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改性聚丙烯酸在水溶液中的行為及性能研究


        水溶性聚合物被廣泛的應用于石油開采、日用化工、醫藥制造,食品生產等領域中,而疏水改性的新型水溶性聚合物已經逐漸展現了巨大的應用潛力。本文采用體相粘度、激光共聚焦熒光顯微鏡(LCFM)、界面流變、乳狀液穩定性等多種實驗方法與耗散顆粒動力學(DPD)模擬方法相結合,研究了疏水改性聚丙烯酸的分子結構對其水溶液體相性質和界面性質的影響,以及這些性質對乳狀液穩定性的貢獻,建立了聚合物分子行為,宏觀溶液性質以及乳狀液穩定性之間的聯系。

         一.疏水改性聚丙烯酸水溶液性質以及聚合物在水溶液中分子行為的研究 采用體相流變和激光共聚焦熒光顯微鏡考察外界環境(pH和離子強度)對聚合物溶液的體相粘度以及其在水溶液中的分子形態的影響,采用DPD通過改變聚合物的分子結構來模擬在不同外界條件下聚合物分子在水溶液中的聚集行為,模擬中疏水改性聚丙烯酸分子中COOH和COO-基團的比例改變對應于溶液pH的改變。分子模擬結果與實驗結果吻合得很好,研究結果表明,在低pH條件下,分子中主要以COOH存在時,分子內強烈的氫鍵作用使得分子蜷縮成球狀,聚合物分子之間的交聯很少,聚合物鏈主要以塊狀顆粒的形式存在于溶液之中,體系的粘度很低。當pH增大時,分子中的COOH被逐漸中和為COO-,COO-之間的靜電斥力使聚合物分子伸展開來,聚合物分子之間開始出現交聯,溶液的粘度得到很大的提高。當溶液離子強度增大時,COO-之間的靜電斥力被屏蔽,聚合物分子擴展所需的驅動力減弱,聚合物分子交聯程度變小,溶液的粘度變小。研究結果表明,疏水改性使得分子間交聯程度增大,分子網絡結構更容易形成,水溶液粘度增大。疏水改性程度的增大對聚合物分子的聚集行為產生影響也會增大,其溶液的粘度逐漸增高。

         二.疏水改性聚丙烯酸水溶液的油水界面性質 通過界面流變實驗研究外界環境(pH和離子強度)對聚合物溶液油水界面張力和界面粘彈性的影響。研究結果表明,聚合物在油水界面上有一定的吸附,引起界面張力緩慢降低,模量緩慢升高,但是降低油水界面張力和增大油水界面粘彈性的幅度遠小于通常表面活性劑存在時的變化幅度,當改變聚合物溶液的pH時,隨著pH的增大,溶液的體相粘度增大,聚合物從體相到界面的擴散和吸附減慢。而離子強度的增大則導致聚合物溶液的粘度變小,加快聚合物在油水界面上的吸附。與未疏水改性的聚合物相比,疏水改性聚合物的界面吸附趨勢增大,以至于其界面性質受pH和離子強度的影響減小。另外,本部分還研究了非離子表面活性劑的加入對聚合物水溶液油水界面張力的影響。發現加入非離子表面活性劑會大大地降低油水界面張力,并且界面張力降低的速度明顯加快,油水界面膜的性質主要由表面活性劑決定,但顯然疏水改性聚合物仍有少量在界面吸附,并導致混合體系界面張力略高于只有表面活性劑的情況。

        三.疏水改性聚丙烯酸穩定的乳狀液性質的研究 前兩部分取得的研究結果給出了在外界環境(pH和離子強度)改變和表面活性劑的加入時幾種疏水改性聚合物的體相粘度和界面性質多樣化的變化,為探討乳狀液的穩定機制和因素提供了代表性體系。研究結果發現,在沒有表面活性劑存在時,pH和離子強度對用疏水改性聚丙烯酸形成的乳狀液穩定性的影響與其對聚合物水溶液的粘度性質的影響完全一致,而與界面張力變化規律不一致,說明相對于油水界面性質,聚合物水溶液的體相粘度對乳狀液穩定性起著更重要的作用,而疏水改性聚合物更容易形成分子網絡結構,提高溶液粘度,以動力學機制穩定乳液。研究還表明,具有較強界面吸附趨勢的疏水改性聚合物對乳狀液的穩定性更高,表明疏水改性聚合物在油水界面吸附以電性作用阻隔乳狀液滴聚并也是乳液穩定機制之一。在表面活性劑存在的情況下,油水界面張力大幅度降低引起乳狀液粒徑減小,以熱力學機制提高乳液穩定性,與聚合物動力學穩定機制共同發揮作用。

          本文通過結合分子模擬和實驗手段,表征了疏水改性聚丙烯酸在水溶液中的分子形為,以及當外界環境改變時,分子結構的改變對其分子行為的影響。同時,還研究了疏水改性聚丙烯酸水溶液的體相性質和其界面性質對乳狀液穩定性的影響,豐富完善了聚合物和表面活性劑對乳狀液的穩定機制,對于乳狀液的配方設計和乳化用聚合物分子的結構設計有一定的指導意義。

         本文的主要創新點: 一.分子模擬與實驗方法相結合,研究疏水改性的聚丙烯酸在水溶液中的分子形態,分析聚合物分子在水溶液中的聚集行為受環境因素影響的規律和機制。 二.系統研究了疏水改性聚合物分子的界面活性和對油水界面膜性質的改變,并探討了環境條件的影響規律和機制。環境條件引起體相和界面性質變化的多樣性為探討乳狀液穩定機制提供了典型樣本。 三.研究聚合物溶液的體相性質和界面性質對乳狀液穩定性的影響,探討了乳狀液穩定性的影響因素以及疏水改性聚合物和表面活性劑對乳狀液的穩定機制。

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