纳米凹土复合水凝胶及凹土悬浮液的流变性能研究

摘要

纳米凹土为一维棒状结构，表面覆盖有大量羟基，能与环糊精、对苯二胺形成氢键，加强和改善水凝胶的结构和性能。其遇水不膨胀，湿时具有粘性，在水中具有很好的悬浮性，剪切时具有流变性，其中阳离子/阴离子表面活性剂、Mg-Al-Fe类水滑石等对其流变性有很大的影响；纳米凹土由于具有流变性，吸附性，催化性，杀菌、除臭等特性，广泛用于胶体泥浆、吸附剂、载体以及环境保护，水处理等方面，而且在我国凹土产量丰富，价格低廉，对凹土基础性能进行研究，有望根据不同的需要广泛用于工农业。
　　 本论文用X-射线衍射仪(XRD)，傅立叶红外光谱仪(FTIR)，扫描电镜(SEM)和流变仪(TA)考察纳米凹土对水凝胶结构和性能的影响；采用流变学的方法测试阳离子/阴离子表面活性剂、Mg-Al-Fe类水滑石、pH值对纳米凹土悬浮液流变性的影响，主要内容如下：
　　 1、将棒状纳米凹凸棒石黏土加入到α-环糊精(α-CD)和聚氧化乙烯-聚苯醚-聚氧化乙烯(PEO137-b-PPO44-b-PEO137，简称EPE)嵌段聚合物形成的超分子水凝胶中，构建了一种新型复合水凝胶。用X-射线衍射仪(XRD)，傅立叶红外光谱仪(FTIR)，扫描电镜(SEM)和流变测试等方法表征了该复合水凝胶的结构和性能。实验结果显示：加入适量纳米凹土不会破坏α-CD/EPE聚轮烷的聚集结晶特性；当复合水凝胶中纳米凹土的含量小于2.5％时，适量的纳米凹土能改善水凝胶海绵状结构的连续性，增加海绵状结构的壁厚和孔隙率；随着纳米凹土含量的增加，在减少复合水凝胶的凝胶化时间的同时提高了复合水凝胶的刚性和机械强度。
　　 2、采用对苯二胺改性纳米凹土并与聚丙烯酸在室温下直接复合制备了复合水凝胶。研究了改性温度、改性时间、对苯二胺与纳米凹土的改性质量比、改性纳米凹土及聚丙烯酸的用量等对水凝胶凝胶时间的影响，采用傅立叶红外光谱、扫描电镜和流变仪等仪器对复合水凝胶进行了表征和流变性能测试。实验结果表明，对苯二胺改性纳米凹土可使纳米凹土的分散性提高，改性纳米凹土/聚丙烯酸复合水凝胶具有较短的凝胶时间。流变学测试表明，改性纳米凹土的质量浓度在3.0%～7.0%(w/V)的范围内，复合水凝胶的黏度、刚性和机械强度皆随改性纳米凹土质量浓度的增加而增加；当聚丙烯酸的质量浓度在1.0%～2.0%的范围内，复合水凝胶的黏度、刚性和机械强度皆随聚丙烯酸的质量浓度增加而增加，而当聚丙烯酸的质量浓度在2.0%～3.0%的范围内，复合水凝胶的黏度、刚性和机械强度皆随聚丙烯酸质量浓度的增加而降低。
　　 3、在纯凹土悬浮体系中，随着凹土浓度的增加，相应的剪切速率下的剪切应力和黏度增加。并在浓度小于10%时，体系具有较小的触变性。在相同凹土浓度的纯凹土体系中加入2%的苯并咪唑时，在相同剪切速率下，其相应的剪切应力及黏度增大。当在相同凹土浓度的纯凹土体系中加入的2%的十二烷基磺酸钠时，在相同剪切速率下，其相应的剪切应力及黏度减小。pH值对悬浮液的影响研究发现，pH值越接近于凹土本身值时，体系的在相应剪切速率下剪切应力和黏度越大。增大预剪切速率或延长预剪切时间，将会使得悬浮液体系的起始黏度，剪切应力降低。
　　 4、研究了带永久正电荷的Mg-Al-Fe类水滑石(Mg-Al-Fe-HTlc)和带永久负电荷的凹土(Attapulgite，简称APT)组成的悬浮体的流变性。实验结果表明：APT含量≥2%的纯APT体系和Mg-Al-Fe-HTlc/APT体系均为非牛顿流体。当摩尔比为n(Mg)：n(Al)：n(Fe)＝5:1:1，胶土比R＝0.2，或者摩尔比n(Mg)：n(Al)：n(Fe)=3:0.7:0.3时，胶土比R＝0.3时，体系中正负电荷中和基本完全，斥力变小，在相同剪切速率下剪切应力变大；当摩尔比为n(Mg)：n(Al)：n(Fe)＝5:1:1，当胶土比恒定，随着凹土含量的逐渐增加，悬浮体系开始流动时所需的剪切应力逐渐变大；当摩尔比n(Mg)：n(Al)：n(Fe)＝3:0.7:0.3时，随着R的继续增加，体系中正负电荷基本中和完全时，所需的APT含量均为1%。考察了不同pH值Mg-Al-Fe-HTlc/APT体系的影响发现，随着pH的升高，在同样的剪切速率下，对应的剪切应力变小。