng)險(xiǎn)。除此之外,當(dāng)時(shí)合成的材料,它的孔隙率也非常低,比表面積也不是很大,更達(dá)不到納米級(jí),導(dǎo)致應(yīng)用價(jià)值不大。因此,需要合成新型的金屬材料,以此克服這些問題[7]。

        2 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料中的應(yīng)用

        2.1 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料單體中的特點(diǎn)

        這是近些年新興的吸附材料,當(dāng)然它的作用不止吸附,還有儲(chǔ)備氣體,做光學(xué)材料等等,本文闡述改材料的吸附性。金屬材料有的尺寸很小,甚至達(dá)到納米級(jí),而且本身又具有很多的孔隙,這是其具有良好吸附性的主要原因。本文認(rèn)為,其好比一個(gè)體積為1的正方體,其表面積為6,將它分為八個(gè)等大的正方體,每個(gè)的邊長(zhǎng)也就是0.5,它的體積雖然還是1,但是表面積卻變成了12,由此可以推論出把它的體積變得越小,其整體的表面積之和越大,進(jìn)而比表面積更大,并且其具有良好的孔隙率,這些因素決定了其是一種良好的吸附劑。

        現(xiàn)在納米級(jí)金屬有材料已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,越來越多種類的金屬有機(jī)骨架材料被制備出,它的吸附性也越來越好,本文實(shí)驗(yàn)所制備的也是一種納米級(jí)磁性金屬合成材料來完成。

        2.2 有機(jī)化學(xué)在金屬材料改性方面的應(yīng)用

        當(dāng)前,在有機(jī)金屬合金領(lǐng)域的研究關(guān)于單體方面的研究已經(jīng)漸入瓶頸,現(xiàn)在越來越把研究重心轉(zhuǎn)向?qū)τ袡C(jī)金屬合金材料的改性方面。

        通過相應(yīng)的物理方法或者化學(xué)方法使得有機(jī)金屬合金材料的原有性能發(fā)生極大的變化,該方法被稱為有機(jī)金屬合金材料的改性,顯然有機(jī)金屬合金材料改性可分為物理改性和化學(xué)反應(yīng)。

        常見的物理改性如上文提到的聚乙烯摻入聚丙烯的共聚-共混法,以此提高聚丙烯材料的抗沖擊強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)改性較為常見,一般通過有機(jī)化學(xué)反應(yīng)(如共聚反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng))改變有機(jī)金屬合金材料的主鏈結(jié)構(gòu)或者是空間立體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)金屬合金材料性質(zhì)的變化。

        纖維素的基本組成部分為葡萄糖,每個(gè)單體葡萄糖的組成中有三個(gè)烴基,這三個(gè)烴基極為活躍,參與很多葡萄糖反應(yīng)。

        因此,在對(duì)纖維素進(jìn)行改性的時(shí)候,針對(duì)烴基進(jìn)行研究。對(duì)烴基進(jìn)行各種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)反應(yīng)是纖維素改性的重點(diǎn)研究方向。例如,通過對(duì)烴基進(jìn)行硝化得到在軍用和民用兩大領(lǐng)域軍應(yīng)用廣泛的硝化纖維,其可用于生產(chǎn)乒乓球、膠片和軍用炸藥等等。改性纖維素的應(yīng)用范圍十分廣泛,并且在環(huán)保領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注,同時(shí),其逐漸延伸到更高附加值的藥品制備領(lǐng)域。相信在有機(jī)化學(xué)的助力下,改性纖維素的發(fā)展前景越來越得到重視。

        2.3 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料合成技術(shù)方面的應(yīng)用

        2.3.1 自由基

        自由基在合成金屬合成材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,主要用于各種烯類物質(zhì)的聚合反應(yīng)[8]。由自由基聚合反應(yīng)得到的金屬合成材料大都為線性化合物。例如,金屬材料中的超濾膜制備必須使用自由基聚合方法進(jìn)行制備?;钚?可控自由基聚合是目前較為前沿的自由基聚合研究領(lǐng)域。

        在自由基聚合反應(yīng)中如何控制鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移四個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)過程是有機(jī)化學(xué)研究的重點(diǎn),目前活性/可控自由基聚合技術(shù)已經(jīng)在一定程度上對(duì)鏈引發(fā)和鏈終止環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,在這個(gè)過程中必須保持對(duì)反應(yīng)液的活性進(jìn)行控制,但活性/可控自由基聚合技術(shù)僅對(duì)簡(jiǎn)單地高分子化合物進(jìn)行制備。

        同時(shí),適當(dāng)加入一些合適的引發(fā)劑,提高反應(yīng)效果,因此,對(duì)于引發(fā)劑的選擇有一定的要求。引發(fā)劑在金屬元素聚合過程中不僅要起到催化的作用,也要分解產(chǎn)生自由基以保證反應(yīng)液的活性。

        2.3.2 聚合反應(yīng)

        聚合反應(yīng)是由一種或者幾種單體通過共價(jià)鍵互相連接,從而呈現(xiàn)出線形、分支形或其他特殊空間結(jié)構(gòu)的高分子化合物。聚合反應(yīng)主要有單體的聚合反應(yīng)和大分子的聚合反應(yīng),按照反應(yīng)的具體形式可分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)??s聚反應(yīng)中往往含有官能團(tuán),其主要通過官能團(tuán)之間的縮水反應(yīng)進(jìn)行聚合,在這一過程中有一些其他小分子產(chǎn)生。

        3 結(jié)語

        有機(jī)金屬合成材料的飛速發(fā)展,為我們的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供了極大的支持。在機(jī)械領(lǐng)域,隨著有機(jī)化學(xué)對(duì)金屬合成材料的積極影響,其具有更高強(qiáng)度和更高壽命的金屬合成材料已經(jīng)逐步開始逐漸替代其他合成材料。同時(shí),在環(huán)保領(lǐng)域,隨著部分金屬合成合成材料使用的弊端顯現(xiàn)(含有污染物質(zhì)類似于硫、在自然環(huán)境中極難降解等等)為金屬合成材料地發(fā)展和應(yīng)用帶來挑戰(zhàn),因此,綠色環(huán)保、可降解和可重復(fù)利用的環(huán)保有機(jī)金屬合成材料的研制迫在眉睫,該問題對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展提出了更高的要求。相信日后有機(jī)化學(xué)在金屬材料合成中,無論是對(duì)單體材料制備、高分子材料改性、自由基與聚合反應(yīng)機(jī)理研究等均將為金屬合成材料的進(jìn)步提供更大助力。

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