離子交換纖維環(huán)境友好制備工藝研究.pdf

1、離子交換纖維(Ion Exchange Fiber，IEF)是一種纖維狀離子交換吸附材料，被科技界、產(chǎn)業(yè)界稱(chēng)之為二十一世紀(jì)最重要的功能材料之一，是一類(lèi)新型環(huán)境意識(shí)材料，具有諸多傳統(tǒng)離子交換材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境保護(hù)、重金屬離子去除、濕法冶金、生物醫(yī)學(xué)工程、電子工業(yè)，尤其在治理廢氣、廢水和分離純化、回收物質(zhì)資源再生等方面有著顯著的效果。但是此類(lèi)材料能夠買(mǎi)得到的產(chǎn)業(yè)化商品卻很少，研究性質(zhì)優(yōu)良、功能高效的離子交換纖維及其應(yīng)用技術(shù)，開(kāi)發(fā)可工

2、業(yè)化生產(chǎn)的環(huán)境友好的制備工藝，是此類(lèi)材料研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。 本研究以聚四氟乙烯纖維為基體，通過(guò)共輻照和預(yù)輻照接枝苯乙烯單體，而后把接枝纖維通過(guò)氯甲基化、胺化、轉(zhuǎn)型等化學(xué)修飾反應(yīng)制備出一種高交換容量、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗氧化的強(qiáng)堿型離子交換纖維材料。在接枝反應(yīng)中以本體聚合代替常用的懸浮聚合工藝，避免了單體和溶劑的巨大浪費(fèi)，減少后處理帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，解決了聚四氟乙烯輻照接枝關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。詳細(xì)討論了在纖維制備過(guò)程中

3、的一些影響因素，如單體濃度、輻照劑量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、活化劑種類(lèi)及用量和單體與纖維質(zhì)量比等對(duì)接枝率的影響，用FT—IR、TG、SEM、單絲拉伸儀等現(xiàn)代化測(cè)試手段對(duì)原料纖維、接枝纖維及陰離子交換纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、吸附容量等方面進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，預(yù)輻照接枝苯乙烯雖然接枝率較低，但減少了原材料的浪費(fèi)和均聚物的產(chǎn)生，體系中加入鎂粉會(huì)對(duì)接枝反應(yīng)產(chǎn)生有效的促進(jìn)作用。功能化后材料的拉伸伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度保持良好；5％熱失重溫度

4、高，可以在420℃左右的溫度下長(zhǎng)期工作，最大靜態(tài)交換容量達(dá)6.08mmol/g。還考察了其在酸性氣體吸附、強(qiáng)氧化性溶液中的應(yīng)用，材料對(duì)Cr2O72-和MnO4-離子的交換量分別為214.08mg/g和290.98mg/g。 通過(guò)引入親水性的丙烯酸提高聚丙烯(PP)纖維的親水性，然后把新型磺酸基單體對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)引入PP纖維表面制得強(qiáng)酸型離子交換纖維。考察了制備過(guò)程中影響接枝效率的關(guān)鍵因素，利用酸堿滴定、反射紅外、熱重分

5、析等分析手段表征了纖維的表面基團(tuán)的含量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在輻照接枝過(guò)程中，AA單體的存在能有效提高纖維表面親水性能，是SSS接枝于PP上的必要條件。另外，在接枝SSS的過(guò)程中加入適量金屬鹽會(huì)由于離子對(duì)效應(yīng)而顯著提高反應(yīng)接枝率。制得的離子交換材料靜態(tài)交換容量大于5mmol/g，其中磺酸基交換容量大于2mmol/g。產(chǎn)品具有良好的熱穩(wěn)定性，可以在200℃左右的溫度下長(zhǎng)期使用。SSS作為一種新型烯類(lèi)單體對(duì)PP纖維進(jìn)行接枝改性可以

6、大幅簡(jiǎn)化強(qiáng)酸型離子交換纖維的制備方法。此方法避免了傳統(tǒng)制備工藝磺化過(guò)程中對(duì)高濃度混酸或氯磺酸的使用從而解決了環(huán)境污染及不易于工業(yè)化等難題，也避免了對(duì)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度的嚴(yán)重破壞，是一種具有工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值的環(huán)境友好的新型材料制備方法。 通過(guò)接枝共聚丙烯酰胺單體制備了甘蔗渣基弱堿型陰離子交換纖維，考察了改性纖維以及其他類(lèi)型的離子交換材料在蔗糖脫色中的應(yīng)用，其中材料類(lèi)型、糖汁初始濃度和流速是影響最終材料脫色率的關(guān)鍵因素。和傳統(tǒng)的脫色材料以及

7、其他基體類(lèi)型的離子交換材料進(jìn)行了脫色效果比較。本文創(chuàng)新了應(yīng)用于蔗糖行業(yè)的離子交換材料的再生工藝。針對(duì)蔗糖溶液中鈣鎂離子的去除，開(kāi)發(fā)了稀汁軟化、濃汁再生的清潔型再生工藝，避免了稀鹽酸的使用，采用中性食鹽溶液作為再生溶液，避免了對(duì)蔗糖產(chǎn)品的污染。 該論文存在以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新性成果： 1.解決了聚四氟乙烯輻照接枝關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了以聚四氟乙烯纖維為基體，制備一種高交換容量、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化的強(qiáng)堿型離子交

8、換纖維材料的方法和工藝。 2.開(kāi)發(fā)了本體聚合接枝法制備離子交換纖維新工藝，避免了單體和溶劑的巨大浪費(fèi)，減少后處理帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。 3.創(chuàng)新雙功能單體一步接枝制備強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維的方法，避免了傳統(tǒng)強(qiáng)酸型離子交換纖維制備過(guò)程中采用高濃度混酸或氯磺酸對(duì)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度的嚴(yán)重破壞，同時(shí)避免了后續(xù)的環(huán)境污染問(wèn)題。 4.通過(guò)接枝共聚丙烯酰胺單體制備了甘蔗渣基離子交換纖維，考察了改性纖維在蔗糖脫色中的應(yīng)用。創(chuàng)新了應(yīng)用于蔗糖