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以聚丙烯(PP)纤维为基体,采用紫外辐照接枝改性的方法,在纤维基体上引入了丙烯酸十二酯单体(LA)得到接枝产物PP-g-LA。通过红外(IR)、扫描电镜(SEM)、接触角(CA)等结构表征证明丙烯酸十二酯单体已经成功接枝到了聚丙烯纤维上。考察了辐照时间、单体浓度、光敏剂浓度、溶剂种类以及溶剂配比等反应条件对聚丙烯纤维接枝率的影响。通过热重(TG)、差示扫描量热法(DSC)等热性能测试对接枝产物的热性能进行了评估。此外,还对改性聚丙烯纤维的力学性能进行了表征,结果证明接枝改性处理后的聚丙烯纤维的弹性模量和断裂伸长率都有明显提高。通过实验得出最佳的接枝条件为:辐照时间1h,单体浓度8%,光敏剂浓度0.625‰以及异丙醇:水溶剂配比1∶4。接枝改性处理后的聚丙烯纤维的吸油倍率明显增大,当改性聚丙烯纤维接枝率为20.55%时达到最大值,对柴油的吸附倍率为21.28g/g。
通过建立模拟实际复杂水质环境和水动力环境的实验装置,结合模拟实验形成适于不同水质环境特征的改性聚丙烯纤维构件排布,考察改性聚丙烯纤维在实际应用中对密度、粘度都相对较低的柴油等有机物的吸附能力。接枝改性处理后的聚丙烯纤维仍然具备聚丙烯原纤维快速吸附的特点。当应用于oil-over-water模拟体系且被吸附有机物过量时,改性聚丙烯纤维体现出良好的油水选择性,其对有机物的最大吸附倍率几乎不受反应体系中水溶液含盐度的影响。此外,从实际应用的角度出发,在油层极薄情况下先后考察了盐度、pH值、温度等自然环境中客观存在的影响因素对改性聚丙烯纤维吸附性能的影响。通过实验得出改性聚丙烯纤维最佳的吸附条件为:改性聚丙烯纤维接枝率为20.55%,反应体系pH值=8,温度和吸附时间分别为15℃和5s。
改性聚丙烯纤维基体的最大吸附倍率随其均聚率的增大而不断下降,当改性聚丙烯纤维均聚率从18.40%增大到70.51%时,改性聚丙烯纤维的最大吸附倍率却呈相反趋势,从18.85g/g下降到12.82g/g。由于均聚物是通过单体自聚后粘附在纤维基体表面而成,当均聚物浸入被吸附有机物时,会逐渐溶解在有机物中,亲油基团含量的降低会导致改性聚丙烯纤维重复使用性能的下降。当改性聚丙烯纤维均聚率70.51%时,其最大吸附倍率从初始时的12.96g/g下降到第10次循环使用时的7.89g/g。应用两部接枝法制备的改性聚丙烯纤维均聚现象得到了明显的改善,当单体浓度为8%时,纤维的均聚率为10.3%,仅为应用紫外辐照法制备而成改性聚丙烯纤维的15%左右。
改性聚丙烯纤维对有机物的吸附符合“相似相溶”原则,即由极性较大丙烯酸酯单体接枝制备而成的改性聚丙烯纤维对极性较大有机物的吸附效果明显大于极性较小丙烯酸酯单体制备的改性聚丙烯纤维,而对于极性较小或非极性有机物,则极性较小丙烯酸酯单体制备的改性聚丙烯纤维的最大吸附倍率更高。当单体配比(丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯/丙烯酸十二酯)为2∶2∶1时,此时的多单体改性聚丙烯纤维对不同极性的被吸附有机物都具有较好的吸附倍率、保油率及重复使用性能,应用此种改性聚丙烯纤维能够有效处理各种有机物的泄漏事故。
接枝改性处理后的聚丙烯纤维对复杂水溶液中的痕量有机物仍然保持着快速吸附的特点,在30秒时即达到了饱和吸附。而当改性聚丙烯纤维接枝率为20.55%时,其对DOP的去除率也达到了最大值75.7%。通过对吸附过程ΔH0及ΔG0值的计算表明改性聚丙烯纤维的吸附过程是一个自发进行的吸热过程。此外,此吸附过程与Freundlich曲线中有很好的相关性,证明改性聚丙烯纤维对痕量DOP的吸附属于单分子层吸附,并符合准二级动力学吸附模型。
本实验通过对传统聚丙烯吸油纤维进行接枝改性,利用紫外线辐射诱导的方法在聚丙烯纤维基体上接枝丙烯酸酯,使聚丙烯纤维单丝之间形成交联网络结构,在主要利用毛细管力作用吸油的聚丙烯纤维中引入高吸油树脂,将吸藏性吸油材料与胶化型材料的优势结合起来,并控制丙烯酸酯的接枝率和纤维的孔隙率,接枝后的改性聚丙烯纤维可望对有机物有更快的吸附速率、更高的吸附量、更好的吸油选择性和保油能力,同时接枝后提高了丝束的力学性能,从而提高其重复使用性。改性聚丙烯纤维制备方法简便、易于保存、效果良好,是一种能有效、经济的处理有机物泄漏事故的吸附材料。