有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合水凝膠的合成及性能研究.pdf

1、本文選用陽離子聚丙烯酰胺為插層劑，在遠(yuǎn)大于膨潤土陽離子交換容量的用量下，通過單體插層聚合法和聚合物溶液直接插層法，分別制備了陽離子聚丙烯酰胺/膨潤土納米復(fù)合物，之后進(jìn)行淀粉接枝丙烯酸的交聯(lián)聚合反應(yīng)得到互穿和半互穿結(jié)構(gòu)兩種兩性納米插層復(fù)合水凝膠。所得凝膠具有良好的溶脹能力與凝膠強(qiáng)度。在99.6％高含水量下，單體插層聚合法制備的凝膠強(qiáng)度是聚合物溶液直接插層法的2倍，可達(dá)28.9KPa；最大溶脹倍率也優(yōu)于后者，可達(dá)1010g/g。實(shí)驗(yàn)分別就兩

2、種合成方法下不同反應(yīng)條件，包括引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量、丙烯酸用量和粘土含量等因素，對(duì)所形成凝膠的溶脹性能以及聚合體系溫度的影響進(jìn)行了全面考察，并通過FTIR、XRD、TEM等分析手段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和插層效果進(jìn)行了表征，同時(shí)通過凱式定氮、分子量等測(cè)定對(duì)樣品進(jìn)行了定量表征，從而很好地解釋了兩性納米插層復(fù)合水凝膠具有優(yōu)良性能的原因，以及兩種不同合成方法下水凝膠表現(xiàn)出的性能差異。為進(jìn)一步提高兩性納米插層復(fù)合水凝膠的溶脹速率，本文通過加入尿素作為制孔

3、劑，利用其水溶液在高溫下分解產(chǎn)生CO2和NH3的原理制孔，避免了常用碳酸鹽類制孔劑對(duì)pH、孔發(fā)生時(shí)間和凝膠化時(shí)間等條件的特殊要求，從而使制孔變得簡單易行，且吸液性能和吸液速率均得到明顯改善，其中溶脹倍率較未加尿素(加熱)時(shí)所得凝膠提高了約1倍，而吸液速率提高了40倍左右。實(shí)驗(yàn)考察了尿素用量、加熱速率、不同洗滌方式和干燥方式等因素對(duì)溶脹性能的影響，并對(duì)吸液動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探討。 基于陽離子聚電解質(zhì)對(duì)膨潤土的良好插層以及作為最終水凝膠的

4、半互穿組分對(duì)溶脹和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，本文又選用水溶性好、電荷密度高，合成方法簡單的聚二甲基二烯丙基氯化銨作為插層劑，通過聚合物溶液插層法，制備了剝離型的聚二甲基二烯丙基氯化銨/膨潤土納米復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)考察了不同聚合溫度、引發(fā)劑用量和單體濃度等聚合條件對(duì)聚二甲基二烯丙基氯化銨分子量及插層效果的影響，并通過FTIR、XRD、TEM等分析手段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和插層效果進(jìn)行了表征。在制得剝離復(fù)合物基礎(chǔ)上，通過淀粉接枝丙烯酸的交聯(lián)聚合反應(yīng)得到半互穿結(jié)構(gòu)兩性

5、納米復(fù)合水凝膠。就不同反應(yīng)條件，包括引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量、反應(yīng)溫度、丙烯酸用量和聚二甲基二烯丙基氯化銨用量等因素，對(duì)所形成凝膠的溶脹性能的影響進(jìn)行了考察。并測(cè)試了兩性納米復(fù)合水凝膠對(duì)pH、鹽種類和鹽濃度的響應(yīng)性和凝膠強(qiáng)度。結(jié)果證明，兩性半互穿和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了水凝膠的溶脹性能與機(jī)械強(qiáng)度。與傳統(tǒng)水凝膠相比，其凝膠強(qiáng)度提高了1倍以上，在99.2％的含水量下，可達(dá)28.2KPa，且在廣泛的pH范圍內(nèi)仍能保持較高的溶脹倍率。 采用相

6、似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，本文選用無機(jī)硅來構(gòu)建聚丙烯酸/SiO2納米雜化復(fù)合水凝膠。分別以水溶性的3-氨丙基三乙氧基硅烷和硅酸鈉為硅源，用sol-gel方法合成無機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)進(jìn)行丙烯酸的交聯(lián)聚合反應(yīng)構(gòu)建有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，最終得到雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚丙烯酸/二氧化硅納米雜化復(fù)合水凝膠。用HF處理凝膠樣品，并與處理前凝膠對(duì)比，通過TEM觀察SiO2在凝膠中的分散形式，取得了較好的效果。結(jié)果表明：以3-氨丙基三乙氧基硅烷為硅源形成的SiO2粒子約為100nm左右，

7、分散在有機(jī)聚合物網(wǎng)絡(luò)中，凝膠表現(xiàn)出良好的壓縮強(qiáng)度和溶脹能力，在99.1％含水量下，凝膠強(qiáng)度可達(dá)59.0KPa，最大溶脹倍率為1084.7g/g，且溶脹后的凝膠仍具有一定的拉伸性；而以硅酸鈉為硅源得到的納米雜化復(fù)合水凝膠呈現(xiàn)以SiO2為核，交聯(lián)聚丙烯酸為殼的核殼式結(jié)構(gòu)，凝膠最大溶脹倍率可達(dá)1252.7g/g。凝膠的硬度很好，且耐鹽性突出：當(dāng)含水量為99.1％時(shí)，凝膠強(qiáng)度達(dá)45.6KPa。當(dāng)NaCl溶液濃度由0.9％提高到1.8％時(shí)，凝膠溶