有机/埃洛石复合高吸水材料的制备及其性能研究

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有机/无机复合吸水材料作为一种新型吸水性材料,近年来成为国内外研究的热点,因其兼具有有机物与无机物的优点,能够有效提高吸水材料凝胶强度、耐盐性和热稳定性等综合性能,因此复合高吸水材料的研究越来越受到人们的重视。埃洛石纳米管(HNTs)是一种呈中空管状结构的天然粘土类硅酸盐矿物,具有比表面积大、热稳定性高、无毒无害和价格低廉等优点,已经在多种复合材料中应用。本课题以埃洛石纳米管及不同有机单体为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,采用水溶液聚合法合成了三种有机/埃洛石复合吸水材料,通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和热重(TG)的方法对样品进行表征,并对复合材料的综合性能进行研究。具体研究内容如下:(1)聚丙烯酸-丙烯酰胺/埃洛石复合材料的制备及其吸水性研究以HNTs、丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为原料,制备聚丙烯酸-丙烯酰胺/埃洛石(PAA-AM/HNTs)复合吸水材料。通过考察在不同HNTs掺入量、APS用量、AM和AA摩尔比、AA中和度下PAA-AM/HNTs时的吸水性,得出其最佳合成条件为:HNTs添加量为10%,APS用量为1.0%,AM和AA的摩尔比为3:5,AA的中和度为70%,此时吸水倍率达到1276g/g。SEM表征结果表明:该材料具有孔径在10μm左右的多孔结构,HNTs能均匀地分散在复合材料的内部。分别研究了其吸水速率、保水性能、重复利用性能以及在不同pH、盐溶液、有机溶剂等环境下的吸水性能,结果表明:与聚丙烯酸-丙烯酰胺(PAA-AM)相比,PAA-AM/HNTs复合材料的吸水能力明显提高,达到1255g/g;在60℃和100℃下保温5h以内,PAA-AM/HNTs拥有更好的保水性能;同时PAA-AM/HNTs具有良好的重复利用性,重复利用5次后的吸水倍率仍能保持其最初的78.0%。(2)聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺/埃洛石复合材料的制备及其吸水性研究以HNTs、AM和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为原料,制备聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺/埃洛石(PAMPS-AM/HNTs)复合吸水材料。通过考察在不同HNTs掺入量、MBA用量、AMPS和AM摩尔比、水解时间下PAMPS-AM/HNTs的吸水性,其最佳合成条件为:HNTs掺入量为5%,MBA用量为0.1%,AMPS和AM的摩尔比为1:5,水解时间为1h,此时吸水倍率达到1080g/g。SEM、TG表征表明:该材料的表面粗糙而结构疏松,热稳定性好。分别研究了其吸水速率、保水性能、重复利用性能以及在不同pH、盐溶液、有机溶剂等环境中的吸水性能,结果表明:PAMPS-AM/HNTs在前30min内具有较快的吸水速率,达到1050g/g;在60℃和100℃下保温3.5h以内,PAMPS-AM/HNTs拥有更好的保水性能;同时PAMPS-AM/HNTs具有良好的重复利用性,重复利用5次后的吸水倍率仍能保持其最初的83.3%。(3)壳聚糖-聚丙烯酸-丙烯酰胺/埃洛石复合材料的制备及其对铜离子的吸附研究以壳聚糖(CTS)、AA、AM和HNTs为原料,制备壳聚糖-聚丙烯酸-丙烯酰胺/埃洛石(CTS-PAA-AM/HNTs)复合材料,并研究其对铜离子的吸附性能。该材料的表征结果表明CTS、AA、AM与HNTs能够较好地结合在一起,具有更好的热稳定性,且表面粗糙而结构疏松。探讨了吸附剂用量、吸附时间、初始浓度、温度、pH等因素对铜离子吸附量的影响,研究表明:吸附剂的用量为0.1g时,其去除效率达到77.8%;铜离子的吸附量随初始浓度和温度的增加而提高,在温度为298K、起始浓度为600mg/L时,其最大吸附量达到132mg/g,吸附能力高于类似的吸附剂;吸附平衡所需的时间与起始浓度直接相关,在起始浓度为200mg/L时,达到吸附平衡所需要的时间为50min;在较宽的pH范围内(4~7),铜离子的吸附量能保持在95mg/g以上;经过5次的吸附脱附后,其吸附量为最初的86.5%。综上所述,本文以天然的HNTs为无机添加物,制备出不同的复合材料。实验结果表明,这些复合材料具有较好的吸附性能、热稳定性能和循环利用性能,使其具有广阔的应用前景。
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