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                瓜尔胶基高吸水性树脂的制备溶胀行为与保水性能

                发布日期:2015-01-24 12:04:14

                高吸水性树脂

                以天然瓜尔胶(GG)和丙烯酸(AA)为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)为交联剂,采用水溶液聚合法制备了瓜尔胶接枝聚丙還有雷劫在匯聚嗎烯酸(GOg-PAA>高吸水性树脂。考察了 MBA 浓度对树脂溶胀动力学和溶胀能力的影响,研究了树脂在不同亲水有机溶剂/水混@ 合溶液、不同阳离子盐 (NaCl、(:3(:12和卩6(:13)和阴离子盐(KN03、K2SO,和1<^〇4)溶液中在各浓度和离子强度下的溶胀行为,测 定了高吸水性树脂在室温和高温下的保水性能。结果表明,该树脂对亲水無數攻擊猛然落下有机溶剂较为敏感,吸水倍率随着亲 水有机溶剂浓度的增加迅速减小;在各种盐溶液中的吸水倍率随着离子强度的增加而下降。

                髙吸水性树脂是一种具有优异吸水和保水性能 的新型功能髙分子材料你就讓她在這里修煉吧,已在生理卫生用品、农林 园艺、废水处理和沙漠治理等方面得到了广泛应 用[1]。迄今为止,多种材料已被用于高吸水性树脂 的合成,在该人獸合體领域的研究已经取得了显著 进展[2_<]。
                近年来,环境友好高吸水性树脂的设计和合成 引起人们的广泛关注。天然髙分子具有成本低、可 再生和生物可降解性好等合成聚合物无法比拟的优 势,将其作为原料合成兼具优良吸水、保水性能和冰冷無情 环境友好性的新型高吸水材料表现出了广阔的应用 前景。目前淀粉[5]、纤维素[6]、壳聚糖[7]和海藻酸 钠?等已经用于高吸水性树脂的制备,进一步拓展 其他天然高分子在该领域的研究和应用具有重要 意义。
                瓜尔胶(GG)是一种天然非离子怎么跑到這里來了型半乳甘露 聚糖胶,其结构是以泽1,4苷键相互连接的1>甘 露糖单元为主链,再在主链上的部分D•甘露糖单 元的C6位上间隔地连接单个D■半乳糖(泽1,6苷 键)为支链,其半乳糖与甘露糖之比约为1 : 2%, 目前已经在纺织[1°]、造纸[11]和石油工业[12]等领域 得到了广泛的应玄仙用。然而,瓜尔胶在高吸透明水滴水性树脂 领域的应用研究还未见文献报道。为此,本工作以 天然GG为原料,通过接枝共聚反应制备了瓜尔胶 接枝聚丙烯酸(GG^g-PAA)高吸水性树脂,重点 研究了该树脂的制备、溶胀行为和保水性能。
                1实验如今正是擁有了四件帝品仙器材料和方法
                1.1材料
                瓜尔胶:食品级(数均分子量220000),武汉 天源生物技术有限公司;丙烯酸(AA):化学纯, pk10开奖结果五這控制星域联化工厂,使用前经减压蒸馏;过硫酸铵 (APS):分析纯,西安化学试剂厂;N,i\T-亚甲基 双丙烯酰胺(MBA):化学纯,中国医药(集团) pk10开奖结果化学试剂公司。其他试☉剂均为分析纯。
                1.2分析测试仪器
                电子微量天平清水臉色大變(精度为0. 01 mg),Sartorius BP211D型,瑞士;烘箱:DH09145A型电热恒 温鼓风干燥箱,pk10开奖结果一恒科技有限公司.
                1.3 GOg*PAA离吸水性树脂的制备
                将 36 ml NaOH (pH=12. 5, 0• 067 mol • L-1)
                溶液加入到装有机械搅拌器、回流冷凝管、氮气导 管和恒压加料管的250 ml四口烧瓶一旦兩只長情獸相愛但卻無法在一起中,向其中加 人1.04 g瓜尔胶制得分散溶液。在持续搅拌下, 将此溶液升温至60°C并恒温lh后,向其中滴入含 21. 6 mg引发剂APS的水溶液5 ml, 10 min后将 反应物冷却至40X:,向其中滴人含7.2 g丙烯酸、 8.5 ml 8 mol • L-1 NaOH溶液和一定量交联剂 MBA的混合溶液。滴加完后缓慢升温至70^,继 续恒温這三級仙帝一句話也不說反应3 h。整个实验过程均用氮气保护。反 应结束后,将所得的产物置于鼓风干燥箱内,在 60C下干燥至恒重,再将干树脂粉碎,过40?80 目(420?180 pm)网筛。
                1.4离吸水性树脂吸水倍率的测定
                称取0.05 g (m,)干燥样品于500 ml的烧杯 中,加人250 ml蒸馏水,放置4 h后达到何林溶胀平 衡。将溶胀凝胶用100目(150 网筛滤出并 静置10 min滤去多余水就看到了祖龍玉佩綠光爆閃分。然后称出溶圖神還是仙器之魂胀样品的 质量(m2),平行测定3次取平均值,按式(1) 计算出高吸水性树脂的吸水倍率
                Qeq = (mz — mi)/mi(1)
                高吸水性树脂在不同亲水有机溶剂/水混合溶 液和盐溶液中溶胀行为按类似上述方法测定,在蒸 馏水中的溶胀动力学按文献方法测定[13]。
                1.S离吸水性树脂保水性能的测定
                称取50 g充分溶勢力給挖出來胀的凝胶样品平铺在500 ml 烧杯底部,分别在室温(RT,相对空气湿度28% RH)、60、80、100X:下(置于烘箱内)放置,每 隔0.5 h称量一次溶胀样品的质量。水保持性能 按照式(2)计算
                WR = W,/W〇(2)
                式中W。为完全溶胀样品的质量,•为在一定 的时间间隔内溶胀样品的血玉王冠质量。
                2实验结果与讨论
                GG*g-PAA高吸水性树脂三维网络结构是通 过自由 屠神基接枝聚合和化学交联反应形成的,其聚合 反应机理如♂图1所示。首先引发剂过硫酸铵 (APS)受热分解产生自由基,然后与GG作用形 成GG~0 •自由基。当GOO .与单体AA接触时, 引发单体形成新的自由基活性点,更多的单体参与 反应使接枝链得以增长[14]»在聚合反应过一般程中, MBA均勻分散在体系中,并通过自身的不饱和双 键同时与两个活性点反应,将聚合物链交联』在一起
                chain initiation
                S2Og2"? 2S〇4
                GG-OH + 2S〇4? GG-0* + S〇r
                GG-O* + AA? GG-OAA,*
                chain propogation
                GG-OAAf + AA? GG-OAA 2-
                GG^OAA + AA? GG-OAA
                cross I inking„ „
                1.6386 mmol • L )〉GG~g-PAA (CMBA = 〇. 8193 mmol •L_1 ) > GG-g-PAA (CMBA=〇.4916
                mmol •L-1),而吸水倍率顺序正好相反。从上述 分析可以得出,在适当的盯著輝使者和耀使者逃跑范围内,减小交联剂的浓 度可以增加高吸水树脂的吸水能力,但降低了其大手筆吧吸 水速率;而增加交联剂的浓度减小了高吸水树脂的 吸水能力,但其吸水速率却会提高。 
                 
                形成三维网络结构。
                2.1 MBA浓度对离吸水树脂溶胀动力学的彩响
                不同MBA浓度条件下制备的高吸︽水性树脂在 蒸馏水中的溶胀动力学曲线见图2。从中可竟然會在大戰之中讓我突破到仙帝以看 出,各树脂的吸水速率在30 min以内较快,而在 30 min以后则趋向平缓。MBA浓度对树脂的溶胀 速率和溶胀能力的影响用Voigt-based弹力模型 表示[13]
                S, = pi\- e-,/r)(3)
                式中S(是髙吸水性树脂在任一时刻《的吸水倍 率,P是溶胀能力参数,表示理论平衡吸 水倍率,g*g_1; <表示时间,min; r为速率参数 (达到平衡吸水量的63%时所需黑狼之遁要的时间),min。 将实验‘数据用式(3)拟合后发现,不同MBA浓 度条件下制备的高吸水性树脂的速率参数A•分别为 7. 72 min (CMBA = 〇* 4916 mmol • L—!)、7. 67 min
                (。他八=0.8193 111〇1〇卜[_1)和4.45 111111(〇^ =
                1.6386 mmol • L—1);溶胀能力参数户分别为 1114.61 g • g-1 (CMBA = 0.4916 mmol • L—1)、 1048. 91 g • g_1 (CMBA = 〇- 8193 mmol • L"1) fP 554.87 g • g_1 (CMBA = 1. 6386 mmol • L_1)。较 小的r值通常反映较高的溶胀速率,而较大的p值 反映较高的吸水溶胀能力。所以,通过数据拟合所 求得的r和不到片刻時間户值可以判断各样品吸水速率和吸水倍 率的高低。不同MBA浓度条件下制得的髙吸水性 树脂的溶胀速率顺序为:GOg-PAA (CMBA =
                2.2离吸水性树脂在亲水有机溶剂/水混※合溶液中
                的溶胀行为
                高吸水性树脂随外界条件(如温度和丙酮都不要獨自分開溶剂 浓度等)变化会出现体积相变现象[15],这对其应 用有较大影响[16]。因此,作一名仙君幫手者研究了 GG~g-PAA 高吸水性树脂在不管輸贏甲醇/水、乙醇/水和丙酮/水混合 溶液中的溶胀和体积相变行为,溶胀曲线示于图 3。从图中可以看出,GOg-PAA高吸水性树脂的 吸水倍率随着亲水有机溶剂浓度的增加而下降。与 聚丙烯酸/凹凸棒黏土复合高吸水但卻支撐不了多久性树脂相比[17], 该树脂对亲水有机溶剂较为敏感。由于凝胶在外界 条件变化时具有凝胶相变和凝胶坍塌现象,所以当 亲水有机溶剂浓度大于10% (体积,下同)时, 凝胶网络开始塌陷导致其吸水能力迅速降低并在浓 度大子60%时接你說近于零。然而,当亲水有机溶剂 的浓度低于10%时,树脂的吸嗡水能力下降较小。 在甲醇/水混合¤溶液中,树脂的吸水倍率在10%? 60%浓度范围内呈线性下降;在乙醇/水和丙酮/水 混合溶液中,树脂的吸水倍率在10%?40%浓度 范围内呈线性下降,但在40%?60%范围内下降爆炸 速度减慢。高吸水性树脂在不同浓度区间吸水倍率 次序为:甲醇/水> 丙酮/水> 乙醇/水(10%? 20%);甲醇/水> 乙醇/水> 丙酮/水(20%?
                表1不同浓度亲水有机溶剂/水混合溶液的介电常数 Table 1 Dielectric constants of various hydrophilic organic solvent/water mixture solutions with various concentrations
                Concentration
                /%(vol)Dielectric constant
                Methanol/
                waterEthanol/
                waterAcetone/
                water
                078. 5478. 5478.54
                1073.9573. 1672. 76
                2069,3667,6966, 97
                3064.7762.276h00
                4060. 1856. 8555.40
                5055.5951.4249. 62
                6050. 9946. 0043.84
                7046.4040. 5738.05
                8041.8135. 1532. 27
                10032. 6324. 3020.70
                80%)。这种趋势是由于溶液中亲水有卐机溶质的存 在产生了额外渗透压以及混合溶液介电常数差异影 响了离子基团的解离整個東嵐外域頓時刮起一陣狂風度。当有机溶剂浓度较低时, 混合溶液的介电常数接近于水的介电常数,所以树 脂在混合溶液中的吸水倍率与在千仞水中非常接近。当 有机溶剂的浓度从10%增加到20%时,亲水有机 溶剂可以充当溶质而产生一种额外的渗透压,该渗 透压在这个浓度区间的影响大于介电常数差别的影 响。当浓度大于20%时,混合溶液的介叫水元波出來电常数差 别较大,此时介电常数差别对网络内离子的解离度 的影响起主要作用含两种组分混合溶液的介 电常数(£)按式(4)计算
                £ = ⑷
                式中A和&分别表示亲水有机溶剂和水的体积分 数,^和£2分别表示亲水有机溶剂和水的介电常 数,计算结果⊙示于表1„可以看出,在既定浓度下 混合溶液的介电一件神器常数次序为:甲醇/水>乙醇/水> 丙酮/水。因为较大的介电常数有利于增加基团的 离子化程度,所以在该浓度范围内树脂在甲人醇/水 混合溶液中的吸水倍率最高,在丙酮/水混合溶液 中的吸水倍率最低。当溶液浓度增加到以上 时,各混合溶液的介电常数接近且数值较小,因此 在此浓度范围内,树脂在3种不同溶液中的吸水倍 率几乎因此他們所管轄相等且接近于零。
                2.3高吸水性树脂在不同阳离子盐溶液中的溶胀 行为
                髙吸水性树脂在不同阳离子盐溶液中的溶胀行 为如图4所示。树脂的吸水倍率随着外界盐溶液 (NaCl、CaCl2和FeCl3)离子强度的增加而下降, 这是由凝胶网络与外部溶液的渗透压差下降引一道令人驚顫起 的。在离子强度○为IX 10_4 mol* kg-1时,树脂在 不同阳离子盐溶液黑風寨大寨主中的吸水倍率顺序为:CaClz> FeCl3>NaCl;在离子强度为 lXl(T3mol • kg-1 时,FeCl3>CaCl2>NaCl;在离子强度为 5X10—3 mol • kg-1 时,FeCl3 > NaCl > CaCl2;离子强嗖高 于 1X1CT2 mol • kg—1 时,NaCl>FeCl3>CaCl2。 这表明在较低离子强度时,一价阳离子对吸水倍率 具有更显著的影响,而而在這爆閃在较高离子强度时,多价阳 离子对树脂吸水倍率影响雷神之錘不由急聲大喊更大。因此,树脂在单价 阳离子盐溶液中的吸水倍率曲线比在多价阳离子溶 液中更为平〗缓,其原因为多价的Ca2+和Fe3+可与 聚合物网络中的一COCT基团络合,增加了笑意树脂的 有效交联密度,减小了那三供奉可容纳水分子的凝胶网格空 间,从而使吸水倍率下降。
                2.4高吸水性树脂在不同阴离子盐溶液中的溶胀 行为
                高吸水性树脂在不同阴离子盐溶液中的溶胀行 为如图5所示。不同价态阴离子对树脂吸水能力有 较大影响。随着溶液离子强度的增加,树脂的吸水 能力下降。在同一离子强度下,高吸水性树脂在三 价阴离子(p〇r)盐溶液中的吸水倍率高于在一 价(NOP和二价(S〇r)阴离子盐溶液中的吸 水倍率。在较低离子强度时(lx 1(T3 mol • kg一树脂在一价阴离子盐溶液中的吸水倍率髙 于在二价阴离子盐溶液中的吸水倍率,而在较高离 子强度(IXIO-S-IXICT1 mol • kg-^ 时却观察 到相反的结果。这种趋势与聚丙烯酸/凹凸棒黏土
                200
                0
                在各种阴离子盐溶液中的溶胀行为ㄨ相似[17]。
                2.S保水性能
                作为一种新型节水材料,高吸水性树脂在不同 温度条件下的保水性能对其在各领域的应用有较大 影响。因此,作者测定了 GOg-PAA高吸水性树 脂在室温(RT)和高温下的保水性能,保水曲线 示于图6。从中可以看出,充分溶胀的树脂在室 温、60、80、100°C的保水率均随着时间的延长而 下降。在起始阶段♂,保水率随时间延长呈线性下降 趋势,而在后期失水速率明天際显减慢。该树脂在室温 下的保水曲线较高温时平缓,在60°C时而后呼了口氣的保水曲 线明显比在8(TC和100X:时平缓,而且表现出→了最 长的保水时间14 h。与之相反,树脂在80X:和 l〇〇t:时的保水曲线更陡,而且二者线形较为接近。 树脂在室温下可保水6 d,在80X:时的保水时间为 9h,在l〇〇°C时的保水时间看著半空中也达到7h,表明该高 吸水性树脂具有较好的保水性能。
                3结论
                (1)以GG和AA为原料,过硫酸铵为引发 剂,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,用水溶液 聚合成功】制备了 GG-g-PAA高吸水性树脂。
                (2)交联剂MBA浓度对高吸水性树脂溶胀动 力学和溶出什么事了胀能力有较大影响。降低MBA的浓度可 提高树脂的吸水能力,但却使其吸水速率下降;增 加MBA的浓度会降低树脂的吸水能力,但却能够 使吸水々速率得以提高。
                (3)GOg-PAA高吸水性树脂对亲水有机溶 剂较为敏感,随着亲水有机溶剂/水混合溶液浓度 的增加,其吸水倍率迅速下降,其這一點中在乙醇/水和 丙酮/水混合溶液中下降较为明显。
                (4)不同阳离子和阴离子盐对树脂的吸水能力 有较大影响,随着盐溶液离子强度的增加树脂♀的吸 水倍率下降。在较髙离子强度时(>1X1(T2 mol* kg-1),在单价阳离子盐溶液中的吸水倍沉聲問道率 高于多价阳离子盐溶液。在相同k离子强度时,树脂 在3种阴离子盐溶液中的溶胀能力次序为: KNO^KdC^KsPCX。
                (5)温度对树脂的保水能力有较大影响,充分 溶胀的高吸水性树脂在室温条件下(相对空气湿度 28% RH)可以保水6 d,在60TC时可保水14 h, 在100X:时也能水元波眼中也是殺機爆閃达到7 h,表现出了较好的保水效果。
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