论文摘要
氯化钙（CaCl2）是一种价格低廉且有一定吸湿性的无机干燥剂,但吸湿量不高,且吸湿易液解而污染物品,在很多领域的应用受到限制。丙烯酰胺交联聚合物是吸水材料,其因高分子链上含有强亲水性的酰胺基基团,且是三维网络结构,而能吸收且锁住大量水分,表现出较强的吸水保水能力。本研究主要从改善氯化钙的液解、提高其吸湿性等目的出发,通过水溶液自由基聚合法,以聚丙烯酰胺（PAM）为聚合主体,氯化钙为除湿性添加剂,将它们复合制备出了CaCl2/PAM新型复合凝胶干燥剂。此凝胶干燥剂保持了氯化钙廉价、高再生性和较好吸湿性的特点,且氯化钙吸收的水分能被聚丙烯酰胺高分子吸水保水剂吸收,有效防止了氯化钙的液解,同时氯化钙和聚丙烯酰胺的协同作用,使得凝胶干燥剂的吸湿倍率变大。本研究主要考察了影响凝胶干燥剂吸湿性能的几个重要因素：氯化钙用量、氯化钙溶解温度、交联剂用量、引发剂用量、聚合温度、吸湿环境温度等。运用单因素实验,对各个因素的影响规律进行了深入探讨；通过复合材料再生后吸湿倍率的变化,探讨了其重复使用性能；本研究也分析了凝胶干燥剂的成本。本研究通过对复合材料傅里叶红外（IR）、X-衍射射线（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和热重-差示扫描量热仪（TG-DSC）等系列表征,探讨了其复杂的结构；通过复合材料表面吸附特点和聚合网络与水作用方式分析,再结合CaCl2/PAM材料的复合结构,探讨了其吸湿溶胀过程；通过不同相对湿度（RH）下的吸湿溶胀动力学分析,探讨了复合材料吸湿倍率随环境湿度变化趋势以及其吸湿溶胀速率,同时利用溶胀动力学也分析了氯化钙对吸湿溶胀速率的影响。本研究得到的主要结果如下：1、在氮气保护下,以氯化钙为添加剂,聚丙烯酰胺为聚合主体,过硫酸铵为引发剂,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,用水溶液自由基聚合法制备了吸湿性能好、且吸湿后不液解的CaCl2/PAM新型复合凝胶干燥剂。通过单因素实验分析,得到复合凝胶干燥剂的最佳合成条件：CaCl2的质量分数为80%,CaC12溶解温度为50℃,交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的质量分数为0.9%,引发剂过硫酸铵（APS）的质量分数为0.8%,聚合温度为60℃。氯化钙与聚丙烯酰胺复合后,产生了复合材料的协同效应,使复合材料的最大吸湿倍率为196.6%,为CaCl2的2.5倍、PAM的5.3倍。通过单因素实验,作者还得到凝胶干燥剂的最佳吸湿环境温度为30℃,吸湿环境温度对凝胶干燥剂的吸湿倍率有一定影响,但影响很小,CaCl2质量分数为80%时制得的复合材料在所有吸湿环境温度下仍然表现出较高的吸湿倍率,有较好的热稳定性,能应用于实际生活中。通过复合材料在80℃烘箱中再生后吸湿倍率变化分析,作者发现本研究合成的复合凝胶干燥剂在不同吸湿环境温度和湿度下都表现出较好的重复使用性能。通过成本分析可知,凝胶干燥剂保留了氯化钙廉价的优点。2、通过IR表征可知,聚丙烯酰胺所有特征官能团的振动峰都存在,只是因为CaCl2/PAM复合材料中少量钙离子与酰胺基之间形成了配位化合物而出现了新的仲胺盐>+NH2的伸缩振动峰。通过XRD表征可知,氯化钙与丙烯酰胺复合后,氯化钙晶体结构并未遭到明显破坏,氯化钙晶体衍射峰都存在,但因被包覆在聚合网络里,而使其衍射峰变弱。通过SEM表征可知,CaCl2/PAM复合材料表面上凸出着大量氯化钙,这增大了材料与气相的接触面积,有利于氯化钙吸收气相水分；复合材料进入水后绝大多数氯化钙都溶出,只有少量因配合作用而留存在聚合物网络里。通过TG-DSC表征可知,氯化钙的加入大大增加了聚丙烯酰胺网络中自由水的含量。从复合材料的系列结构表征作者得出以下结论：氯化钙与聚丙烯酰胺复合后大多数氯化钙以自由状态被物理包覆在聚合物网络里,而只有少数氯化钙因与高分子链的配位作用而与聚合物化学交联；氯化钙的加入大大增加了聚丙烯酰胺网络中自由水的含量,这为聚丙烯酰胺提供了较好的吸水环境。3、作者探讨了复合凝胶干燥剂表面吸附特点和聚合网络与水的作用方式,再结合复合材料的结构特点,得出凝胶干燥剂吸湿溶胀过程为：首先,复合材料表面凸出着的大量氯化钙、表面大量的褶皱和微孔对潮湿空气中水蒸气分子物理吸附,使水分子凝聚于其表面；其次,水分子扩散进入复合材料颗粒内表面被氯化钙化学吸附,同时氯化钙因吸水变成溶液,水又以自由水形式存在,为聚丙烯酰胺提供了较好的吸水环境；然后,自由水扩散进入聚合物网络与高分子链上的酰胺基结合形成氢键,水分子被锁住,防止了氯化钙吸水后漏液的现象,同时聚合物因吸水而高度溶胀,形成凝胶。以上吸湿溶胀过程很好的解释了复合材料的协同效应,为复合材料较高的吸湿量提供了理论依据。4、通过不同相对湿度下的吸湿溶胀模型分析可知,凝胶干燥剂的吸湿溶胀行为可用二次动力学方程表示；通过动力学方程和动力学曲线斜率可得到动力学相关参数,即最大吸湿量Smax和吸湿溶胀速率常数k,且Smax随环境相对湿度升高而增大,K随环境相对湿度升高而降低,吸湿溶胀速率由k决定,则在高湿度条件下需要更长的时间达到溶胀平衡;利用溶胀动力学也分析了氯化钙对吸湿溶胀速率的影响,氯化钙质量分数越高,吸湿溶胀速速率越低。