聚丙烯酸钠—粘土纳米复合材料制备及性能研究

摘要

内蒙古自治区鄂尔多斯、乌海等地伴随煤层蕴藏着丰富的优质煤系高岭土,目前由于开发利用率低,造成严重的浪费和环境污染。蒙西红土矿位于内蒙古鄂尔多斯杭锦旗巴拉贡镇境内,成矿稳定,水平赋存,矿层巨厚,品位优良,是国内外少见的特大型露天易采矿,尚未发现对该矿的开发研究报道。本文将这两种粘土分别和丙烯酸单体进行共聚,合成了高吸水性纳米复合材料,不但扩展了两种粘土的应用空间,而且提高了复合材料的吸水吸盐性能。本文首先分别对两种粘土进行了不同的处理。对黑黛沟煤系高岭土以醋酸钾为插层剂,采用干法插层进行插层处理;并采用XRD及红外光谱等表征手段分析证明醋酸钾已插入煤系高岭土的层间,由布拉格公式计算得出:层间距增大到1.15nm,插层率为42.3％。对蒙西红土先进行两次提纯,经XRD图谱分析得知两次提纯后红土中的石英砂有效去除;而后采用十六烷基三甲基溴化铵对提纯后的蒙西红土进行有机化处理;通过XRD及红外光谱等手段证明烷基铵盐通过离子交换结合到了红土表面。以部分中和的丙烯酸为单体,通过溶液聚合的方式制备出聚丙烯酸钠-煤系高岭土插层高吸水性复合材料。在单因素实验中考察了交联剂用量、引发剂用量、单体用量、单体中和度和加土量等因素对复合材料吸水吸盐水性能的影响。通过正交实验得到最佳合成条件,在最佳合成条件下制备得到的复合材料的吸水及吸盐水率分别为1758g/g和119.3g/g。此外,还对复合材料的吸水速率、保水性能、凝胶强度和温度对吸水性能的影响进行了检测。通过对比实验发现,插层煤系高岭土的加入使得复合材料的吸水及吸盐水性能得到很大的提高。采用同样的聚合方式制备出聚丙烯酸钠-蒙西红土高吸水性复合材料。考察了交联剂用量、引发剂用量、单体用量、单体中和度和加土量等因素对复合材料吸水吸盐水性能的影响。由正交实验得到最佳合成条件,在最佳合成条件下制得的复合材料吸水及吸盐水率分别为1362g/g和113g/g。对复合材料的吸水速率、保水性能、凝胶强度和温度对吸水性的影响进行了检测。通过对比实验发现,有机化蒙西红土的加入同样使得复合材料的吸水及吸盐水性能得到很大的提高。本文采用X射线衍射、红外光谱和扫描电子显微镜等测试手段,对制备出的聚丙烯酸钠-煤系高岭土插层复合高吸水性材料和聚丙烯酸钠-蒙西红土复合高吸水性材料进行表征。由测试结果分析可知,煤系高岭土已被单体丙烯酸在层间聚合所剥离,分散在聚合物基体中,形成纳米复合结构;而蒙西红土主要以凹凸棒石的棒状结构分散在聚合物基体中。由于棒的截面直径在100nm以下,所以聚丙烯酸钠-蒙西红土复合高吸水性树脂也属于纳米复合材料。

目录

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 聚合物基纳米复合材料

1.1.1 国外研究现状

1.1.2 国内研究现状

1.2 高吸水性树脂

1.2.1 高吸水性树脂的分类

1.2.2 高吸水树脂的性能指标及测试方法

1.3 粘土有机化处理

1.3.1 高岭土插层处理

1.3.2 凹凸棒土有机化

1.4 聚丙烯酸-粘土纳米高吸水性复合材料的制备

1.4.1 溶液聚合法

1.4.2 反相悬浮聚合法

1.4.3 反相乳液聚合

1.5 本文的研究内容及意义

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 本文研究目的和意义

第二章 粘土的改性处理

2.1 实验部分

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验用仪器

2.1.3 煤系高岭土煅烧处理

2.1.4 煤系高岭土的插层处理

2.1.5 蒙西红土的有机化处理

2.1.6 X 射线衍射光谱(XRD)测试

2.1.7 红外光谱（IR）测试

2.1.8 透射电子显微镜(TEM)测试

2.2 结果与讨论

2.2.1 煤系高岭土插层处理及分析

2.2.2 蒙西红土的有机化处理及分析

2.3 本章小节

第三章 聚丙烯酸钠-煤系高岭土插层复合材料的制备及性能研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验用仪器

3.1.3 聚丙烯酸钠-煤系高岭土插层复合高吸水性树脂制备

3.1.4 实验设计

3.1.5 复合材料的性能测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 单因素实验结果与讨论

3.2.2 正交实验结果与讨论

3.2.3 对比实验

3.2.4 复合材料吸水性能

3.2.5 复合材料保水性能

3.2.6 复合材料凝胶强度

3.2.7 温度对复合材料吸水性能的影响

3.3 本章小结

第四章 聚丙烯酸钠-蒙西红土复合材料制备及性能研究

4.1 实验部分

4.1.1 实验试剂

4.1.2 实验用仪器

4.1.3 聚丙烯酸钠-蒙西红土复合高吸水性树脂制备

4.1.4 实验设计

4.1.5 聚丙烯酸钠-蒙西红土复合材料的性能测试

4.2 结果与讨论

4.2.1 单因素实验结果与讨论

4.2.2 正交实验结果与讨论

4.2.3 正交实验最佳条件边界值的考察

4.2.4 对比实验

4.2.5 复合材料吸水性能

4.2.6 复合材料保水性能

4.2.7 复合材料凝胶强度

4.2.8 温度对复合材料吸水性能的影响

4.3 本章小结

第五章 复合材料的结构表征及性能对比

5.1 实验部分

5.1.1 实验试剂

5.1.2 实验用仪器

5.1.3 复合材料的 X 射线衍射（XRD）测试

5.1.4 红外光谱分析

5.1.5 扫描电子显微镜分析

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 X 射线衍射分析讨论

5.2.2 傅立叶红外光谱分析与讨论

5.2.3 扫描电子显微镜分析讨论

5.3 同类复合材料的性能对比

5.4 本章小节

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

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