辉光放电电解等离子体在高分子复合材料合成中的应用

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辉光放电电解等离子体是一种新型的电化学过程,属于非法拉第电解,其中等离子体由电极和电解质液面之间的直流辉光放电来维持。当辉光放电过程中两个电极间的电压超过一定阈值时,常规电解自动转化为辉光放电电解,从而不断产生等离子体,其中包括H·、·OH、H2O2、e-aq、HO2·等高能粒子、紫外辐射和高能冲击波,进而扩散进入溶液中,可引发多种类型溶液化学反应。本论文利用辉光放电电解等离子体制备了高分子复合材料,详细地讨论了反应机理,考察了放电过程参数对产物性能的影响。论文共由四章组成:第一章介绍了等离子体的特征及低温等离子体的研究进展,重点介绍了辉光放电电解等离子体的电解过程及反应机理、电极特征和非法拉第特性。目前,辉光放电电解等离子体已应用于废水处理、合成高分子材料、化学合成、重整低碳醇水溶液制氢和聚合物表面改性等领域。此外,还介绍了辉光放电电解等离子体反应装置的改进和发展。大量事实表明,利用辉光放电电解等离子体在溶液中产生的高能活性粒子,既可以引发高分子聚合反应,也能够对聚合物表面进行改性。第二章研究了以甲醇为溶剂,离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑溴化盐)为支持电解质,用辉光放电等离子体引发聚合一步合成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。产物转化率为62%,数均分子量高达1.37×106 g·mol-1,分子量分布指数低至1.2。最佳合成条件为:放电电压540 V,放电时间14 min,甲基丙烯酸甲酯与甲醇的摩尔比0.38,聚合反应温度90℃,聚合反应时间8 h。采用红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析(TGA)等手段对聚合物进行了表征。结果表明,等离子体引发聚合反应对单体呈一级动力学特征。第三章研究了利用辉光放电电解等离子体引发羟乙基纤维素接枝丙烯酸钠(AANa)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS) ,制备了一种新型HEC-g-P(AANa-co-AMPS)水凝胶。采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)和热重分析仪(TGA)对复合材料进行了表征。水凝胶在蒸馏水和0.9%NaCl水溶液中溶胀率分别为:2490 g/g和109 g/g,在pH值为7的水溶液中其吸水溶胀率最大。详细研究了HEC-g-P(AANa-co-AMPS)对重金属离子的吸附容量及吸附动力学过程,其对Ni(II)、Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)和Hg(II)最大吸附容量分别为:16.61、15.35、13.66、9.51和9.37 mmol/g,在所研究浓度范围内,其吸附等温线符合Langmuir型等温线。吸附动力学研究结果表明,其吸附速率较快,符合假二级吸附动力学模型。第四章研究了利用辉光放电电解等离子体,引发β-环糊精负载纳米四氧化三铁接枝顺丁烯二酸和丙烯酰胺的聚合反应,制备了β-CD-Fe3O4-g-P(AM-co-MA)吸附剂,详细考察了放电电压、放电时间、单体质量比率、β-环糊精用量、交联剂含量、聚合反应时间、聚合反应温度等反应条件对吸附剂吸附性能的影响。采用傅立叶变换红外光谱对合成复合材料进行表征。研究了吸附剂对Cu(Ⅱ)离子吸附动力学过程,其最大吸附容量为4.574mmol/g,30min后达到吸附平衡。利用假一级和假二级反应动力学模型对其吸附动力学过程进行数学模拟,结果表明其吸附动力学过程符合假二级动力学模型。并且应用Langmuir和Freundlich吸附等温式对其吸附热力学进行数学模拟和分析,研究结果表明,吸附剂对Cu(Ⅱ)吸附更符合Langmuir吸附模型。
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