Bentonite/SiO2基双重纳米复合水凝胶的合成及机械性能研究

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膨润土(Bentonite)是我国丰产的一类天然粘土矿物,主要成分为蒙脱土,是一种层状硅酸盐,片层厚度约1 nm,层间距为1-2.5 nm,具有独特的一维层状纳米结构和阳离子交换特性。然而,由于Bentonite片层之间具有较强的相互作用力,在水中分散时不能有效剥离,从而在制备有机无机复合水凝胶时,较难实现Bentonite与聚合物的纳米复合,从而影响凝胶的力学性能。基于此,研究者们通常使用阳离子表面活性剂做为插层剂,但插层效果不理想。因此研究新的插层剂,在改善插层基础上进一步提高凝胶强度是研究者们关注的重点。本文通过使用含有不同官能团的硅烷化试剂做为层状硅酸盐Bentonite的插层剂,扩大Bentonite的层间距,合成力学性能优异的双重纳米复合水凝胶。并探讨不同功能基团对水凝胶力学性能的影响。以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)作为插层剂,利用阳离子交换原理对Bentonite进行插层。并以AM和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为单体,利用溶胶凝胶化和自由基共聚的方法合成了P(AM-co-AMPS)/Bentonite/SiO2双重纳米复合水凝胶。探讨不同缩合pH环境和不同Bentonite浓度对Bentonite插层效果以及凝胶力学性能的影响。在分散液插层阶段,环境pH=9.7时更有利于Bnetonite的插层,粘土的层间距从1.21 nm扩大到2.04 nm,之后通过聚合热的作用,凝胶中的Bentonite达到了剥离状态。凝胶的力学性能由于双重纳米复合的机制得到了明显的提升,凝胶的压缩应力达到9.61 MPa,断裂能为6639.35J?m-2(含水量为85 wt%)。以乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)作为插层剂,利用其小尺寸对Bentonite进行插层。并利用其sol-gel反应,以及与AM的原位自由基共聚反应,合成了具有优异机械性能的新型双重纳米复合水凝胶。较低浓度的VTES有利于Bentontie的插层,Bentonite在分散液阶段已经达到剥离状态。凝胶的压缩应力达到4.65MPa,断裂能为6285.59 J·m-2(含水量为85 wt%)。该凝胶的有效交联密度高达77.17 mol?m-3。当含水量降至50 wt%时,凝胶压缩应力增加至25 MPa以上。以不含烯键的乙基三乙氧基硅烷(ETES)作为插层剂,利用其小尺寸对Bentonite进行插层,并以AM为单体合成PAM/Bentonite/SiO2双重纳米复合水凝胶。通过对比不同ETES含量的分散液及凝胶中Bentonite的插层效果得知,低浓度的ETES较有利于Bentonite的插层,Bentonite的层间距在分散液阶阶段已扩大到4.2 nm。随后经过聚合,凝胶中的Bentonite呈现出剥离状态。与VTES插层的凝胶不同,这种凝胶具有很好的拉伸性和延展性。拉伸应力为170.62 kPa,断裂伸长率为1259%。
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