導水涂層材料的水合離子傳導特性

劉邵帥

（中國礦業大學(北京) 機電信息與工程學院,北京 100083）

1 前言

導水涂層纖維是由植物纖維及其表面制備的具有分子導水功能的涂層組成。我國目前面臨著嚴重的缺水危機，荒漠化問題嚴峻，而導水涂層材料在提高水資源的傳導效率上有著傳統材料無法比擬的特性，讓水資源的利用更為科學化、自動化、精細化[1]。

水合離子又稱水合金屬離子，是水溶液中的金屬離子與水分子絡合生成的絡離子。在水環境中，所有的金屬陽離子都是以水合金屬離子存在的。在水中這種離子的存在對水溶液有很大的影響。

物理中，電荷是同性相斥異性相吸的，如果水合離子接觸的材料中存在著一定的電勢差，則可以促使水合離子進行定向移動，即水流的運動。這種定向移動與電流的原理類似，形成離子流的定向移動，從而可以通過導電狀態下的水合離子遷移數來判斷導水特性[3]。導水涂層材料正是通過選取特殊材料所建構的物理空間和電位變化來控制水合離子的傳輸方向。

2 實驗部分

2.1 涂層材料的制備

（1）配制聚丙烯酰胺溶液。按照表1各組提示的劑量稱取聚丙烯酰胺粉末，加入 50ml去離子水中，磁力加熱攪拌器上攪拌至澄清，使其溶解充分。將制備的聚丙烯酰胺溶液靜置 16h 陳化，備用。

表1 導水涂層材料組分和編號

（2）制備蒙脫石懸浮液。在聚丙烯酰胺溶液達到陳化時間之前制備。按照表1各組提示稱取蒙脫石粉末，加入到50ml去離子水中攪拌充分，在超聲波分散儀上超聲分散 20min。

（3）配制混合膠液。將陳化好的聚丙烯酰胺溶液，以及靜置后的蒙脫石溶液混合，混合過程是采用機械攪拌法充分攪拌 25min。

2.2 在纖維表面制備導水材料涂層

選取單纖維根數為 200的標準纖維束來制備導水材料涂層纖維試樣。

首先纖維表面浸潤：常溫下將預處理后的標準纖維束剪成8cm 長的纖維段，浸漬于配置好的濃度為 0.25%的聚丙烯酰胺溶液中，時間為 2h，然后在DHG-9023A型電熱恒溫鼓風干燥箱中 90℃下懸垂烘干。

在配好的膠體溶液中均放入數段經預處理及浸潤處理后的標準纖維束，浸泡10min。之后在 DHG-9023A 型電熱恒溫鼓風干燥箱中85℃下懸垂烘干。

制備好的導水材料涂層纖維試樣編號與表 1中材料編號一致。

2.3 測試導水涂層纖維對不同水合離子傳導特性

將配制好的5組導水涂層材料（A1.A2.A3.B1.B2）進行均分，然后標上 X、Y 和 Z。實驗分組見表2。

表2 實驗編號及實驗對象

3 實驗結論

實驗結果如V-It圖

X組氯化鈉溶液

圖1

圖2

上述表明在氯化鈉溶液中，聚丙烯酰胺含量相同的情況下，隨著蒙脫石含量的增加，遷移體積增大。水合鈉離子在導水涂層材料中的傳導并沒有隨著蒙脫石含量的增多而受到過多的阻礙。在蒙脫石含量相同的情況下，隨著聚丙烯酰胺含量的增加，遷移體積也增大，但是變化不如蒙脫石明顯。從1和2中可以發現在溫度40℃和20℃下，遷移體積會隨著溫度的增高而有略微的提升。

Y組氯化鎂溶液

圖3

圖4

聚丙烯酰胺含量一定時，蒙脫石含量越多，對鎂離子的阻礙作用越明顯。反之，蒙脫土含量一定，隨著聚丙烯酰胺的增多，也增加了對鎂離子的阻礙。溫度升高遷移體積均增大。

Z組氯化鈣溶液

圖5

圖6

蒙脫石含量增多，遷移體積明顯降低。蒙脫石含量相同，聚丙烯酰胺的濃度增多，遷移體積都會相對應的降低。

通過以上幾組圖對比發現，鈉離子對在導水涂層材料中的傳導很明顯，材料本身對鈉離子的并沒有有效的阻礙和攔截；鎂離子和鈣離子由于受到蒙脫石材料中的晶格置換和離子交換的影響，會對其傳導有一定的影響，證明導水涂層材料對鎂離子鈣離子的阻礙還是有一定的作用。

4 展望

本論文從導水涂層材料的制備出發，對水合離子進行了一定說明，并設計了實驗對導水涂層材料的傳導特性進行了測試，以探究其影響因素。在導水涂層材料方面，今后可以嘗試更多不同的配比，優中選優，使水分更好的傳導同時有效的攔截對植物農作物生長有影響的離子。實驗的溫度會影響水合離子的傳導，在測定其他因素影響的時候，要保持溫度的一致，在實際應用中要選擇更合適的溫度。對于堿金屬陽離子本身來講，也要考慮其離子半徑、帶電量等因素對導水涂層材料中傳導的影響，確定離子本身是如何作用的。

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