水凝膠理論及表面強(qiáng)化交聯(lián)應(yīng)用研究.pdf

1、本文以Flory凝膠溶脹理論和Tanaka的水凝膠相變理論為基礎(chǔ)，引入交聯(lián)效率、物理交聯(lián)作用和鏈段伸展?fàn)顟B(tài)變化等的影響，修正并建立了水凝膠溶脹平衡熱力學(xué)模型和溫度-凝膠擴(kuò)散系數(shù)模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)溫敏性水凝膠和高吸水性樹脂存在問題，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出強(qiáng)化水凝膠表面交聯(lián)的新思路，對(duì)表面強(qiáng)化交聯(lián)溫敏性水凝膠和高吸水性樹脂的合成、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究。論文研究成果為水凝膠理論的發(fā)展和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。 針對(duì)水凝膠結(jié)構(gòu)和性能

2、基礎(chǔ)研究少，現(xiàn)有的熱力學(xué)模型不能真實(shí)地描述和直接預(yù)測(cè)水凝膠溶脹行為，論文在Flory-Rehner彈性自由能理論基礎(chǔ)上，首次引入交聯(lián)效率和物理交聯(lián)作用的影響，建立新的更為精確的水凝膠溶脹平衡熱力學(xué)模型。該模型能較好地仿真N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺(PNIPA-AM)共聚物水凝膠的平衡溶脹過程。基于Tanaka凝膠溶脹理論導(dǎo)出凝膠網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散系數(shù)，繼而研究擴(kuò)散系數(shù)與凝膠合成工藝條件的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：凝膠網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散系數(shù)隨交聯(lián)劑用量的增加先減后增，隨

3、引發(fā)劑用量的增加、或單體濃度的提高、或環(huán)境溫度的升高都單調(diào)地增大?？紤]到高分子鏈段在溶劑中伸展纏繞狀態(tài)的變化，建立了凝膠網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散系數(shù)—溫度模型，該模型能更精確地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在理論研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)常規(guī)水凝膠存在的響應(yīng)速度慢、吸水后力學(xué)強(qiáng)度低、耐鹽性較差等問題，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和入手，提出采用N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺/二乙烯苯(BIS/DVB)復(fù)合交聯(lián)劑進(jìn)行表面強(qiáng)化交聯(lián)的創(chuàng)意，優(yōu)化凝膠結(jié)構(gòu)，研究聚合工藝—凝膠結(jié)構(gòu)—性能之間的關(guān)

4、系，并合成了綜合性能優(yōu)化的溫敏性水凝膠和高吸水性樹脂。 1、采用紫外光譜技術(shù)與表面掃描電鏡觀察相結(jié)合，證實(shí)了樹脂表面強(qiáng)化交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在。研究發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)DVB加入時(shí)刻可控制強(qiáng)化交聯(lián)表層的厚度，親水性交聯(lián)劑BIS對(duì)樹脂凝膠分率的影響較親油性交聯(lián)劑DVB更為明顯。 2、通過反相懸浮法并采用親水/親油復(fù)合交聯(lián)劑(BIS和DVB)制備表面強(qiáng)化交聯(lián)的溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPA)樹脂，得到優(yōu)化的聚合工藝條件。PNIPA水凝

5、膠的低臨界溶解溫度(LCST)較采用單一交聯(lián)劑的低(32～34℃)、溫敏響應(yīng)時(shí)間短(100s左右)。PNIPA的濃縮分離性能研究發(fā)現(xiàn)：隨著溶質(zhì)聚乙二醇(PEG)分子量的增大或濃度的減小，分離效率提高；增加交聯(lián)劑BIS的用量，凝膠的溶脹率顯著降低，但分離效率增大；而增加DVB用量，凝膠的溶脹率變化不大，但分離效率大大增加。溶液法合成的N-異丙基丙烯酰胺-丙烯腈共聚物水凝膠具有明顯的溫敏性能，改變單體配比可調(diào)節(jié)凝膠的相變溫度，表面強(qiáng)化交聯(lián)處

6、理有效地提高了溫敏響應(yīng)速率。 3、采用復(fù)合交聯(lián)劑、反相懸浮聚合制備的表面強(qiáng)化交聯(lián)高吸水樹脂，具有較快的吸水速率，較高的凝膠強(qiáng)度，較好的反復(fù)吸放性和較優(yōu)的耐鹽性能。工藝條件對(duì)聚合穩(wěn)定性和樹脂吸水性能影響的規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合交聯(lián)劑濃度在0.02～0.03wt％范圍內(nèi)，隨著DVB濃度的增加，樹脂的吸水率和吸水速率同時(shí)提高；隨著分散劑的用量、油水比的增加，樹脂的平均粒徑減??；減小樹脂的粒徑能提高樹脂的吸水速率。當(dāng)BIS用量為0.02wt