聚丙烯酸吸水樹(shù)脂的性能研究

夏子喬 陸艷 熊國(guó)強(qiáng) 江志勇

摘 要：以丙烯酸（AA）為原料，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀（KPS）為引發(fā)劑，采用水溶液聚合法，制備聚丙烯酸吸水樹(shù)脂，研究了樹(shù)脂的吸水與保水性能。結(jié)果表明，當(dāng)中和度為65%，AA、NMBA和KPS用量分別為20%、0.04%和2%時(shí)，可以獲得吸水性能良好的聚丙烯酸樹(shù)脂;該樹(shù)脂對(duì)去離子水的吸水倍率分別為501倍;在20SymbolpB@

C下100min的保水率為88.7%，70SymbolpB@

C下50min的保水率為81.5%。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酸樹(shù)脂;吸水樹(shù)脂;吸水性能

聚丙烯酸吸水樹(shù)脂具有快速的吸液速率、良好的吸液倍率等特點(diǎn)，對(duì)以后新型環(huán)保吸水材料有一定的研究?jī)r(jià)值。運(yùn)用反相懸浮聚合法得出性能優(yōu)良的聚丙烯酸吸水樹(shù)脂，用60mL環(huán)己烷作為連續(xù)相，6.67%司班-60作為分散劑，單體7.5g，3.1g NaOH中和單體，10mL用水量，MBA作為交聯(lián)劑用量0.08%，KPS作為引發(fā)劑用量0.67%，產(chǎn)出吸水樹(shù)脂最大吸水倍率850g/g，0.9%NaCl最大吸液倍率為120g/g[1]。本章用AA作為單體，KPS作為引發(fā)劑，NMBA作為交聯(lián)劑進(jìn)行制備聚丙烯酸吸水樹(shù)脂。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：水浴鍋、立式攪拌器、三口燒瓶、恒壓滴液漏斗、電子天平等。

試劑：丙烯酸、過(guò)硫酸鉀、氫氧化鈉、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺等。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 PAA吸水樹(shù)脂的制備

稱取一定量的丙烯酸（AA），加入適量的水，充分混勻，轉(zhuǎn)移至250mL三口瓶中，開(kāi)啟攪拌器和冷凝回流水，在將取好的NaOH溶液倒入三口瓶中，攪拌30min。稱取適量的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺加入到三口瓶中;將恒溫水浴鍋的溫度升至60℃，取適量的過(guò)硫酸鉀加水溶液，滴加1h;再升溫至70SymbolpB@

C反應(yīng)約2h左右，得到黃棕色具有一定粘度和流動(dòng)性的物質(zhì)。將三口瓶中的產(chǎn)品倒入到玻璃培養(yǎng)皿中，進(jìn)行烘干粉碎過(guò)篩裝袋備用。

1.2.2 吸水率的測(cè)定

測(cè)定吸水率的方法是茶袋法[2]。稱取烘干過(guò)篩后的樣品0.05 g放于茶袋中;貼上標(biāo)簽封口再將茶袋放于裝有500mL蒸餾水的燒杯中。讓其吸水24h。具體公式如下：

Q=M1-M2-M3M2（1）

式中Q表示吸水倍率，M1表示吸水后的樣品質(zhì)量，M2表示烘干過(guò)篩后的樣品質(zhì)量，M3表示茶袋的質(zhì)量。

1.2.3 吸液速率的測(cè)定

稱取烘干過(guò)篩后的樣品0.05g放于茶袋中，貼上標(biāo)簽封口放于裝有500mL蒸餾水的燒杯中，每次間隔一定時(shí)間從燒杯中取出用濾紙擦干多余的水，再放到臺(tái)秤上稱取它的質(zhì)量。具體時(shí)間分布為20、40、60、80和100min。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯酸單體量對(duì)去離子水吸水倍率的影響

丙烯酸單體量對(duì)去離子水的吸水倍率的影響如圖1所示?？梢钥闯?，當(dāng)單體用量從16%增加至20%的吸水倍率是由425g/g增加到451g/g，但20%增加至24%的吸水倍率是由451g/g下降到4276g/g，當(dāng)單體用量為16%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，-COOH數(shù)量相對(duì)少，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較致密，不容易擴(kuò)展，吸水倍率低;當(dāng)單體用量為20%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈段長(zhǎng)度適中，-COOH數(shù)量增多，有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，比較容易擴(kuò)展，吸水倍率增大;當(dāng)單體用量為24%時(shí)，聚合物分子量增大，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈段長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，吸水倍率也會(huì)降低[3]。

2.2 丙烯酸單體量對(duì)吸水速率的影響

單體用量對(duì)吸水速率的影響如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)單體用量16%時(shí)，在10min至50min吸水速率由55g/g增加至113g/g，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密，-COOH數(shù)量相對(duì)少，吸水速率低;當(dāng)單體用量20%時(shí)，10～50min吸水速率由67g/g增加至137g/g，交聯(lián)點(diǎn)之間間距適中，形成三維有效網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最多，-COOH數(shù)量增加，吸水速率加快;當(dāng)單體用量24%時(shí)，在10～50min吸水速率由63g/g增加至137g/g，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，吸水速率會(huì)有所降低[4]。

在10min時(shí)，單體用量為16%的吸水速率為55g/g，單體用量為20%的吸水速率為67g/g，單體用量為24%的吸水速率為63g/g。由此可見(jiàn)10min時(shí)單體用量為20%吸水速率最快。

2.3 交聯(lián)劑對(duì)去離子水吸水倍率的影響

交聯(lián)劑對(duì)去離子水吸水倍率的影響如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)交聯(lián)劑用量0.02%增加至0.04%吸水倍率由353g/g上升至359g/g，但0.04%增加至0.10%吸水倍率由359g/g下降至329g/g。當(dāng)交聯(lián)劑濃度低時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間的分子鏈長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，吸水倍率低;當(dāng)交聯(lián)劑為0.04%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)度適中，形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，吸水倍率增大;當(dāng)交聯(lián)劑濃度大時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間的分子鏈短，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密，不容易擴(kuò)展，吸水倍率降低[5]。

2.4 交聯(lián)劑對(duì)吸水速率的影響

交聯(lián)劑對(duì)吸水速率的影響如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)交聯(lián)劑用量為0.04%時(shí)，樹(shù)脂吸水時(shí)間從10min增加到50min時(shí)，樹(shù)脂吸水倍率從59倍增加到133倍。當(dāng)交聯(lián)劑用量低時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈段長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量少，-COOH數(shù)量相對(duì)少，吸水速率低;當(dāng)交聯(lián)劑用量0.04%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈適中，形成有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，-COOH數(shù)量增加，吸水速率加快;當(dāng)交聯(lián)劑用量高時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集，不易于擴(kuò)展，-COOH數(shù)量減少，吸水速率減慢[6]。

2.5 引發(fā)劑對(duì)去離子水吸水倍率的影響

引發(fā)劑對(duì)去離子水倍率的影響如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)引發(fā)劑用量從1%增加至2%時(shí)，吸水倍率從389g/g上升至419g/g，但引發(fā)劑用量2%增加至8%吸水倍率419g/g下降至385g/g。當(dāng)引發(fā)劑用量低的時(shí)候，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，分子量大，吸水倍率低;當(dāng)引發(fā)劑用量2%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈適中，形成有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，分子量適中，吸水倍率高;當(dāng)引發(fā)劑用量高的時(shí)候，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，反應(yīng)速度太快，控制很困難，輕易的產(chǎn)生暴聚，暴聚過(guò)程前后分子量很小，生成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很致密，吸水倍率就會(huì)降低。

圖5 引發(fā)劑對(duì)去離子水吸水倍率的影響

2.6 引發(fā)劑對(duì)吸水速率的影響

引發(fā)劑對(duì)吸水速率的影響如圖6所示。可以看出，當(dāng)引發(fā)劑用量為2%時(shí)，樹(shù)脂吸水時(shí)間10min增加到50min，樹(shù)脂吸水倍率由61倍增加到173倍。當(dāng)引發(fā)劑的量少時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)，反應(yīng)活性中心少，反應(yīng)速度慢，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，-COOH數(shù)量相對(duì)少，吸水速率低;當(dāng)引發(fā)劑用量2%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈適中，形成有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，-COOH數(shù)量增多，吸水速率增大;當(dāng)引發(fā)劑用量太大時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)密集，分子量減小，-COOH數(shù)量減少，吸水速率降低[7]。

2.7 中和度對(duì)去離子水吸水倍率的影響

中和度對(duì)去離子水倍率的影響如圖7所示。可以看出，當(dāng)中和度用量60%增加至65%吸水倍率465g/g增加至501g/g，但中和度用量65%增加至80%吸水倍率501g/g下降至473g/g。當(dāng)中和度用量低時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集，與-COO-之間的靜電斥力小，吸水倍率低;當(dāng)中和度用量65%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)度適中，形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，產(chǎn)生的-COO-增多，與其的靜電斥力適中，吸水倍率大;當(dāng)中和度用量高時(shí)，產(chǎn)生的-COO-越來(lái)越多，靜電斥力逐漸增大，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得很松散，吸水倍率低。

2.8 中和度對(duì)吸水速率的影響

中和度對(duì)吸水速率的影響如圖8所示。可以看出，當(dāng)中和度為65%時(shí)，樹(shù)脂的吸水時(shí)間由10min增加到50min，樹(shù)脂的吸水倍率由69倍增加到161倍。在中和度低時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈短，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集，-COOH數(shù)量相對(duì)少，靜電斥力小，吸水速率慢;在中和度為65%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)度適中，形成有效三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量最多，-COOH數(shù)量增加，靜電斥力適中，吸水速率會(huì)加快;在中和度過(guò)大的時(shí)候，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈長(zhǎng)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，靜電斥力增大，會(huì)使吸水速率變慢[8]。

3 結(jié)論

通過(guò)采用水溶液聚合法合成了PAA吸水樹(shù)脂，研究出了PAA樹(shù)脂的在交聯(lián)劑、引發(fā)劑的用量分別為單體用量的0.04%，2%，單體用量20%，中和度65%的最佳條件下，對(duì)去離子水的吸水倍率為501g/g，在20SymbolpB@

C下100min后樹(shù)脂的保水率為88.7%，在70SymbolpB@

C下50min后樹(shù)脂的保水率為81.5%。

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