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| 蒙脫土層間具有可交換的陽離子 | |||
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蒙脫土是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽粘土,層間具有可交換的陽離子。用NaCl處置后得到Na基土,層間距為1.4nm左右(Fig.1a,用HTMA B改性后稱為改性土,衍射峰從原來的6.3°移向低角4.5°左右,層間距增大為2nmFig.1.b,為下一步單體插層聚合提供了條件。聚合后干膠的層間距進一步增大,含10%粘土、5%DPA M樣品衍射峰出現(xiàn)在2.3°左右,層間距為3.9nmFig.1.c,說明單體順利地插層聚合。
取凝膠樣品,稱其干質(zhì)量Wd,用絲紗包裹,測定水凝膠在20℃～60℃的濕質(zhì)量Ws,溶脹比(SR定義為:某溫度下達到溶脹平衡狀態(tài)時凝膠中水的質(zhì)量與真空干燥至恒量時凝膠的質(zhì)量Wd之比(SR=Ws-Wd/Wd以SR對溫度作圖。一般而言,向凝膠中引入親水組分,其SR增大,引入疏水組分,其SR降低。然而對于NI-PA 共聚體系,觀察到:通過共聚引入小分子鏈的疏水組分(NDEA DPA M后,凝膠的SR反而會升高,兩種不同的共聚單體對凝膠的SR有不同影響。從Fig.2看出,引入DPA M共聚組分后,凝膠的SR有了較大的提高,其LCST降低為30℃,這與文獻[11]報道是類似的
加入改性粘土后,所得復(fù)合共聚凝膠不僅SR有了提高,其溫度響應(yīng)性能也有較大的提高(Fig.3對此的解釋是,粘土的納米尺寸,占據(jù)了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的局部孔洞,抵制了一局部水凝膠溶脹過程中受到應(yīng)力,使凝膠吸水溶脹變得較為容易;粘土吸水后進一步使聚合物網(wǎng)絡(luò)孔洞增大,水分子進出更為自由,也有利于提高凝膠的溫度響應(yīng)性能;另一方面,聚合物網(wǎng)絡(luò)孔洞的增大,有利于凝膠微環(huán)境堅持更多的自由水[10];粘土改性后,外表被十六烷基所覆蓋,聚合物親水基團與粘土的相互作用間引入了疏水層,使聚合物親水基團與水的作用有所降低,但降低的水平又不是太大,這樣就能提高凝膠的溫度響應(yīng)速率,使相轉(zhuǎn)變范圍變窄[7]將共聚單體變?yōu)镹DEA ,凝膠的性能又有所不同(Fig.4固定粘土的含量為10%,逐漸增大NDEA 含量,發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高,存在兩個LCST區(qū)域。第一個出現(xiàn)在20℃～25℃,認為是由于增加NDEA 含量,交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對溫度作用更加敏感,使凝膠吸附的自由水釋放的結(jié)果。第二個降低區(qū)域則是由于凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解體,親水基團與水的氫鍵作用減弱,而高分子鏈的疏水作用增強,使得結(jié)合水釋放的結(jié)果。
SDS一種常見的陰離子外表活性劑,測定PNIPA -co-NDEA /clai復(fù)合凝膠在不同濃度SDS水溶液中的溶脹性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn):質(zhì)量分數(shù)為0.1%SDS溶液中,復(fù)合凝膠的SR比在純水中有所減小,而不是增大,隨溫度的升高出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象(Fig.6.1%SDS溶液中復(fù)合凝膠的SR繼續(xù)降低,例如含有10%粘土和10%NDEA 凝膠25℃的溶脹率不到100Fig.7,水中則超過了160Fig.4.,隨溫度的變化規(guī)律較復(fù)雜,這是因為復(fù)合凝膠在SDS水溶液中存在復(fù)雜的相互作用,如聚合物-聚合物、聚合物-水、聚合物-粘土、聚合物-SDS水-粘土、SDS-粘土等,不同的外表活性劑濃度、不同溫度下,底哪一種相互作用為主,研究得還很不透徹。可以預(yù)見,這個體系的研究必將推動我對復(fù)合水凝膠溶脹機理的認識。
對水的釋放也可以表征溫敏水凝膠的溫度敏感性能。取凝膠樣品,稱其干質(zhì)量。20℃水中溶脹平衡后,稱其濕質(zhì)量。然后放入45℃水中,第5min及每隔10min稱一次濕質(zhì)量,算出凝膠吸收水的質(zhì)量。失水率定義為兩溫度下吸水量的差值與低溫下凝膠吸水量的比值(失水率=20℃時吸收的水分-45℃時吸收的水分)/20℃時吸收的水分),計算出凝膠在45℃各時刻的失水率,以失水率對時間作圖(Fig.5由Fig.5可知,保守PNIPA 水凝膠對水的釋放比較緩慢,而與NDEA DPA M共聚凝膠則對溫度響應(yīng)速率較快,加入粘土的共聚復(fù)合水凝膠對水的釋放速率則更要高得多。這是由于它交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)孔徑較傳統(tǒng)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑大,有利于內(nèi)部水分子擴散出來[11];同時,粘土在凝膠中可作為物理交聯(lián)點,大的交聯(lián)密度使凝膠收縮時的壓力增大,提高了對水的釋放性能;激進水凝膠在收縮時,可以觀察到會生成小氣泡。這是因為當凝膠收縮時發(fā)生內(nèi)部壓力,強迫凝膠保持的水釋放出來,而當水釋放進去時,立即,沿水釋放的路線發(fā)生小通道[7],這種小通道會有利于更多氣泡的發(fā)生、通過,從而降低了凝膠基于體積收縮發(fā)生內(nèi)部壓力,而恰恰是這種內(nèi)部壓力使凝膠有對水的釋放性能。不管是引入粘土還是共聚組分,都沒有觀察到氣泡的生成,因此,共聚的納米復(fù)合凝膠對水的釋放性能更佳。不論添加粘土與否,與NDEA 共聚的凝膠比與DPA M共聚的凝膠對水的釋放性能要好,這可能是由于NDEA 分子鏈長度較小,當溫度變化時更加易于運動的結(jié)果。 |
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