嵌段共聚物与二氧化硅胶体粒子之间相互作用

【摘要】：胶体体系是热力学不稳定体系,为使胶体长时间稳定的分散在体系中,需要加入一定量的电解质或者聚合物来提高其稳定性。但是胶体的稳定因素和聚沉因素是可以相互转化的,本论文主要制备了聚苯乙烯磺酸钠的均聚物和嵌段共聚物,并研究其与带相反电荷的二氧化硅胶体粒子在聚合物不同浓度下的稳定和絮凝行为。胶体粒子与高分子的相互作用主要分为两种：高分子化合物的絮凝作用和稳定作用。絮凝作用相比与电解质的聚沉作用具有迅速、彻底、沉淀疏松、过滤快、絮凝剂用量少等优点,特别对于颗粒较大的悬浮体系更为有效。因此,高分子絮凝剂广泛的用于污水处理、选择性选矿、钻井泥浆和造纸等工业。高分子的稳定作用第一种情况是指高分子化合物吸附在胶体粒子表面上并形成了一层高分子保护膜从而包围了胶体粒子,通常是指通过氢键、范德化力和静电吸引力等物理吸附,例如二氧化硅胶体粒子表面的硅羟基Si-OH和聚氧乙烯(PEG)的-CH2-CH2-O-链段之间可以通过氢键进行吸附。研究人员提出空间稳定理论(steric stabilization)和空位稳定理论(depletion stabilization)来解释高分子化合物的稳定作用。空间稳定理论是针对高分子化合物正吸附而提出的,两个相邻的带有聚合物吸附层的胶体粒子相互靠拢时,吸附层因聚合物失去结构性从而产生了熵斥力位能,或者吸附层受到压缩从而产生弹性斥力位能,新增加的斥力势能可以大大地提高胶体的稳定性。另一种情况是空位稳定理论针对聚合物负吸附提出的,相邻胶体粒子相互靠近时胶粒之间的聚合物分子移向体相溶液中,将消耗较多的功,自由能增大,因此使胶粒较难靠近,胶体呈稳定状态。 目前高分子絮凝剂应用的比较广泛的主要是聚电解质,如聚丙烯酰胺及其部分水解产物,聚丙烯酸类,聚苯乙烯磺酸钠等等。影响絮凝效果的因素有很多。外因如温度、溶液的pH值、胶体粒子的尺寸和表面性质以及所带电荷、搅拌方式与强度等；内因则是聚电解质的分子量、基团性质、基团的数量和带电基团在高分子链上的分布、水解度等。 本论文选用聚苯乙烯磺酸钠阴离子型高分子絮凝剂,主要是因为磺酸基可以在任何pH的溶液中完全电离,不用考虑聚电解质水解程度和基团分布等因素的影响。利用原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization)在水和甲醇的混合溶剂中成功的合成了PSSNa均聚物和PSSNa-b-PEG-b-PSSNa嵌段共聚物,通过FT-IR,1HNMR和GPC证明了所得聚合物符合预期设计,并且分子量分布较小(PDI1.5)。利用ATRP“活性”／可控聚合通过调节单体和引发剂比例,使聚苯乙烯磺酸钠链段的聚合度相同(DPss=32左右)。研究所制备的聚合物对二氧化硅胶体粒子(30CAL25)的在不同加入量下的稳定和絮凝行为。目前研究人员对絮凝过程的解释主要分为两种：桥联作用和电荷中和作用。由于PSSNa的分子量较小,所以引起絮凝的主要是电荷中和作用,这一点已经通过Zeta电位和浊度分析测试证明了。但是将不同分子量(Mn=5000和10000)的亲水柔性聚氧乙烯链段引入PSSNa链段中后,发现其对比于PSSNa的絮凝窗口变窄,通过动态光散射,Zeta电位和浊度分析仪证明了引入的PEG链段虽然可以是有利于PSSNa分子链的伸展,但由于PEG的空间稳定作用,最后还是降低了PSSNa的絮凝效率.