导水涂层材料的水合离子传导特性

刘邵帅

（中国矿业大学(北京) 机电信息与工程学院,北京 100083）

1 前言

导水涂层纤维是由植物纤维及其表面制备的具有分子导水功能的涂层组成。我国目前面临着严重的缺水危机，荒漠化问题严峻，而导水涂层材料在提高水资源的传导效率上有着传统材料无法比拟的特性，让水资源的利用更为科学化、自动化、精细化[1]。

水合离子又称水合金属离子，是水溶液中的金属离子与水分子络合生成的络离子。在水环境中，所有的金属阳离子都是以水合金属离子存在的。在水中这种离子的存在对水溶液有很大的影响。

物理中，电荷是同性相斥异性相吸的，如果水合离子接触的材料中存在着一定的电势差，则可以促使水合离子进行定向移动，即水流的运动。这种定向移动与电流的原理类似，形成离子流的定向移动，从而可以通过导电状态下的水合离子迁移数来判断导水特性[3]。导水涂层材料正是通过选取特殊材料所建构的物理空间和电位变化来控制水合离子的传输方向。

2 实验部分

2.1 涂层材料的制备

（1）配制聚丙烯酰胺溶液。按照表1各组提示的剂量称取聚丙烯酰胺粉末，加入 50ml去离子水中，磁力加热搅拌器上搅拌至澄清，使其溶解充分。将制备的聚丙烯酰胺溶液静置 16h 陈化，备用。

表1 导水涂层材料组分和编号

（2）制备蒙脱石悬浮液。在聚丙烯酰胺溶液达到陈化时间之前制备。按照表1各组提示称取蒙脱石粉末，加入到50ml去离子水中搅拌充分，在超声波分散仪上超声分散 20min。

（3）配制混合胶液。将陈化好的聚丙烯酰胺溶液，以及静置后的蒙脱石溶液混合，混合过程是采用机械搅拌法充分搅拌 25min。

2.2 在纤维表面制备导水材料涂层

选取单纤维根数为 200的标准纤维束来制备导水材料涂层纤维试样。

首先纤维表面浸润：常温下将预处理后的标准纤维束剪成8cm 长的纤维段，浸渍于配置好的浓度为 0.25%的聚丙烯酰胺溶液中，时间为 2h，然后在DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱中 90℃下悬垂烘干。

在配好的胶体溶液中均放入数段经预处理及浸润处理后的标准纤维束，浸泡10min。之后在 DHG-9023A 型电热恒温鼓风干燥箱中85℃下悬垂烘干。

制备好的导水材料涂层纤维试样编号与表 1中材料编号一致。

2.3 测试导水涂层纤维对不同水合离子传导特性

将配制好的5组导水涂层材料（A1.A2.A3.B1.B2）进行均分，然后标上 X、Y 和 Z。实验分组见表2。

表2 实验编号及实验对象

3 实验结论

实验结果如V-It图

X组氯化钠溶液

图1

图2

上述表明在氯化钠溶液中，聚丙烯酰胺含量相同的情况下，随着蒙脱石含量的增加，迁移体积增大。水合钠离子在导水涂层材料中的传导并没有随着蒙脱石含量的增多而受到过多的阻碍。在蒙脱石含量相同的情况下，随着聚丙烯酰胺含量的增加，迁移体积也增大，但是变化不如蒙脱石明显。从1和2中可以发现在温度40℃和20℃下，迁移体积会随着温度的增高而有略微的提升。

Y组氯化镁溶液

图3

图4

聚丙烯酰胺含量一定时，蒙脱石含量越多，对镁离子的阻碍作用越明显。反之，蒙脱土含量一定，随着聚丙烯酰胺的增多，也增加了对镁离子的阻碍。温度升高迁移体积均增大。

Z组氯化钙溶液

图5

图6

蒙脱石含量增多，迁移体积明显降低。蒙脱石含量相同，聚丙烯酰胺的浓度增多，迁移体积都会相对应的降低。

通过以上几组图对比发现，钠离子对在导水涂层材料中的传导很明显，材料本身对钠离子的并没有有效的阻碍和拦截；镁离子和钙离子由于受到蒙脱石材料中的晶格置换和离子交换的影响，会对其传导有一定的影响，证明导水涂层材料对镁离子钙离子的阻碍还是有一定的作用。

4 展望

本论文从导水涂层材料的制备出发，对水合离子进行了一定说明，并设计了实验对导水涂层材料的传导特性进行了测试，以探究其影响因素。在导水涂层材料方面，今后可以尝试更多不同的配比，优中选优，使水分更好的传导同时有效的拦截对植物农作物生长有影响的离子。实验的温度会影响水合离子的传导，在测定其他因素影响的时候，要保持温度的一致，在实际应用中要选择更合适的温度。对于碱金属阳离子本身来讲，也要考虑其离子半径、带电量等因素对导水涂层材料中传导的影响，确定离子本身是如何作用的。

[1]张增志，刘铭，赵鑫，张利梅，张际飞.对土壤湿度具有自调节功能的导水涂层纤维的研究[J].材料科学与工程学报，2007(01):55-60.

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[3]侯国艳，冀志江，王静.调湿材料的国内外研究概况[J].材料导报，2008(08):78-82.

[4]刘敏.关于《离子水合及其对反应性能的影响》一文中某些问题的讨论[J].《贵州大学学报(自然科学版)》,1990:20-30.

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