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对位芳纶化学改性及其性能研究

李沙沙  
【摘要】:对位芳纶(PPTA)以其高强度、高模量、耐化学腐蚀的特性,被广泛应用于航空航天、电器和特种品开发等领域。但其表面较低的极性和化学惰性也极大地限制了它作为复合材料的应用范围,同时,随着对位芳纶用量的增加,废弃量也与之剧增。因此,为了使对位芳纶复合材料的界面性能有所提高以及避免废弃对位芳纶污染环境等问题,设计和制备了具有双亲结构的环氧基修饰对位芳纶涂覆剂及对位芳纶负载偕胺肟吸附材料,对合成的材料进行了表征,并对其性能进行了研究。 本文采用金属化/取代反应,以对位芳纶为基体,环氧氯丙烷为改性剂,制备了环氧氯丙烷修饰的对位芳纶材料(PPTA-ECH),并以其作为涂覆剂涂覆到对位芳纶布及纤维上。利用红外分析、热重分析、透射电镜分析等对合成的含环氧丙基涂覆剂进行分析测试。发射扫瞄电镜和X射线光电子能谱表征了经涂覆后的纤维。经涂覆剂涂覆后的布与环氧树脂的层间剪切强度和面内剪切强度采用电子万能测样机测试。同时,预测了材料的涂覆机理。红外光谱分析证明,环氧丙基成功的引入到了对位芳纶表面;热重分析表明,制得的涂覆剂的热稳定性比未改性的PPTA低~40K;透射电镜图片表明,钠金属化的PPTA(PPTA(Na))和PPTA-ECH为纳米结构, PPTA(Na)为纳米纤维,直径为20~50nm,PPTA-ECH溶液由是直径约为50~200nm核壳结构的纳米球组成的;场发射扫描电镜表明,涂覆剂PPTA-ECH成功的涂覆到了纤维表面;X射线光电子能谱表明,涂覆剂PPTA-ECH的XPS拟合图中在286.56eV和532.65eV处出现了两个新的吸收峰,这两处的峰值对应于环氧丙基中的C1s和O1s的键能,表明涂覆剂PPTA-ECH被成功的涂覆到了纤维表面;通过对复合材料的性能测试发现,经涂覆剂涂覆后复合材料的层间剪切强度和面内剪切强度都增强,且增大顺序为PPTA-ECH(pure) PPTA-ECHPPTA(Na)。 本文还研究了对位芳纶负载偕胺肟基材料的合成、表征及吸附性能以提高对位芳纶的综合使用率。通过丙烯腈将-CN引入PPTA表面,然后用盐酸羟胺将-CN转化为偕胺肟基,控制对位芳纶酰胺键与丙烯腈物质的量不同,得到三种偕胺肟吸附材料(即PPTA-AO1, PPTA-AO2, PPTA-AO3)。采用红外光谱分析、元素分析和热重分析对合成的产品进行了表征分析。这些表征表明,对位芳纶成功的负载上了偕胺肟基。研究了对位芳纶负载偕胺肟吸附材料对Hg(Ⅱ), Ag(I), Cu(Ⅱ), Pb(Ⅱ),Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的静态饱和吸附,静态饱和吸附表明,改性后对位芳纶吸附材料对Hg(Ⅱ)的吸附性能比对位芳纶吸附材料对其它离子要好。并着重研究了对位芳纶负载偕胺肟基吸附剂对Hg(Ⅱ)的吸附动力学、吸附热力学、选择性吸附。此外,还将PPTA-AO与其它吸附剂对Hg(Ⅱ), Cu(Ⅱ), Pb(Ⅱ)的吸附量做了比较。由吸附动力学可知,三种吸附材料对Hg(Ⅱ)的吸附过程可以使用拟二级动力学方程来更好的描述;热力学吸附实验说明,前两种对位芳纶吸附材料符合朗格缪尔方程。PPTA-AO3吸附材料对Hg(Ⅱ)的吸附性能可用弗伦德里希吸附方程能够更好的描述。热力学参数表明三种改性后的对位芳纶吸附材料对Hg(Ⅱ)的吸附过程为固-液面混乱度增加、自发进行的的吸热过程;吸附选择性实验表明,三种对位芳纶负载偕胺肟基材料可以很好地将Hg(Ⅱ)从Hg(Ⅱ)-Cu(Ⅱ), Hg(Ⅱ)-Pb(Ⅱ), Hg(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)二元混合离子体系中分离出来。通过比较本文制得的吸附剂与其它吸附剂对金属离子汞吸附量可知,PPTA-AO对Hg(Ⅱ), Cu(Ⅱ), Pb(Ⅱ)的吸附量较高,可以去除水溶液中的Hg(Ⅱ), Cu(Ⅱ), Pb(Ⅱ),对对位芳纶的循环利用和保护环境具有十分重要的意义。


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