CN112480321A - 一种多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水污染治理技术领域，且公开了一种多重网络交联的复合水凝胶材料，巯基化聚乙烯醇通过紫外光照射反应，过硫酸铵引发聚乙烯醇的巯基与丙烯酸和丙烯酰胺发生自由基聚合，使聚乙烯醇化学接枝到聚(丙烯酸‑丙烯酰胺)的分子链中，过化学共价键的结合，两者很难产生分离，聚乙烯醇接枝聚(丙烯酸‑丙烯酰胺)的多重网络交联的复合水凝胶材料，具有更加丰富的三维网络结构，复杂而有序的化学交联和物理交联显著增强了复合水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率等机械性能，复合水凝胶材料中含有丰富的羟基、氨基和羧基基团，对Cu2+等重金属离子具有很强的静电吸附和络合吸附的作用。

Description

一种多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水污染治理技术领域，具体为一种多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法和应用。
背景技术
我国的污染问题日益严峻，主要是工业废水和生活污水，以及生活垃圾随意倒入自然水体环境中，导致水体环境严重污染，污染物主要有铜、镉、铅等重金属离子，以及亚甲基蓝、甲基橙等有机染料污染物，目前对污染物的处理方法主要有吸附法、氧化还原法、光催化降解等方法，其中吸附法具有简单高效、成本较低等优点，传统的吸附材料主要有活性炭、聚丙烯酰胺、硅藻土等。
水凝胶是一种三维网络结构凝胶，具有很强亲水性和吸水性，如丙烯酸水凝胶、壳聚糖水凝胶、聚乙烯醇水凝胶等，含有丰富的羧基、氨基等基团，对重金属离子、以及有机染料等污染物具有很强的静电吸附和络合作用，起到良好的吸附性能，但是传统的水凝胶材料的机械强度和力学性能较差，在复杂的水体环境中持续吸附和使用，会导致水凝胶基体损耗和分解，因此需要进一步提高丙烯酸水凝胶的机械性能和吸附性能。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法和应用，解决了丙烯酸水凝胶的机械性能较差，吸附性能不高的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多重网络交联的复合水凝胶材料，所述多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法如下：
(1)向反应烧杯中加入去离子水、冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，置于恒温水浴锅中，在30-40℃下，反应20-30h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1-2h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌反应6-12h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
优选的，所述步骤(1)中的冰醋酸、乙酸酐、浓硫酸、巯基乙酸和聚乙烯醇的质量比为0.6-0.8:2.5-4.5:0.05-0.08:4-8:100。
优选的，所述步骤(1)中的恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯。
优选的，所述步骤(2)中的反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为60-80℃。
优选的，所述步骤(2)中的控制溶液中丙烯酸的中和度为60-70％。
优选的，所述步骤(2)中的丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:10-30:20-35:0.02-0.03:0.4-1。
优选的，所述步骤(2)中的多重网络交联的复合水凝胶材料应用于吸附剂和水污染治理领域。
附图说明
图1是恒温水浴锅结构示意图；
图2是卡槽结构示意图；
图3是弹簧杆调节示意图。
1-恒温水浴锅；2-水浴缸；3-隔热盖板；4-底座；5-卡槽；6-卡块；7-弹簧杆；8-反应烧杯。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下化学机理和有益技术效果：
该一种多重网络交联的复合水凝胶材料，在冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸的催化体系中，使巯基乙酸的羧基和聚乙烯醇的部分羟基接枝酯化反应，从而得到巯基化聚乙烯醇，通过紫外光照射反应，过硫酸铵引发聚乙烯醇的巯基基团产生活性自由基，进攻丙烯酸的双键，产生碳自由基，进一步引发丙烯酸和丙烯酰胺自由基聚合，使聚乙烯醇化学接枝到聚(丙烯酸-丙烯酰胺)的分子链中，过化学共价键的结合，两者很难产生分离，然后N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的交联作用，从而得到聚乙烯醇接枝聚(丙烯酸-丙烯酰胺)复合水凝胶，即为多重网络交联的复合水凝胶材料。
该一种多重网络交联的复合水凝胶材料，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的交联聚(丙烯酸-丙烯酰胺)共聚物，作为第一重化学交联，形成三维结构凝胶，聚乙烯醇化学接枝聚(丙烯酸-丙烯酰胺)作为第二重化学交联，增强了聚乙烯醇和聚(丙烯酸-丙烯酰胺)界面结合力，聚乙烯醇的羟基和聚(丙烯酸-丙烯酰胺)中的羧基和氨基产生大量的氢键，作为第三重物理交联，多重网络交联的复合水凝胶材料具有更加丰富的三维网络结构，复杂而有序的化学交联和物理交联显著增强了复合水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率等机械性能，同时复合水凝胶材料中含有丰富的羟基、氨基和羧基基团，对Cu2+等重金属离子，以及亚甲基蓝等有机染料具有很强的静电吸附和络合吸附的作用，起到优异的吸附和污水处理的效果。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种多重网络交联的复合水凝胶材料，制备方法如下：
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.6-0.8:2.5-4.5:0.05-0.08:4-8:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在30-40℃下，反应20-30h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为60-70％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为60-80℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1-2h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:10-30:20-35:0.02-0.03:0.4-1，搅拌反应6-12h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料，应用于吸附剂和水污染治理领域。
实施例1
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.6:2.5:0.05:4:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在30℃下，反应20h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为60％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为60℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:10:20:0.02:0.4，搅拌反应6h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
实施例2
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.65:3:0.06:5:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在35℃下，反应25h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为65％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为70℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1.5h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:15:25:0.023:0.6，搅拌反应10h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
实施例3
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.7:3.5.5:0.07:7:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在35℃下，反应30h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为60％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为70℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应2h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:25:30:0.028:0.8，搅拌反应12h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
实施例4
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.8:4.5:0.08:8:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在40℃下，反应30h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为70％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为80℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应2h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:30:35:0.03:1，搅拌反应12h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
对比例1
(1)向反应烧杯中加入去离子水，冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，五种物质的质量比为0.5:2:0.04:3:100，置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯，在40℃下，反应20h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度为65％，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为80℃，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1.5h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:5:15:0.017:0.2，搅拌反应10h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料
使用微机控制电子万能试验机WDW-300H测试多重网络交联的复合水凝胶材料的拉伸强度和断裂伸长率，测试标准为GB/T 1040.3-2006和GB/T 38612-2020。
Figure BDA0002810904660000071
向0.1％的硝酸铜溶液中加入0.5％的多重网络交联的复合水凝胶材料，控制溶液pH为4，匀速搅拌6h，进行吸附过程，使用UV1901PCS型紫外可见分光光度计检测吸附后Cu2+的浓度，检测标准为GB/T 10533-2014。
Figure BDA0002810904660000081

Claims (7)

1.一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述多重网络交联的复合水凝胶材料的制备方法如下：
(1)向反应烧杯中加入去离子水、冰醋酸、乙酸酐和浓硫酸，搅拌均匀后加入巯基乙酸和聚乙烯醇，置于恒温水浴锅中，在30-40℃下，反应20-30h，加入乙醇溶剂直至有大量沉淀产生，抽滤除去溶剂，丙酮洗涤并干燥，制备得到巯基化聚乙烯醇。
(2)向反应烧杯中加入去离子水和丙烯酸，加入氢氧化钠溶液调节丙烯酸的中和度，再加入巯基化聚乙烯醇和丙烯酰胺，置于恒温水浴锅中，控制反应体系，加入引发剂过硫酸铵，搅拌反应1-2h，再加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌反应6-12h，抽滤除去溶剂，去离子水和乙醇洗涤，再置于透析袋中，透析提纯，制备得到多重网络交联的复合水凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(1)中的冰醋酸、乙酸酐、浓硫酸、巯基乙酸和聚乙烯醇的质量比为0.6-0.8:2.5-4.5:0.05-0.08:4-8:100。
3.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(1)中的恒温水浴锅包括水浴缸、水浴缸上方设置有隔热盖板，水浴缸下方固定连接有底座，底座上方与卡槽固定连接，卡槽活动连接有卡块，卡块移动连接有弹簧杆，弹簧杆活动连接有反应烧杯。
4.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(2)中的反应体系为氮气氛围，紫外光照射反应，温度为60-80℃。
5.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(2)中的控制溶液中丙烯酸的中和度为60-70％。
6.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(2)中的丙烯酸、巯基化聚乙烯醇、丙烯酰胺、过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为100:10-30:20-35:0.02-0.03:0.4-1。
7.根据权利要求1所述的一种多重网络交联的复合水凝胶材料，其特征在于：所述步骤(2)中的多重网络交联的复合水凝胶材料应用于吸附剂和水污染治理领域。
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