聚丙烯酸-丙烯酰胺/有机蒙脱土高吸水性纳米复合材料的制备与性能研究

摘要

蒙脱土(MMT)因资源丰富、价格低廉而成为最具有工业化前景的无机纳米材料之一,目前已广泛用于橡胶、涂料、纺织、建材等各领域。本论文直接选用了200目的工业级钠基蒙脱土(Na+-MMT)为原料,分别以季铵盐N,N'-二甲基,N-戊基甲基丙烯酰氧乙基溴化铵(DMAEA-PB)、N,N'-二甲基,N-十二烷基甲基丙烯酰氧乙基溴化铵(DMAEA-DB)和十六烷基三甲基溴化铵(HTAB)作为插层剂,通过阳离子交换反应,对蒙脱土进行了有机化改性。以DMAEA-DB为例,研究了蒙脱土的有机化改性的最佳条件,结果表明:当插层剂用量在25％左右,温度为70℃,反应时间为1h时,制备的有机蒙脱土层间距较大,由改性前的1.28nm增加到改性后的2.35nm。在该条件下,还制备了另外两种有机蒙脱土:DMAEA-PB-MMT、HTAB-MMT,改性后,蒙脱土层问距分别达到1.43nm和2.85nm。其中DMAEA-DB-MMT和HTAB-MMT有机化改性效果较好,可用于高吸水材料的制备。
　　 分别以DMAEA-DB-MMT和HTAB-MMT两种有机蒙脱土为原料,以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)为交联剂,以过硫酸钾(KPS)为引发剂,将其与丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)共聚,通过反相悬浮聚合法合成出聚丙烯酸-丙烯酰胺/有机蒙脱土[P(AA-AM/DMAEA-DB-MMT)]和[P(AA-AM/HTAB-MMT)]两种高吸水性树脂。用X射线衍射实验(XRD)、傅立叶红外法(FTIR)和热重分析法(TGA)对复合材料进行了表征。结果表明,蒙脱土片层在聚合后发生剥离,以纳米级尺寸分散在聚合物基体中。
　　 本文考察了有机蒙脱土用量、交联剂用量、引发剂用量、AA用量、AA中和度、分散剂用量等因素对吸水材料吸液率的影响,结果表明,在其他条件相同的情况下,当DB-MMI、HTAB-MMT用量分别为10％和6％时,两种树脂的吸水吸盐率较高,最大吸水率分别为100mL/g和875mL/g,吸0.9％的NaCl溶液倍率分别是87.5g/g和70g/g。
　　 研究对比了两种高吸水性树脂的溶胀性能,结果表明,两种树脂的吸液率受外界电解质溶液的种类和浓度影响较大。树脂的吸液率随着外界电解质溶液离子强度的增大而减小。树脂对外部溶液pH较为敏感,在强酸性环境中吸液率较低,在弱酸性、中性和碱性环境中吸液率较高,其中当pH=7时,树脂的吸水倍率最高。在相同条件下,P(AA-AM/DMAEA-DB-MMT)比P(AA-AM/HTAB-MMT)的吸液率高,但吸水速率和保水率要略低。交联剂用量和引发剂用量都对树脂的溶胀性能有较大影响。

目录

文摘

英文文摘

第一部分 文献综述

1.1 高吸水性树脂简介

1.2 高吸水性树脂的吸水保水机理

1.3 高吸水性树脂的发展概况

1.3.1 高吸水性树脂国外发展概况

1.3.2 高吸水性树脂国内发展概况

1.4 高吸水性树脂的应用简介

1.4.1 生理卫生、医药方面的应用

1.4.2 在农林园艺领域的应用

1.4.3 工业及其它方面的应用

1.5 高吸水性树脂的合成方法

1.5.1 溶液聚合

1.5.2 反相悬浮聚合

1.5.3 其它聚合方法

1.6 聚合物/黏土高吸水树脂

1.6.1 黏土矿物的基本结构和类型

1.6.2 高吸水性纳米复合材料的制备

1.6.3 蒙脱土的结构及插层聚合技术

1.7 高吸水性树脂的发展趋势

1.8 论文选题的目的和研究意义

第二部分 实验

2.1 原料及仪器设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 原料的预处理

2.1.3 缓冲溶液的配置

2.1.4 实验设备及装置

2.2 实验部分

2.2.1 分散剂十八烷基磷酸单酯的制备

2.2.2 季铵盐N,N'-二甲基,N-烷基甲基丙烯酰氧乙基溴化铵(DMAEA-RB)的制备

2.2.3 有机蒙脱土(OMMT)的制备

2.2.4 聚丙烯酸-丙烯酰胺/有机蒙脱土高吸水性复合材料的制备

2.3 高吸水性复合材料的性能测试

2.3.1 吸水倍率的测定

2.3.2 不同电解质溶液中吸液率的测定

2.3.3 吸水速率的测定

2.3.4 保水率的测定

2.4 高吸水性复合材料的表征

2.4.1 X射线衍射(XRD)分析

2.4.2 红外光谱(FTIR)分析

2.4.3 热失重(TGA)分析

第三部分 结果与讨论

3.1 有机蒙脱土的合成及表征

3.1.1 蒙脱土有机插层改性的影响因素

3.1.2 FTIR分析

3.1.3 小结

3.2 [P(AA-AM/DMAEA-DB-MMT)]的合成、性能及表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2 FTIR分析

3.2.3 [P(AA-AM/DMAEA-DB-MMT)]合成的影响因素

3.2.4 [P(AA-AM/DMAEA-DB-MMT)]的溶胀性能研究

3.2.5 小结

3.3 [P(AA-AM/HTAB-MMT)]的合成、性能及表征

3.3.1 XRD分析

3.3.2 FTIR分析

3.3.3 [P(AA-AM/HTAB-MMT)]合成的影响因素

3.3.4 [P(AA-AM/HTAB-MMT)]在溶胀性能研究

3.3.5 小结

3.4 交联剂用量对树脂溶胀性能的影响

3.4.1 对吸水速率的影响

3.4.2 对保水率的影响

3.4.3 小结

3.5 引发剂用量对树脂溶胀性能的影响

3.5.1 对吸水速率的影响

3.5.2 对保水率的影响

3.5.3 小结

3.6 高吸水性树脂的热稳定性

3.7 树脂中聚合物与蒙脱土作用机理探讨

结论

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢