聚电解质纳米复合水凝胶的合成及性能研究

论文摘要

本论文分别以阴离子单体丙烯酸钠（AAcNa）、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC）及蒙脱土（MMT）为原料;阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、阳离子单体乙烯基咪唑（VI）及有机改性蒙脱土（OMMT）为原料,通过水溶液原位聚合制备不同离子型纳米复合水凝胶,并对纳米复合水凝胶的结构、凝胶强度和溶胀行为等性能进行了系统研究。对两性离子型水凝胶P（AAcNa- DAC）/CLAY溶胀行为的研究表明:两性水凝胶在不同小分子电解质种类、离子强度和pH的溶液内,溶胀行为呈现明显的反聚电解质效应。其溶胀动力学数据的数学分析表明:两性离子型纳米复合水凝胶的溶胀过程为非Fickian扩散机理,且溶胀动力学应为一级溶胀动力学。无机组分MMT的加入提高了水凝胶的吸液速率同时可以将两性离子型纳米复合水凝胶的凝胶强度提高为基质的13倍。对离子型纳米复合水凝胶P（AMPS - VI）/CLAY溶胀行为的研究表明:水凝胶在不同小分子电解质种类、离子强度和pH的溶液内,溶胀行为呈现明显的聚电解质效应。其溶胀动力学数据的数学分析表明:离子型纳米复合水凝胶的溶胀过程为非Fickian扩散机理,且溶胀动力学应为一级溶胀动力学。OMMT的加入提高了水凝胶的吸液速率同时可以显著提高水凝胶吸附金属离子的能力,在pH=5.0、Cu2+初始浓度5mg/ml时,平衡吸附量可达到183mg/g干凝胶。在工业水处理及金属浓缩方面有很好的潜在应用价值。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 凝胶的概述
• 1.1.1 凝胶的定义及分类
• 1.1.2 凝胶的特性
• 1.2 凝胶的理论研究
• 1.2.1 凝胶的溶胀平衡
• 1.2.2 凝胶的体积相变
• 1.2.3 凝胶的溶胀速度理论
• 1.2.4 临界松弛和相分离
• 1.2.5 凝胶的溶胀和收缩行为机理
• 1.3 凝胶的应用
• 1.4 聚合物-蒙脱土纳米复合材料的概述
• 1.4.1 蒙脱土的结构
• 1.4.2 制备聚合物-蒙脱土纳米复合材料的插层方法
• 1.4.3 聚合物-蒙脱土纳米复合材料的插层热力学和动力学
• 1.5 水溶性单体-蒙脱土纳米复合水凝胶的研究现状
• 1.5.1 聚电解质及两性聚电解质水凝胶的研究进展
• 1.5.2 水溶性单体-蒙脱土纳米复合水凝胶的研究现状
• 1.6 本论文的目的、意义及创新点
• 第二章 两性水凝胶的合成与性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与药品
• 2.2.2 水凝胶的合成
• 2.2.3 水凝胶的结构表征
• 2.2.4 水凝胶溶胀性能的测定
• 2.2.5 水凝胶溶胀动力学的测定
• 2.2.6 水凝胶吸附重金属离子的研究
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 引发剂用量对水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 2.3.2 交联剂用量对水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 2.3.3 AA 中和度对水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 2.3.4 反应体系浓度对水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 2.3.5 单体配比对水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 2.3.6 水凝胶的红外结构分析
• 2.3.7 水凝胶的核磁结构分析
• 2.3.8 水凝胶热稳定性的研究
• 2.3.9 水凝胶在不同pH 值溶液中的溶胀性能研究
• 2.3.10 水凝胶在不同盐类离子强度盐溶液中溶胀性能
• 2.3.11 凝胶溶胀动力学研究
• 2.3.12 凝胶中水的状态的研究
• 2.3.13 pH 值对水凝胶吸附金属离子量的影响
• 2.3.14 初始浓度对水凝胶吸附金属离子量的影响
• 2.4 结论
• 第三章 两性离子型纳米复合水凝胶的合成与性能
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 两性聚电解质纳米复合水凝胶的合成
• 3.2.3 样品分析
• 3.2.3.1 溶胀性能测试
• 3.2.3.2 溶胀动力学测试
• 3.2.3.3 凝胶强度测试
• 3.2.3.4 透射电子显微镜（TEM）
• 3.2.3.5 X 射线衍射（XRD）
• 3.2.3.6 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.2.3.7 热重分析（TGA）
• 3.2.3.8 核磁共振（NMR）
• 3.2.3.9 红外光谱（FTIR）
• 3.2.3.10 激光拉曼光谱（Raman）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 两性纳米复合水凝胶的结构
• 3.3.1.1 FTIR
• 3.3.1.2 拉曼光谱
• 13C NMR'>3.3.1.3¹³C NMR
• 3.3.1.4 XRD 和TEM
• 3.3.2 交联剂用量对两性纳米复合高吸水凝胶吸液性能的影响..
• 3.3.3 引发剂用量对两性纳米复合高吸水凝胶吸液性能的影响..
• 3.3.4 反应浓度对两性米复合高吸水凝胶吸液性能的影响
• 3.3.5 MMT 含量对两性纳米复合水凝胶吸液性能的影响
• 3.3.6 MMT 含量对两性纳米复合水凝胶凝胶强度的影响
• 3.3.7 MMT 对两性纳米复合水凝胶溶胀速度的影响
• 3.3.8 DAC 含量对两性纳米复合水凝胶溶胀速度的影响
• 3.3.9 两性纳米复合水凝胶溶胀动力学的研究
• 3.3.10 小分子电解质对两性纳米复合水凝胶溶胀能力的影响
• 3.3.11 pH 值对两性纳米复合水凝胶溶胀行为的影响
• 3.3.12 两性纳米复合水凝胶的热稳定性
• 3.4 结论
• 第四章 聚电解质纳米复合水凝胶的合成与性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与药品
• 4.2.2 纳米复合水凝胶的合成
• 4.2.3 纳米复合水凝胶的结构表征
• 4.2.4 纳米复合水凝胶溶胀性能的测定
• 4.2.5 纳米复合水凝胶溶胀动力学的测定
• 4.2.6 纳米复合水凝胶吸附重金属离子的研究
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 引发剂用量对纳米复合水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 4.3.2 交联剂用量对纳米复合水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 4.3.3 反应体系浓度对纳米复合水凝胶平衡溶胀倍率的影响
• 4.3.4 OMMT 含量对纳米复合水凝胶吸液性能的影响
• 4.3.5 OMMT 对纳米复合水凝胶溶胀速度的影响
• 4.3.6 纳米复合水凝胶的红外结构分析
• 4.3.7 纳米复合水凝胶热稳定性的研究
• 4.3.8 纳米复合水凝胶在不同pH 值溶液中的溶胀性能研究
• 4.3.9 纳米复合水凝胶在不同盐类离子强度盐溶液中溶胀性能
• 4.3.10 纳米复合水凝胶对金属离子的吸附
• 4.3.10.1 纳米复合水凝胶中OMMT 含量对金属离子吸附的影响
• 4.3.10.2 pH 值对纳米复合水凝胶吸附金属离子能力的影响
• 4.3.10.3 金属离子初始浓度对纳米复合水凝胶吸附金属离子能力的影响
• 4.3.10.4 时间对纳米复合水凝胶吸附金属离子能力的影响
• 4.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract