聚丙烯酰胺-木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的制備與性能研究.pdf

1、本文選用天然高分子木質(zhì)素磺酸鹽(LGS)和丙烯酰胺為原料，制備了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿網(wǎng)絡水凝膠，對其凝膠化過程，結構、性能及應用進行了研究。 在制備半互穿水凝膠之前，本文采用電導法首先研究了聚合條件對聚丙烯酰胺凝膠的動力學的影響，并推導出凝膠動力學模型以及相應的凝膠反應速率常數(shù)。結果表明，隨著溫度的升高和交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑用量增大，凝膠化速率增大，從而縮短凝膠化時間。推導出聚丙烯酰胺凝膠動力學過程是一個由零級、一級

2、和二級組成的多級反應過程，但主要是零級反應。零級反應速率的大小受聚合溫度、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑濃度的影響，其中交聯(lián)劑用量的改變對零級反應速率的大小影響最為明顯。 進而通過電導法和粘度法揭示了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿水凝膠的凝膠化過程，并采用柱狀燈芯技術，電導率測試法和烏式粘度法測試了木質(zhì)素磺酸鹽的表面性能，電導和特性粘度等性質(zhì)，從而揭示了木質(zhì)素磺酸鹽的引入對聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的電導性質(zhì)和凝膠過程的影響，發(fā)現(xiàn)其

3、表面性能的影響最為明顯。如木質(zhì)素磺酸鹽的金屬陽離子種類決定了其表面能的大小，而表面能可能影響凝膠過程及其導電率。規(guī)律是：木質(zhì)素磺酸鹽的表面能大，則所形成的凝膠電導率小，反之則相反。 應用紅外光譜分析、熱性能分析、掃描電鏡以及電導測試方法研究了聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽半互穿水凝膠的網(wǎng)絡結構與形貌特征。結果表明：在聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鹽水凝膠的形成過程中，木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酰胺之間并無化學反應發(fā)生，而是穿插或填充在聚丙烯酰胺凝膠的

4、立體網(wǎng)絡中，二者形成了半互穿網(wǎng)絡結構。聚丙烯酰胺與木質(zhì)素磺酸鹽在水凝膠中保持了各自相對獨立的化學特征，相容性較差。木質(zhì)素磺酸鹽的加入明顯提高了PAAm/LGS水凝膠的熱穩(wěn)定性。同時木質(zhì)素磺酸鹽的引入，起到了致孔劑的作用，使PAAm/LGS水凝膠網(wǎng)絡中產(chǎn)生較大的孔洞，為水分子的進入提供通道，有利于水分子的擴散和凝膠溶脹。 PAAm和PAAm/LGS水凝膠的溶脹動力學結果表明，稱重法：由Fickian溶脹動力學可得，三種水凝膠的溶脹

5、動力學指數(shù)n均大于0.5，其溶脹過程屬于non—Fickian類型溶脹；根據(jù)Schott二級溶脹動力學可得，水凝膠的溶脹度隨時間的變化符合規(guī)律：t/SR=A+Bt，PAAm、PAAm/Ca2+—LGS和PAAm/Na+—LGS水凝膠的初始溶脹速率和最大平衡溶脹程度都是依次增大的。電導法：凝膠溶脹過程中的溶脹度與溶液電導率的變化關系為：SR=C+Dμ2。利用電導法來描述動力學既免去了測定凝膠質(zhì)量時產(chǎn)生的誤差又簡化了操作步驟，使測量結果更為

6、精確。 在一定溫度范圍內(nèi)，溫度高有利于PAAm和PAAm/LGS凝膠的溶脹，尤其是大于35℃后更加明顯。其平衡溶脹度隨溫度的變化符合：SR=E+FT+GT2。相對于PAAm凝膠來說，PAAm/Ca2+—LGS凝膠的最大平衡溶脹度提高12～15％，PAAm/Na+—LGS凝膠的最大平衡溶脹度大約為PAAm凝膠的3.4倍。 在酸堿溶液中LGS的加入同樣有利于PAAm/LGS水凝膠溶脹。當pH值在1—11之間時，水凝膠的平衡溶

7、脹度變化不明顯，而當pH值大于11時，水凝膠的平衡溶脹度呈迅速增大趨勢，且在pH=13時其平衡溶脹度達到最大值。其中pH=11是PAAm和PAAm/LGS凝膠在酸堿溶液中溶脹的一個臨界值。 PAAm凝膠對鹽濃度的增加并不敏感，具有顯著的耐鹽性能。而PAAm/LGS半互穿水凝膠的溶脹度隨著鹽溶液濃度的增加而發(fā)生變化。 溶劑種類對凝膠溶脹性能的影響結果表明：PAAm/LGS水凝膠的溶脹度均大于PAAm凝膠的溶脹度。PAAm和

8、PAAm/LGS凝膠在水中的平衡溶脹度大，而在純的乙醇中凝膠幾乎不發(fā)生溶脹。消溶脹研究結果顯示：引入木質(zhì)素磺酸鹽的PAAm/LGS水凝膠消溶脹速率快于PAAm凝膠的消溶脹速率。且PAAm和PAAm/LGS水凝膠在水中不發(fā)生消溶脹行為。PAAm和PAAm/LGS水凝膠在甲酰胺與水和乙醇與水交替刺激的溶脹—消溶脹結果發(fā)現(xiàn)，PAAm和PAAm/LGS水凝膠對溶劑的改變有較好的可逆響應性，其在乙醇—水中的響應速率更明顯。而且磺化木質(zhì)素的引入提高

9、水凝膠對溶劑交替刺激的響應性，其中PAAm/Na+—LGS水凝膠比PAAm/Ca2+-LGS水凝膠表現(xiàn)出更快的刺激響應性。 PAAm和PAAm/LGS水凝膠對金屬離子具有吸附作用，溫度的升高有利于PAAm和PAAm/LGS水凝膠對銅離子的吸附，但增加幅度不太明顯。在較低的pH值條件下，PAAm和PAAm/LGS水凝膠對銅離子的吸附容量相對較高，隨著溶液pH值的提高，水凝膠的吸附容量隨之降低。對于同一種凝膠，pH為2.09時，凝膠