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高吸水性树脂的结构设计与性能研究
中文名称: 高吸水性树脂的结构设计与性能研究
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论文编号: 3116665收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Study on the Structure Design and Performance of Super Absorbent Resin
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 材料学
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 高吸水性树脂 聚丙烯酸盐 蒙脱石 海藻酸钠 生物降解 反相悬浮聚合法 结构设计
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论文简介:应用分子结构设计理论,以丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、蒙脱石(MMT)和海藻酸钠(SA)等为主要原料,设计并用反相悬浮聚合法合成了PAA/MMT、PAA/AMPS/MMT和PAA/SA高吸水性树脂,探讨了影响高吸水性树脂性能的各种因素,研究了高吸水性树脂的吸水性能、保水性能、耐盐性能、热稳定性能、生物降解性能和结构。 采用二次插层法使蒙脱石先后与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)反应制得有机蒙脱石,使蒙脱石层间距从1.26nm增大至3.07nm,有利于MMT与PAA的插层复合反应,证明二次插层法是一种较好的制备有机蒙脱石的方法。 实验结果证明反相悬浮法是一种较好的合成高吸水性树脂的方法,可避免聚合产物吸收大量的水,产品呈小颗粒状,有利于聚合反应进行和产物后处理。考察了分散介质种类和油水体积比,分散剂种类和用量等反应条件对吸水性能的影响。实验结果表明:宜采用环己烷为分散介质,环己烷和水的油水体积比为3∶1;Span-60和Tween-80为分散剂,Span-60和Tween-80质量比为2∶1。 系统研究了各种反应条件对高吸水性树脂的吸水性能的影响,优化了合成工艺条件,结果如下: PAA/MMT高吸水性树脂:相对于环己烷,分散剂的质量分数为2﹪;相对于丙烯酸单体,交联剂(NMBA)、引发剂(KPS)和蒙脱石的质量分数分别为0.1﹪、2﹪和10﹪;丙烯酸中和度为70﹪;聚合反应温度为70℃。在此条件下合成的PAA/MMT高吸水性树脂,吸水率为783g/g,吸盐水(0.9﹪NaCl水溶液)率为86g/g。 PAA/AMPS/MMT高吸水性树脂:相对于环己烷,分散剂的质量分数为2﹪;相对于AA和AMPS,NMBA、KPS、MMT和AMPS的质量分数分别为0.1﹪、2﹪、10﹪、30﹪;丙烯酸中和度为75﹪;聚合反应温度为70℃。在此条件下合成的PAA/AMPS/MMT高吸水性树脂,吸水率为857g/g,吸盐水率为129g/g。 PAA/SA高吸水性树脂:相对于环己烷,分散剂的质量分数为3﹪;相对于反应单体AA和SA,NMBA、KPS和SA的质量分数分别为0.1﹪、1.0﹪和1.5﹪;丙烯酸中和度65﹪;聚合反应温度70℃。在此条件下合成的PAA/SA高吸水性树脂,吸水率为814g/g,吸盐水率为79g/g。 研究了PAA/MMT、PAA/AMPS/MMT、PAA/SA高吸水性树脂的吸水保水性能和吸水速率和凝胶强度。结果表明:PAA/MMT和PAA/AMPS/MMT高吸水性树脂的吸水率随MMT质量分数的增加而降低;在一定范围内,吸盐水率和吸水速率则随MMT质量分数的增加而升高。与PAA高吸水性树脂相比,MMT质量分数为10﹪的PAA/MMT高吸水性树脂吸盐水率提高了约20﹪,吸水速度则几乎提高了1倍。AMPS和MMT质量分数分别为30﹪和10﹪的PAA/AMPS/MMT高吸水性树脂与MMT质量分数为10﹪的PAA/MMT高吸水性树脂相比,吸水速率和吸水率又有不同程度的提高,而吸盐水率(0.9﹪NaCl水溶液)则提高了50﹪。三种高吸水性树脂均具有较好的保水性能,在自然状态下放置8周,保水率保持在60﹪以上;在0.25MPa压力下,保水率保持在80﹪以上。温度对保水性能影响很大,保水率随温度升高而显著降低。MMT的加入使树脂吸水后的凝胶强度有很大影响,从13.6MPa(PAA)提高到49MPa(PAA/MMT)和55MPa(PAA/AMPS/MMT)。 通过对所合成的高吸水性树脂在电解质溶液及不同PH值溶液中的吸水能力的研究发现,所合成的高吸水性树脂的膨胀现象可用Flory膨胀理论来解释。在各种电解质溶液中,溶液浓度增加,吸水能力下降,对于同一种阴离子或阳离子,吸水能力随着反离子电荷数的增加而减小,且溶液中离子的电荷数越多,对树脂吸水性能的影响也就越大。在不同PH值溶液中,PH=7时具有最大的吸水能力,酸性条件对吸水率的影响较大,而碱性条件的影响较小。 红外光谱分析表明在所合成的高吸水性树脂中,聚丙烯酸盐与蒙脱石或海藻酸钠产生了接枝共聚反应,并非简单的加合。XRD分析表明蒙脱石的片层已经被完全撑开,均匀地分散在聚合物基体中。TEM分析表明蒙脱石的加入对树脂颗粒的大小和形状有较大的影响。SEM分析表明PAA/SA高吸水性树脂表面为层状结构,并且表面有孔洞,这对改善高吸水性树脂的吸水保水性能是有利的。 研究了PAA/SA高吸水性树脂的生物降解性能。结果表明:PAA/SA高吸水性树脂具有良好的生物降解性能,可被黑曲霉菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽苞杆菌和大肠杆菌等微生物以及土壤、活性污泥降解。海藻酸钠质量分数为10﹪的PAA/SA高吸水性树脂,在土壤中掩埋60d能被降解37.6﹪,在枯草芽苞杆菌培养液中60d能被降解52.2﹪,而在活性污泥中15d就能降解超过50﹪。海藻酸钠质量分数对PAA/SA高吸水性树脂的降解性能有较大影响。随着海藻酸钠质量分数的增加,PAA/SA高吸水性树脂的生物降解性能提高,但吸水性能下降。因此,可根据需要,通过控制海藻酸钠的质量分数来调节PAA/SA高吸水性树脂的吸水能力和生物降解速度。
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