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                蒙脫土聚丙烯酰胺復合涂層導水纖維的制備及性能

                發布日期:2015-01-21 14:22:31

                蒙脫土聚丙烯酰胺復合涂層導水纖維的制備及性能

                用鈉基蒙脫土 /聚丙烯酰胺及有機蒙脫土 / 聚丙烯酰胺兩種復合涂層材料,對天然纖維進行涂層 化處理,制備了兩種蒙脫土 /聚丙烯酰胺復合涂層導水 纖維。用快速水分測定法研究了導水纖維在不同溫度 和土壤濕度時的動態導水規律。利用掃描電銑觀察了 涂層纖維的表面形貌及涂層材料在不同水勢下的微現 形貌。采用X射線衍射儀及比表面積與孔徑分布測 定儀對普通蒙脫土與有機蒙脫土的物理結構進行表 征。實驗表明涂層導水纖維具有基于土壤溫度及濕度 的自調節機制,以便保證植物生長的合理土壤濕度。 對蒙脫土進行有機化處理后,其層間距及孔徑增大,有利于水分的傳導。

                荒漠化已被列為當今世界具有局地與全球效應的 最為嚴重的環境問題,成為實現聯合國千年發展目標 的主要障礙[1],我國[2]現有荒漠化土地2. 6362 X 106km2,占國土面積的27. 46% ,分布于18個省的498 個縣,影響我國近4億人口和占全國75%的少數民族 人口的生產生活,每年因荒漠化造成的經濟損失達 540億人民幣,要在荒漠化地區進行生態治理,恢復 植被是最根本的解決手段。因此荒漠化地區干旱條件 下植物的成活和存活問題成為亟待解決的問題?;哪?化地區的水資源缺乏已成為植物成活和正常生長制約 因素,必須想方設法合理利用緊缺的水資源[33。目前 國內外的合理利用水資源的技術主要有滴滲灌w,集 水[5]、固體水[6_7]、保水劑[8]等技術。滴滲灌技術能夠 保證長期供水,但運行成本高、需定期清理鈣化塞孔、 適合資金周轉快的經濟作物和園藝,不適合植樹造 林[9];集水技術受干旱地區降水資源的分布的影響;固 體水中98%的成分為水,在土壤微生物的作用下緩慢 釋水,其釋水量受不同土壤微生物的影響,還存在釋水 速度可控和成本上的障礙。保水劑的生產工藝多采用 在引發劑誘導下的單體聚合工藝,生產成本較髙,生產 工藝較復雜。用量過大,非但不能促進根系發育,反而 抑制根的伸長和降低根的生理機能,降低移栽后成活 率和出苗率。
                涂層導水纖維由天然植物纖維經涂層化處理而制 備,具有隨外界環境變化而可控導水的性質。將涂層 導水纖維與髙分子材料復合后得到的復合薄膜包裝一 定水后,埋入植物根部后,涂層纖維可根據環境和植物 生長的需要,可控地將水由膜內傳向膜外,滿足植物生 長的需要。將涂層導水纖維應用于干旱和半干旱地區 的植樹造林,可合理利用該地區有限的水資源。本文 采用吸水性高分子聚丙烯酰胺與蒙脫土制備涂層材 料,并用其對纖維進行涂層化處理,得到了蒙脫土 /聚 丙烯酰胺復合涂層導水纖維,同時對其可控導水性能 進行研究。
                涂層材料由吸水性有機高分子聚丙烯酰胺 (PAM)與超細蒙脫土顆粒組成,同時加人微量明膠促 進成膜。蒙脫土分別采用鈉基蒙脫土和有機蒙脫土 (用有機改性劑十六烷基三甲基銨和芐基三甲基銨對 鈉基蒙脫土進行有機化改性制備)。按一定比例配制 成蒙脫土-聚丙烯酰胺復合膠體溶液,將復合溶液涂敷 于纖維支撐體表面,烘干處理,制備出涂層導水纖維, 并與髙分子基材復合成膜。
                將蒙脫土 /聚丙烯酰胺復合膠體溶液涂敷于纖維 支撐體表面,供干處理,制備出涂層導水纖維,然后將 導水纖維與高分子基材復合制成纖維密度為25束/ dm2的復合薄膜。用該膜包裝一定量水后,用德國 M30快速水分測定儀測定膜在規定時間不同溫度下 的起始質量和最終質量,計算失水率;將包裝水放入不 同濕度的土壤中,根據其在一定時間內質量的變化,獲 得導水纖維在不同濕度土壤中的導水規律》由于基體 髙分子薄膜不透水,因此復合薄膜的失水率即為涂層 導水纖維的失水率。
                涂層導水纖維的失水率基本上都隨著溫 度的升髙而增加,說明涂層導水纖維能夠根據溫度的 高低自動調節失水率來滿足干旱地區對水的箱要。圖 3表明涂層導水纖維的失水率隨土壤濕度的增加而減 小,同時,當土壤濕度增加時,涂層導水纖維的失水速 率也減慢,這是由于土壤濕度的增大導致了導水纖維 兩端相對濕度差的減小,從而引起涂層材料中吸附勢 的減小,造成水分傳導速度的減慢,最終導致了滲水速 度減小。由此可見,隨著土壤濕度的變化,涂層纖維可 以相應地改變滲水速度以適應這種變化,從而將土壤 水分控制在植物正常生長所需的水分范圍之內,達到 了水資源的充分合理利用。
                未經有機化改性的蒙脫土和有機蒙脫土的 XRD譜線,蒙脫土和有機蒙脫土的衍射角分別為 8.54、7.28°,因此蒙脫土的層間距和有機蒙脫土的層 間距分別為l.〇37、1.215mn•有機化后蒙脫土的層間 距增大,因此可能會對涂層的導水效果產生一定影響。 普通鈉基蒙脫土的平均孔徑只有5.45901nm,而經有 機化改性的蒙脫土的平均孔徑為71. 79244mn,有機蒙 脫土孔徑增大的原因是由于有機鏈段嵌入蒙脫土的片 層中使層間距增大。
                分別為蒙脫土和有機蒙脫土的孔徑 分布曲線圖,可以看到鈉基膨潤土的孔徑在中孔以上 沒有出現明顯的可幾分布。有機蒙脫土孔徑在50mn 以下存在可幾分布的峰值,已經達到了超大中孔。由 上分析可知有機化蒙脫土在物理性能上優于普通蒙脫 土,其層間距和孔徑大于未經有機化的蒙脫土,且有機 化后與聚丙烯酰胺的相互作用將增強,因而用有機蒙 脫土制備的涂層材料的導水性能較好。
                聚丙烯酰胺是具有三維網狀結構的聚電解質,吸 水前,髙分子長鏈互相攏纏在一起,彼此交聯成網狀結 構,當遇水時,親水基團通過物理作用與化學作用與水 結合,使髙分子網束擴張。親水性的蒙脫土遇水后,可 以通過與水分子的靜電吸附和氫鍵吸附發生水化作 用,水分子進入蒙脫土的晶層間,蒙脫土發生膨脹 >隨 著水化膨脹作用的進行,當晶層間的斥力大于其連結 力時,蒙脫土顆粒就沿層面分開,由大顆粒變為小顆 粒,出現分散現象。因此蒙脫土可以分散于聚丙烯酰 胺溶液中,而聚丙烯酰胺對分散于其間的蒙脫土顆粒 具有支配作用,當聚丙烯酰胺發生溶脹或脫水時,蒙石 土顆粒在水合官能團作用下發生對應性的斷橋或橋 接。當涂層纖維復合薄膜包裝水后,涂層纖維兩側處 于不同的條件下,膜內與膜外有一定的水勢梯度,水分 子從水勢髙的一端(膜內)傳導到水勢低的一端(膜 外)。高吸水性樹脂吸水溶脹不一致,導致沿涂層纖維 形成不同水勢梯度,保證水分子通過涂層纖維轉移。 通過調整聚丙烯酰胺與蒙脫土的比例可以調節膜外端 涂層纖維合理的水勢。圖7(a)和(b)為聚丙烯酰胺一 蒙脫土復合涂層材料吸水溶脹后及未吸水時的表面形 貌。涂層材料吸水后,發生擴張;而未吸水的涂層材料的表面則形成交連狀態。
                (1〉蒙脫土進行有機化處理后層間距及孔徑增 大,孔徑分布較均一,且與聚丙烯酰胺有更強的結合 力,從而提髙了涂層材料的導水能力。
                (2)在不同的溫度和土壤濕度下,蒙脫土 /聚丙 烯酰胺復合涂層導水纖維的導水速度具有自調節性, 可提供植物生長所需的水分。
                (3)聚丙烯酰胺對分散于其樹枝網絡間的蒙脫 土顆粒具有支配作用,當聚丙烯酰胺吸水溶脹和脫水 時,蒙脫土在其間的狀態不同,從而使得纖維縱向形成 順暢的水分運移通道。
                 
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