腈纶基离子交换及变色纤维研究

论文摘要

本文以商品化的腈纶纤维为原料制备了三类新型功能纤维并对其中性能较好的产品进行了测试表征。依次利用二乙烯三胺和氯乙酸对商品化的腈纶纤维进行改性,制备了一种含有大量氨基和羧甲基、可重复使用的离子交换纤维。本文对胺化反应和羧甲基化反应进行了条件优化,并利用元素分析、X射线粉末衍射、扫描电镜和红外光谱对该纤维进行了测试和表征。该纤维对镉离子具有非常好的吸附效果,饱和吸附量大（1.34 mmol/g）,吸附速度快（对于1 mg/mL Cd2+,0.5分钟内即可达到饱和吸附量的一半）,该纤维可将含各种金属离子混合物的水溶液及镉含量为0.540 mg/L的实际污水中的镉浓度降低至0.001 mg/L以下。此外,该纤维对其他重金属离子如:Cu2+, Ca2+, Zn2+, Mg2+, Pb2+, Ni2+, Ag+, Hg2+也具有非常好的吸附效果。通过对商品化的腈纶纤维进行乙二胺改性和利用Mannich反应共价化学键合酚酞指示剂制备了一种新型酸碱变色纤维;利用红外光谱、紫外光谱、X射线粉末衍射和扫描电镜对其进行测试和表征,并对该酸碱变色纤维的酸碱变色性能、响应速度、重复使用稳定性等方面进行了测试。该纤维与pH值超过10.1的水溶液接触颜色发生变化:从浅黄色变为紫色;其响应速度较快,对于20 wt%的NaOH溶液,它在不到1秒钟的时间里即可迅速变色;此外,该纤维还具有极好的重复使用稳定性,重复使用300次后,其变色性能没有受到任何影响。通过对商品化的腈纶纤维进行乙二胺改性继而利用Mannich反应共价化学键合4-（2-吡啶偶氮基）间苯二酚（4-（2-pyridylazo）-resorcinol, PAR）指示剂制备了一种新型重金属变色纤维;利用X射线粉末衍射、扫描电镜和红外光谱对其进行测试和表征,并对该变色纤维的变色性能、响应速度、选择性等方面进行了测试。该纤维在近中性条件下可以选择性地变色识别重金属离子,如:Hg2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+,纤维颜色由橙红色变为深褐色;而该纤维对Ca2+, Mg2+, Al3+等轻金属离子则没有变色识别作用。在pH值为3.0时,纤维仅对Hg2+和Cu2+发生识别变色作用,而对其它重金属离子则没有识别变色能力。该纤维对重金属离子的变色识别检测下限可达到10-6 mol/L,可用于监测环境中的重金属污染物。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 功能纤维的种类及应用
• 1.1.1 分离功能纤维
• 1.1.2 防护功能纤维
• 1.1.3 生物医学纤维
• 1.1.4 智能纤维
• 1.2 本论文研究内容
• 第二章 新型离子交换纤维的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.1.1 重金属废水主要处理方法
• 2.1.2 离子交换纤维的制备
• 2.1.3 腈纶纤维
• 2.1.4 离子交换纤维及腈纶基离子交换纤维研究进展
• 2.2 设计思路
• 2.3 合成方法
• 2.4 实验部分
• 2.4.1 实验材料、药品与仪器
• 2.4.2 多胺改性腈纶纤维（PANAF）合成—无溶剂法
• 2.4.3 多胺改性腈纶纤维（PANAF）合成—溶剂法
• 2.4.4 多胺多羧类腈纶离子交换纤维（PANACF）的制备
• 2.4.5 改性纤维的元素分析
• 2.4.6 纤维吸附重金属性能测试
• 2.4.7 纤维的重复使用性能测试
• 2.4.8 纤维对模拟重金属离子污水的吸附效果测试
• 2.4.9 纤维对实际污水样品的吸附效果测试
• 2.4.10 纤维强度测试
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 胺化反应条件及多胺的选择
• 2.5.2 羧甲基化改性条件
• 2.5.3 多胺多羧类腈纶鳌合纤维的结构测试和表征
• 2.5.4 纤维吸附性能
• 2.6 小结
• 第三章 酸碱变色腈纶纤维的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.1.1 变色纤维
• 3.1.2 固态变色传感器及固态酸碱变色化学传感器的研究进展
• 3.1.3 酸碱变色纤维
• 3.2 设计思路
• 3.3 合成方法
• 3.4 实验部分
• 3.4.1 实验材料、药品与仪器
• 3.4.2 乙二胺改性腈纶纤维合成
• 3.4.3 几种酸碱变色腈纶纤维的制备
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 反应条件的选择
• 3.5.2 各种合成的酸碱变色腈纶纤维变色性能的初步考察
• 3.5.3 对酚酞变色腈纶纤维合成工艺的研究与优化
• 3.5.4 酚酞变色腈纶纤维的结构测试和表征
• 3.5.5 酚酞变色纤维变色性能研究
• 3.6 小结
• 第四章 重金属离子变色腈纶纤维的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.1.1 重金属的常用检测方法
• 4.1.2 重金属的常用快速检测方法
• 4.1.3 可穿着变色纤维
• 4.1.4 固体重金属传感器材料研究进展
• 4.2 设计思路
• 4.3 合成方法
• 4.4 实验部分
• 4.4.1 实验材料、药品与仪器
• 4.4.2 乙二胺改性腈纶纤维合成
• 4.4.3 几种重金属离子变色腈纶纤维的制备
• 4.4.4 纤维变色情况测试
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 腈纶纤维胺化条件选择
• 4.5.2 不同金属指示剂分子化学键合条件的选择
• 4.5.3 最佳反应时间的确定
• 4.5.4 各种合成的变色腈纶纤维变色性能的初步考察
• 4.5.5 对PAR变色腈纶纤维的结构测试和表征
• 4.5.6 PAR变色腈纶纤维遇金属离子变色性能
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢