聚电解质

发展具有强大抵御湍流状态的助留助滤剂，是造纸领域中提高生产效率、降低干燥能耗及减少环境污染的有效途径，而明确该助剂应具备的结构特征及其界面作用规律，则是造纸湿部化学的核心问题。 本项目通过“grafting from”的合成方式制备出一系列不同分子量、不同电荷密度的具有高度支化结构和超强抗剪切能力的球型聚电解质刷（CSPB），研究了CSPB的水溶液性质及分子构象，考察了CSPB与各种底物间的相互作用及其助留助滤性能，探究了CSPB的抗剪切能力，分析了其作为助留助滤剂的留着机理。同时，探究了CSPB在纤维素膜表面的界面作用行为，构建高抗剪切助留助滤剂的普适结构形式及界面作用模型。 动态光散射研究表明：CSPB在水溶液中具有盐刺激响应特性，其流体力学半径Rh随离子强度增大而减小。透光度研究发现，CSPB与苇浆细小纤维、桉木浆纤维、沉淀碳酸钙以及滑石粉等不同底物相互作用后，体系透光度均有不同程度地下降，其中SiO2/PMETAC、SiO2/P(AM-co-METAC)以及C/PMETAC阳离子刷表现出显著的絮凝效果。动态留着实验表明：CSPB可显著提高浆料的留着率和滤水速率，其中，SiO2/PMETAC刷对桉木纤维底物的留着率由72.6%提升至89%，滤水时间最多降低了13.6%。在SiO2/P(AM-co-METAC)/APAM二元体系与阳离子淀粉/APAM二元体系对桉木浆和沉淀碳酸钙助留助滤性能的对比研究中发现：达到最佳助留效果时，CSPB的助剂用量（18 mg/g）较阳离子淀粉用量（35 mg/g）低，可使浆料总留着率提升至92.6%；在不同的湍流条件下CSPB/APAM二元体系较阳离子淀粉/APAM二元体系对纤维和填料均表现出更好的留着效果。滤水性能方面，SiO2/ P(AM-co-METAC)/APAM二元体系也体现出更明显的提升效果。聚焦光束反射研究表明CSPB/APAM双元系统通过补丁和架桥机理与纤维和填料相互作用，同时CSPB使得纤维素膜呈现网状结构特征，且CSPB的电荷密度越高，纤维素膜呈现的网络结构更致密。 本研究成果丰富了造纸湿部化学基础知识，为CSPB作为湿部助剂的应用、工业废水的净化与防治等问题提供依据，具有明显的学术意义、经济价值和社会价值。 2100433B

高速造纸中助留助滤剂最合适的分子结构及其在湿部系统中的构象，一直是人们希望解决的科学问题。本项目拟通过grafting from合成方式，以化学键锚固聚电解质于纳米内核表面之上，制备出一系列具备特高支化结构、超强抗剪切能力、高密度捕获阴离子等特性的所谓球形聚阳电解质刷(CSPB)。在此基础上，利用动态光散射技术研究CSPB在与湿部环境相近的水相中的溶液性质，构建其Mark-Houwink方程。并采用椭圆光度法原位获取CSPB吸附链圈、链尾等构型信息,以此探究其与表面理化性质不一的底物间的界面行为，揭示分子结构参数与助留助滤性能间的构效关系，建立高抗剪切助留助滤剂的普适结构及界面作用模型。此外，将CSPB引入到先进的二元微粒子复式体系中，探讨其助留助滤性能。本研究成果既能丰富高分子溶液及造纸湿部化学基础知识，也能为CSPB作为湿部助剂的应用、工业废水的净化与防治等问题提供科学依据。

基于聚电解质荷电性可调的基本特性和已取得的初步实验事实，从高分子膜结构的层次设计理念出发，通过调控聚电解质链间静电相互作用强弱，制备高分子纳米粒子(Polymeric nanoparticles,PNPs)，替代传统高分子链，构筑以PNPs为基本单元的、同时具有高选择性和高渗透性的渗透汽化(Pervaporation,PV)膜。项目重点设计并合成苯乙烯磺酸钠-丙烯酸共聚物、磺化羧甲基纤维素钠、部分季铵化聚4-乙烯基吡啶等聚电解质，制备三类不同电荷作用的PNPs及其PV膜，用于有机物脱水。采用正电子湮灭技术等方法表征PV膜结构与形貌，并与其PV性能进行关联，找出PNPs膜高PV性能的主要因素，阐明高渗透性机制。在此基础上，采用化学交联方法固定PNPs膜结构，提高其分离性能的稳定性。本项目的研究不仅开辟了一类新的PV膜材料，而且为高性能膜材料的设计提供了一种新的理念，具有重要的科学和实际意义。