高强度大孔水凝胶的制备及其性能研究

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本论文首先综述了高强度水凝胶的类型、大孔水凝胶的制备以及太阳能界面蒸发海水淡化等领域的研究进展,深入讨论高强度水凝胶以及水凝胶材料在界面蒸发转化方面的应用。针对多孔水凝胶的力学强度差等限制,本论文提出了一种基于氯化钠为致孔剂,双交联水凝胶为骨架的高强度多孔水凝胶的制备方法,并研究了材料的力学性能以及多孔水凝胶在太阳能界面蒸汽转化材料方面的性能。本论文的主要研究内容以及结论如下:(1)利用氯化钠颗粒作为致孔剂,N-异丙基丙烯酰胺以及丙烯酸作为聚合单体,甲叉双丙烯酰胺为化学交联剂,在配置好预聚液后,将氯化钠填充到预聚液中并原位聚合,随后样品在铁离子溶液以及去离子水中进行浸泡处理得到了多孔水凝胶材料。通过电子显微镜的表征明确了材料的大孔结构,其尺寸从几十到几百微米不等;通过电子万能材料试验机的系统表征,我们发现所制备的样品的力学强度与丙烯酸在体系中的含量高度相关,当丙烯酸含量从25%升高到32.5%时,压缩强度不断增大,在固定应变为80%的条件下,压缩强度由2.65MPa增加到5.77MPa,力学强度增强明显,弹性模量由0.19MPa增加到1.35MPa,表现出优异的力学强度;由于N-异丙基丙烯酰胺的温敏性,当测试的环境为50℃时,力学强度进一步提高,表现出一定的温度响应性。此外,所制备的样品具有优异的弹性以及自恢复性能,材料在20次循环后,仍然保持一定的磁滞回环面积,在30分钟的恢复时间后,材料的力学强度、磁滞回环面积以及残余应变均得到了恢复。此外,得益于大孔的结构,材料的响应性具有快速的特点,在50℃的热水中,15s即可卷曲360°,10℃的冷水中,30s即可恢复原来的状态。(2)利用氯化钠为致孔剂,以丙烯酰胺以及丙烯酸为单体,甲叉双丙烯酰胺为交联剂,填充致孔剂后原位聚合后在铁离子溶液及去离子水中浸泡得到大孔水凝胶材料;随后采用原位聚合的方法在水凝胶体系中引入聚吡咯作为光热转换物质,并系统研究了其在太阳能界面光蒸汽转化的性能。研究表明该材料在1个太阳光的辐照条件下,光蒸汽产生的速率达到1.92Kg/m~2·h;研究表明,材料在3个太阳光的辐照条件下达到5.26Kg/m~2·h,聚光条件下的光蒸汽转化性能依然较好,表明大孔结构可以快速的补给表面失去的水分,体现出大孔水凝胶的优势;本论文选取有机染料及模拟海水作为处理的对象,并对收集的水进行了评价,研究表明,处理后的水中有机染料的去除率达99%,模拟海水经过处理后所含的盐分远低于WHO以及我国对饮用水的国家标准,表现出良好的应用价值。
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