复合高吸水性树脂及碳纳米管可控分散研究

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题名	复合高吸水性树脂及碳纳米管可控分散研究
作者	张俊平
学位类别	理学博士
答辩日期	2008-05-15
授予单位	中国科学院研究生院
导师	王爱勤
关键词	复合高吸水性树脂凹凸棒黏土腐殖酸钠壳聚糖碳纳米管 superabsorbent composite attapulgite sodium humate chitosan carbon nanotube
学位专业	物理化学（含：化学物理）
中文摘要	针对传统高吸水性树脂普遍存在吸水倍率低、耐盐性差和反复溶胀能力低等不足，本论文以丙烯酸和丙烯酰胺为有机单体，以凹凸棒黏土等黏土、腐殖酸钠和天然高分子为功能组分，采用水溶液聚合法制备了三个系列新型复合高吸水性树脂。在条件优化实验的基础上，探讨了反应机理以及凹凸棒黏土的离子交换和有机改性对复合树脂性能的影响，对比了黏土种类对反应机理和复合树脂性能的影响，研究了腐殖酸钠的缓释机理，考察了复合树脂的溶胀行为和其它性能指标。此外，采用壳聚糖及其衍生物、聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）和表面活性剂等，实现了水溶液中碳纳米管的可控分散和分子自组装。主要研究结果如下：（1）凹凸棒黏土与单体的复合发生在凹凸棒黏土的表面，凹凸棒黏土以交联点方式存在于树脂网络中，从而影响材料的形貌、热稳定性和溶胀性能。当凹凸棒黏土含量小于10wt%时，可明显提高树脂的吸水倍率、耐盐性和反复溶胀能力等性能；过量的凹凸棒黏土以物理填充的方式存在于树脂中。（2）凹凸棒黏土的离子交换对聚丙烯酰胺/凹凸棒黏土复合高吸水性树脂的吸水性能有显著影响。较高的阳离子交换容量及较低的比表面积有助于吸水倍率的提高。Al³⁺交换凹凸棒黏土在树脂中起到辅助交联剂的作用，导致树脂吸水倍率下降，但却改善了重复使用性能，反复溶胀5次后，吸水倍率仍高达1176g g^-1。（3）有机改性凹凸棒黏土达到纳米级分散，将有机化程度为8.02wt%的凹凸棒黏土引入到聚丙烯酰胺/凹凸棒黏土体系中，得到了纳米复合高吸水性树脂。树脂吸水倍率由1586g g^-1增至1817g g^-1，耐盐性、重复使用性能和吸水速率等也有不同程度提高。凹凸棒黏土的有机改性改变了树脂中亲水基团的微化学环境，有助于树脂的溶胀。凹凸棒黏土的有机改性及有机改性凹凸棒黏土与单体的反应均发生在凹凸棒黏土的表面，没有破坏凹凸棒黏土的纳米孔道结构。含有较长烷基链的阳离子表面活性剂有助于进一步提高树脂的吸水性能。（4）黏土种类对聚丙烯酰胺/黏土复合高吸水性树脂的反应机理、热稳定性和溶胀性能具有显著影响。丙烯酰胺与凹凸棒黏土、高岭土和云母的相互作用发生在黏土的表面；而丙烯酰胺可插层到钠基蒙脱土和蛭石片层间，促使黏土发生剥离，得到插层/剥离型复合高吸水性树脂。复合高吸水性树脂的溶胀性能与使用环境有关，不同黏土表现出不同的优势。（5）腐殖酸钠的引入赋予了高吸水性树脂以缓释肥料的功能。当腐殖酸钠含量小于30wt%时是化学键合在树脂上的；过量的腐殖酸钠则以物理填充形式存在。引入30wt%腐殖酸钠可将聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）的吸水倍率由678g g^-1提高到1184g g^-1，但却减小了吸水速率。置于蒸馏水中时，树脂表面或物理填充的腐殖酸钠快速释放出来；随后化学键合的腐殖酸钠经解离、扩散，缓慢释放出来，约需40d达到释放平衡。（6）淀粉的磷酸酯化将树脂的吸水倍率提高约10%。壳聚糖的引入可通过水溶液聚合法得到颗粒状产物，其氨基和羟基参与了与丙烯酸的接枝聚合反应。通过一步法同时实现了壳聚糖对蒙脱土的插层及与丙烯酸的接枝聚合，得到纳米复合高吸水性树脂。与两步法相比，一步法将所制纳米复合高吸水性树脂的吸水倍率提高近50%。（7）以壳聚糖及其衍生物或聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）为材料，以pH或温度为响应信号，实现了水溶液中碳纳米管的可控分散。制备聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）时的溶剂组成和单体比例对单壁碳纳米管的分散效果有显著影响。丙烯酸的引入可明显改善聚（N-异丙基丙烯酰胺）对单壁碳纳米管的分散效果。十二烷基硫酸钠可与多壁碳纳米管形成大的柱状胶束，改变其与壳聚糖的相互作用方式，实现壳聚糖与多壁碳纳米管的自组装。
学科主题	功能高分子材料
公开日期	2013-04-26
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.77.64.217/handle/362003/2954]
专题	兰州化学物理研究所_环境材料与生态化学研究发展中心
推荐引用方式 GB/T 7714	张俊平. 复合高吸水性树脂及碳纳米管可控分散研究[D]. 中国科学院研究生院. 2008.