长侧链聚羧酸盐在煤/水界面的吸附与流变性能的研究

摘要

聚羧酸盐是一种人工合成的水溶性高分子，它的结构灵活可控，可设计、生产各种结构以适应不同煤种制得高浓水煤浆。将聚羧酸盐用于不同煤种制水煤浆的性能均优于目前工业化的木质素类和萘系分散剂。经验性和半经验性依然是目前研究水煤浆分散剂的分子结构与煤种的匹配的常用途径，对于分散体与煤的作用机理研究还只是一种猜想和假说，尤其是吸附的研究较少且方法低端。作为水煤浆分散剂，聚羧酸盐在煤粒表面的吸附行为与水煤浆流变性能的相关性也没有系统研究和清楚阐明。
　　本论文采用自由基共聚法合成了一种不同长侧链的梳型聚羧酸盐分散剂，研究了它在三种变质程度不同的煤种上的成浆性，彬长煤煤/水界面的吸附行为和聚集状态，以及其在彬长煤上的流变特性，分析了吸附—分散—流变之间的关系，探讨聚羧酸盐对煤粒的分散作用机理。
　　本文以丙烯酸（AA）和4种不同侧链长度的聚乙二醇单甲醚（MPEG的分子量=350，500，750，1000）先酯化合成大单体（MPEGAA），再以丙烯酸，对苯乙烯磺酸钠（SSS）为单体，在引发剂过硫酸钾，链转移剂异丙醇作用下聚合得到4种具有不同长侧链的苯乙烯磺酸钠-丙烯酸-丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯（SSS/AA/MPEGAA）梳型聚羧酸盐分散剂（PC）。
　　通过核磁共振氢谱（1H NMR）、红外光谱（FT-IR）、凝胶渗透色谱（GPC）对分散剂分子结构进行了分析，并通过滴定法，测试了各自分散剂的羧基和磺酸基含量，分析了不同侧链长度分散剂的分子结构特征；通过TG和DSC对分散剂热性能进行了研究；将不同长侧链的聚羧酸盐分散剂用于彬长煤、神华煤和霍林河煤，考察了其最佳掺量、最大成浆浓度和稳定性，并与传统萘系进行比较。
　　结果表明：聚合物的相对分子质量Mw在2~5×104范围内，其分子量分布指数Mw/Mn在2.50~2.91之间；分子结构特点是：PC350和PC500是长主链，短侧链，高阴离子基团的特征；PC750和PC1000是长侧链，短主链，低阴离子基团的特征；且具有良好的热力学性能，能够满足水煤浆分散剂的使用需求。成浆试验表明：在陕西彬长煤上，PC分散剂比传统的萘系有更好的分散性和稳定性。侧链长度为 PC500的分散剂在四个不同链长中分散降黏性能最好，其最佳用量为0.4％，黏度低至526.4mPa.s，流动性为A级，水煤浆最高浆浓可达到68%，水煤浆稳定性大大提高。不同煤种成浆性：彬长煤>神华煤>霍林河煤，最佳掺量分别为0.4%、0.6%和0.6%；最高成浆浓度分别为68%、67%和48.5%。
　　此外,还研究了分散剂在煤粒表面的吸附动力学和热力学性能，以及其在不同温度和掺量下的流变性能，通过TEM、SEM、Zeta电位、接触角和XPS，深入分析了梳型聚羧酸盐的侧链长度对高浓水煤浆流变性与煤/水界面吸附量的关系，解释了梳型聚羧酸盐分散的作用机理。
　　结果表明：PC制备的彬长煤水煤浆浆体均表现出“剪切变稀”的流变特性，适合于Herschel-Bulkley流变模型。其中具有长主链短侧链的PC500的流变性能最好，表观粘度最低，且随着温度的增大，水煤浆浆体流动性指数n也增大，浆体流动性增强，表观粘度下降；增加分散剂的掺量，其水煤浆浆体仍为假塑性流体，屈服应力τ0也从46.4Pa降低到19.9Pa，表观粘度先减小后增大；在一定的掺量范围内，随着掺量的增大，其流动性指数 n增大，接近于1，表明流变模型由Herschel-Bulkley向Bingham模型转变。吸附结果表明：等温吸附实验表明，PC分散剂在煤粒表面是单分子层吸附，符合Langmuir吸附模型，其中饱和吸附量：PC500>PC350>PC750>PC1000， PC500在彬长煤上的吸附密度最大0.6375mg/m2；吸附动力学表明，准二级吸附速率方程能更好的描述分散剂在煤粒表面的吸附动力学过程；吸附热力学发现，在一定的温度内，升温有利于饱和吸附量的增大，最后趋于稳定，吸附焓变△Had为负值，分散剂在煤表面吸附为放热过程；通过透射电镜发现，分散剂并不是均匀吸附在煤粒表面。XPS、Zeta和接触角表明，分散剂的吸附厚度：PC500>PC1000>PC750>PC350；PC500吸附层厚度最大4.20 nm； PC分散剂提高了煤粒表面带电量，从-11.2mV变化到-41.5mV；且对彬长煤有很好的亲水改性。通过分析可知，侧链长度适中的 PC500通过平衡吸附层厚度与 Zeta电位发挥空间位阻和静电斥力作用分散水煤浆，从热力学稳定性分析，侧链长度适中的PC使水煤浆吉布斯能降低，煤粒间“团聚”减弱，浆体分散性提高。

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1.绪论

1.1研究背景

1.2.聚羧酸盐分散剂的概述.

1.3.高分子聚合物在固/液界面吸附研究进展

1.4 水煤浆的流变特性研究进展

1.5本论文主要研究目的、内容及创新

2长侧链SSS-AA-MPEGAA聚羧酸盐分散剂的制备及其分散性能

2.1前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结 论

3梳型聚羧酸分散剂的侧链长度对煤粒的吸附与流变性能的影响

3.1前言

3.2实验部分

3.3聚羧酸盐分散剂对水煤浆流变特性的研究

3.4聚羧酸盐分散剂在煤粒表面的吸附作用

3.5分散剂对煤粒表面改性的研究

3.6小结

4.结论和展望

4.1总结

4.2展望

致谢

参考文献

硕士研究生阶段发表的学术论文

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