聚丙烯酰胺-木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的制備與性能研究.pdf

1、本文選用天然高分子木質(zhì)素磺酸鹽(LGS)和丙烯酰胺為原料，制備了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，對(duì)其凝膠化過(guò)程，結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用進(jìn)行了研究。 在制備半互穿水凝膠之前，本文采用電導(dǎo)法首先研究了聚合條件對(duì)聚丙烯酰胺凝膠的動(dòng)力學(xué)的影響，并推導(dǎo)出凝膠動(dòng)力學(xué)模型以及相應(yīng)的凝膠反應(yīng)速率常數(shù)。結(jié)果表明，隨著溫度的升高和交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑用量增大，凝膠化速率增大，從而縮短凝膠化時(shí)間。推導(dǎo)出聚丙烯酰胺凝膠動(dòng)力學(xué)過(guò)程是一個(gè)由零級(jí)、一級(jí)

2、和二級(jí)組成的多級(jí)反應(yīng)過(guò)程，但主要是零級(jí)反應(yīng)。零級(jí)反應(yīng)速率的大小受聚合溫度、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑濃度的影響，其中交聯(lián)劑用量的改變對(duì)零級(jí)反應(yīng)速率的大小影響最為明顯。 進(jìn)而通過(guò)電導(dǎo)法和粘度法揭示了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿水凝膠的凝膠化過(guò)程，并采用柱狀燈芯技術(shù)，電導(dǎo)率測(cè)試法和烏式粘度法測(cè)試了木質(zhì)素磺酸鹽的表面性能，電導(dǎo)和特性粘度等性質(zhì)，從而揭示了木質(zhì)素磺酸鹽的引入對(duì)聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的電導(dǎo)性質(zhì)和凝膠過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)其

3、表面性能的影響最為明顯。如木質(zhì)素磺酸鹽的金屬陽(yáng)離子種類決定了其表面能的大小，而表面能可能影響凝膠過(guò)程及其導(dǎo)電率。規(guī)律是：木質(zhì)素磺酸鹽的表面能大，則所形成的凝膠電導(dǎo)率小，反之則相反。 應(yīng)用紅外光譜分析、熱性能分析、掃描電鏡以及電導(dǎo)測(cè)試方法研究了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與形貌特征。結(jié)果表明：在聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的形成過(guò)程中，木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酰胺之間并無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，而是穿插或填充在聚丙烯酰胺凝膠的

4、立體網(wǎng)絡(luò)中，二者形成了半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。聚丙烯酰胺與木質(zhì)素磺酸鹽在水凝膠中保持了各自相對(duì)獨(dú)立的化學(xué)特征，相容性較差。木質(zhì)素磺酸鹽的加入明顯提高了PAAm/LGS水凝膠的熱穩(wěn)定性。同時(shí)木質(zhì)素磺酸鹽的引入，起到了致孔劑的作用，使PAAm/LGS水凝膠網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生較大的孔洞，為水分子的進(jìn)入提供通道，有利于水分子的擴(kuò)散和凝膠溶脹。 PAAm和PAAm/LGS水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，稱重法：由Fickian溶脹動(dòng)力學(xué)可得，三種水凝膠的溶脹

5、動(dòng)力學(xué)指數(shù)n均大于0.5，其溶脹過(guò)程屬于non—Fickian類型溶脹；根據(jù)Schott二級(jí)溶脹動(dòng)力學(xué)可得，水凝膠的溶脹度隨時(shí)間的變化符合規(guī)律：t/SR=A+Bt，PAAm、PAAm/Ca2+—LGS和PAAm/Na+—LGS水凝膠的初始溶脹速率和最大平衡溶脹程度都是依次增大的。電導(dǎo)法：凝膠溶脹過(guò)程中的溶脹度與溶液電導(dǎo)率的變化關(guān)系為：SR=C+Dμ2。利用電導(dǎo)法來(lái)描述動(dòng)力學(xué)既免去了測(cè)定凝膠質(zhì)量時(shí)產(chǎn)生的誤差又簡(jiǎn)化了操作步驟，使測(cè)量結(jié)果更為

6、精確。 在一定溫度范圍內(nèi)，溫度高有利于PAAm和PAAm/LGS凝膠的溶脹，尤其是大于35℃后更加明顯。其平衡溶脹度隨溫度的變化符合：SR=E+FT+GT2。相對(duì)于PAAm凝膠來(lái)說(shuō)，PAAm/Ca2+—LGS凝膠的最大平衡溶脹度提高12～15％，PAAm/Na+—LGS凝膠的最大平衡溶脹度大約為PAAm凝膠的3.4倍。 在酸堿溶液中LGS的加入同樣有利于PAAm/LGS水凝膠溶脹。當(dāng)pH值在1—11之間時(shí)，水凝膠的平衡溶

7、脹度變化不明顯，而當(dāng)pH值大于11時(shí)，水凝膠的平衡溶脹度呈迅速增大趨勢(shì)，且在pH=13時(shí)其平衡溶脹度達(dá)到最大值。其中pH=11是PAAm和PAAm/LGS凝膠在酸堿溶液中溶脹的一個(gè)臨界值。 PAAm凝膠對(duì)鹽濃度的增加并不敏感，具有顯著的耐鹽性能。而PAAm/LGS半互穿水凝膠的溶脹度隨著鹽溶液濃度的增加而發(fā)生變化。 溶劑種類對(duì)凝膠溶脹性能的影響結(jié)果表明：PAAm/LGS水凝膠的溶脹度均大于PAAm凝膠的溶脹度。PAAm和

8、PAAm/LGS凝膠在水中的平衡溶脹度大，而在純的乙醇中凝膠幾乎不發(fā)生溶脹。消溶脹研究結(jié)果顯示：引入木質(zhì)素磺酸鹽的PAAm/LGS水凝膠消溶脹速率快于PAAm凝膠的消溶脹速率。且PAAm和PAAm/LGS水凝膠在水中不發(fā)生消溶脹行為。PAAm和PAAm/LGS水凝膠在甲酰胺與水和乙醇與水交替刺激的溶脹—消溶脹結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAAm和PAAm/LGS水凝膠對(duì)溶劑的改變有較好的可逆響應(yīng)性，其在乙醇—水中的響應(yīng)速率更明顯。而且磺化木質(zhì)素的引入提高

9、水凝膠對(duì)溶劑交替刺激的響應(yīng)性，其中PAAm/Na+—LGS水凝膠比PAAm/Ca2+-LGS水凝膠表現(xiàn)出更快的刺激響應(yīng)性。 PAAm和PAAm/LGS水凝膠對(duì)金屬離子具有吸附作用，溫度的升高有利于PAAm和PAAm/LGS水凝膠對(duì)銅離子的吸附，但增加幅度不太明顯。在較低的pH值條件下，PAAm和PAAm/LGS水凝膠對(duì)銅離子的吸附容量相對(duì)較高，隨著溶液pH值的提高，水凝膠的吸附容量隨之降低。對(duì)于同一種凝膠，pH為2.09時(shí)，凝膠