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本文以多种甲基丙烯酸酯类物质为单体,采用悬浮聚合法合成了相应的聚合物,对聚合物的结构与性能进行了研究。采用溶液纺丝法及冻胶纺丝法将纺丝可纺性较佳的甲基丙烯酸正丁酯/甲基丙烯酸β羟乙酯(BMA/HEMA)共聚物纺制成对甲苯、三氯乙烯及三氯甲烷等低分子有机物液体(以下简称有机液体)具有吸附功能的纤维材料,同时还采用熔融共混法制备了BMA/HEMA共聚物与低密度聚乙烯(LDPE)共混吸附功能纤维,对吸附功能纤维结构与性能进行了系统研究与表征。
首先,采用悬浮聚合法合成了甲基丙烯酸酯系聚合物,研究了单体精制过程对聚合物性能的影响。结果表明,与工业级甲基丙烯酸十二酯(LMA)单体相比,经6wt%和8wt%碱液精制后LMA单体的纯度有了明显提高,由其合成均聚物对有机液体煤油、甲苯及三氯乙烯的饱和吸附量(6.85g/g、6.77g/g、12.66g/g)较工业级单体合成均聚物(1.79g/g、2.28g/g、2.56g/g)均有较大提高,特别是经8wt%碱液精制的单体,由其合成的均聚物对甲苯的饱和吸附量(6.77g/g)甚至接近于由化学纯单体合成均聚物的饱和吸附量(6.97g/g)。
分析了聚合体系组分对聚合物吸附性能的影响,结果表明,与LMA均聚物相比,BMA/LMA共聚物对煤油的吸附量大大降低,对甲苯和三氯乙烯的吸附量增大,而BMA/LMA/HEMA共聚物对煤油、甲苯和三氯乙烯的吸附量均有所下降;化学交联型BMA/DVB(二乙烯基苯)共聚物的吸附量随时间变化较小,而物理交联型BMA/HEMA共聚物其吸附量随时间变化更为明显,单体投料比中物理交联剂HEMA的质量分数影响BMA/HEMA共聚物的三维网状结构,进而影响共聚物的吸附性能;与LMA均聚物相比,短侧链BMA结构单元被引入大分子主链后,BMA/LMA共聚物的交联结构完善程度减弱,与BMA/LMA共聚物相比,HEMA结构单元被引入大分子主链后,BMA/LMA/HEMA共聚物大分子间物理交联点数目增多,三维网状结构完善程度提高,交联密度增大,而与BMA/HEMA共聚物相比,长侧链LMA结构单元的引入,进一步完善了BMA/LMA/HEMA共聚物的物理交联结构。
借助FTIR和13C-NMR对BMA/HEMA共聚物的分子结构进行了研究,结果表明,BMA/HEMA共聚物大分子间未形成化学交联结构,但共聚物大分子间及大分子内存在氢键作用,有利于物理交联结构的形成。研究有机液体与BMA/HEMA共聚物相互作用的结果表明,被吸附后的有机液体三氯乙烯具有与本体三氯乙烯不同的热力学性质,BMA/HEMA共聚物与有机液体三氯乙烯间存在弱的氢键结合作用,有利于共聚物对三氯乙烯的吸附。
在对甲基丙烯酸酯系聚合物结构、性能及纺丝可纺性研究基础上,采用溶液纺丝法在柱塞式纺丝机中制备了BMA/HEMA共聚吸附功能纤维,并对其结构与性能进行了分析。结果表明,单体投料比中HEMA质量分数对BMA/HEMA共聚物的溶胀及流动行为有较大影响,单体投料比中HEMA质量分数低于10wt%时,制得的吸附功能纤维表面光滑平整,缺陷少;单体投料比中HEMA质量分数是影响吸附功能纤维吸附、储存有机液体能力的重要因素;拉伸有利于吸附功能纤维的取向和结晶,可以显著改善吸附功能纤维的力学性能;吸附功能纤维的结晶能力随单体投料比中HEMA质量分数的增加而减弱。
采用冻胶纺丝技术用双螺杆纺丝机制备了对有机液体具有吸附功能的BMA/HEMA共聚物纤维,对其结构及性能进行了系统研究。结果表明,吸附功能纤维难以与乙醇及水进行溶剂化过程,几乎不能吸附乙醇与水,但可以大量吸附甲苯、三氯乙烯及三氯甲烷等有机液体,对甲苯、三氯乙烯及三氯甲烷的最大吸附量分别可达10g/g、21g/g、21g/g左右;随单体投料比中HEMA质量分数增加,吸附功能纤维表面变得越来越粗糙且表面出现较多的孔洞和缺陷,特别是当单体投料比中HEMA质量分数达到15wt%时,吸附功能纤维表面呈枯树皮状,其断面变得粗糙紊乱,出现许多尺寸不均的孔洞;吸附功能纤维吸附有机液体而发生溶胀的过程不是由扩散过程控制的,而是由聚合物网络中无定型区的应力松弛控制的;吸附功能纤维与有机液体相互作用参数x1的大小顺序为:x1(纤维-甲苯)>x1(纤维-三氯乙烯)>x1(纤维-三氯甲烷),且三者均小于0.5,故吸附功能纤维对三氯甲烷具有较强的吸收能力,其次为三氯乙烯及甲苯;交联点间平均相对分子质量Mc及有效交联密度与被测有机液体有关,有机液体不同,交联点间平均相对分子质量Mc及有效交联密度Ve不同。
采用熔融共混法制备了BMA/HEMA共聚物与LDPE共混吸附功能纤维,对其结构与性能进行了研究。结果表明,吸附功能纤维吸附有机液体的过程中不存在毛细管凝聚作用及微孔填充作用,吸附过程是有机液体溶解于聚合物骨架中的过程;LDPE质量分数不同,所得吸附功能纤维具有不同的形貌特征,与LDPE共混可以有效改善BMA/HEMA共聚物的纺丝可纺性;准二级动力学模型虽然可以较准确预测BMA/HEMA共聚吸附功能纤维及共混吸附功能纤维吸附有机液体的过程,但BMA/HEMA共聚物与LDPE共混后,准二级动力学模型预测吸附功能纤维吸附有机液体过程的准确性有所降低。