聚丙烯腈树脂的活性自由基可控合成及其改性后吸附性能研究

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聚丙烯腈(PAN)是一类重要的高分子材料前驱体,化学稳定性好,具有较好的机械强度、优异的抗氧化性、抗微生物降解性、耐溶剂性和较好的染色性。另一方面,聚丙烯腈中含有大量的氰基,可以与多种试剂作用进行化学改性,从而制备聚丙烯腈系列功能吸附材料。“活性”/可控自由基聚合将活性聚合与传统自由基聚合的优势集于一身,成为目前高分子科学中最为活跃的研究领域之一。近年来,一种新的活性自由基聚合方法—单电子转移活性自由基聚合法(SET—LRP)以其独特的优势迅速发展,该聚合反应可在室温甚至更低的温度下进行,聚合反应速率快,催化剂易脱除,后处理简单,可制备超高分子量、分子量分布窄且具有良好拓扑结构的聚合物。此外,在传统原子转移自由基聚合(ATRP)基础上发展起来的引发剂连续再生催化剂原子转移自由基聚合(ICARATRP)也具有很多优势,该方法可以利用高价态的金属催化剂原位还原活化生成低价态金属催化剂,并且催化剂的用量非常少。本论文采用SET—LRP和ICAR ATRP两种活性自由基聚合方法合成了分子量分布窄的聚丙烯腈(PAN),并对制备的PAN进行改性,研究了改性后树脂对重金属离子的吸附性能。研究内容主要分为三部分:1.以四氯化碳(CCl4)为引发剂,铁粉(Fe)为催化剂,六亚甲基四胺(HMTA)为配体,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,在65oC下采用SET—LRP合成分子量分布窄的PAN。动力学研究显示聚合反应符合一级动力学反应,制备的PAN分子量与单体转化率成线性关系且分子量分布较窄,表明聚合反应具有“活性”/可控聚合的特征。实验还考察了催化剂用量、配体用量、配体种类和引发剂用量等对聚合反应的影响;以制备的PAN为大分子引发剂,成功进行了甲基丙烯酸甲酯(MMA)的扩链反应,进一步验证了聚合反应的活性。以盐酸羟胺(NH2OH HCl)为改性剂,对制备的PAN进行改性,得到具有吸附性能的偕胺肟化产物(AO PAN),并研究了改性后树脂在不同pH值溶液中对Hg2+的静态饱和吸附性能,树脂对Hg2+的最大饱和吸附量为4.800mmol/g。2.采用CCl4为引发剂,镧系金属镱(Yb)/四甲基乙二胺(TEMED)为催化体系,DMF为溶剂,在60oC下采用SET—LRP合成分子量分布窄的PAN。动力学研究表明丙烯腈在该体系中的聚合反应是一级反应,说明聚合反应体系中自由基的浓度保持在某一恒定可控范围内,聚合体系中不可逆的链终止和链转移等副反应基本上可以忽略不计,此外,PAN分子量随着转化率的增大线性增加且分子量分布较窄,表明聚合反应具有“活性”/可控聚合的特征。提高聚合反应温度能使聚合反应速率加快,根据阿伦尼乌斯方程以及热力学曲线的斜率可计算聚合物的表观活化能为71.7kJ/mol;以硫酸肼(NH2NH2·H2SO4)为改性剂,对制备的PAN进行改性,得到具有吸附性能的AR PAN,并研究了改性后树脂对Ag+的吸附性能,树脂对Ag+的最大饱和吸附量为1.580mmol/g。3.以CCl4为引发剂,氯化铜(CuCl2)/六亚甲基四胺(HMTA)为催化体系,偶氮二异丁腈(AIBN)作为热引发剂,DMF为溶剂,在65oC下采用ICAR ATRP合成分子量分布窄的PAN。动力学实验表明聚合反应为一级动力学反应,制备的PAN分子量随着单体转化率的增大而线性增加且分子量分布较窄,聚合反应具有“活性”/可控聚合的特征。实验还考察了催化剂浓度、反应温度对聚合反应的影响。以盐酸羟胺(NH2OH·HCl)为改性剂,对制备的PAN进行改性,得到具有吸附性能的偕胺肟化产物(AO PAN),并研究了改性后树脂对Ag+的吸附性能,树脂对Ag+的最大饱和吸附量为2.258mmol/g。
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