聚丙烯酸吸水树脂的性能研究

    夏子乔 陆艳 熊国强 江志勇

    

    

    

    摘 要：以丙烯酸（AA）为原料，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂，过硫酸钾（KPS）为引发剂，采用水溶液聚合法，制备聚丙烯酸吸水树脂，研究了树脂的吸水与保水性能。结果表明，当中和度为65%，AA、NMBA和KPS用量分别为20%、0.04%和2%时，可以获得吸水性能良好的聚丙烯酸树脂;该树脂对去离子水的吸水倍率分别为501倍;在20SymbolpB@

    C下100min的保水率为88.7%，70SymbolpB@

    C下50min的保水率为81.5%。

    关键词：聚丙烯酸树脂;吸水树脂;吸水性能

    聚丙烯酸吸水树脂具有快速的吸液速率、良好的吸液倍率等特点，对以后新型环保吸水材料有一定的研究价值。运用反相悬浮聚合法得出性能优良的聚丙烯酸吸水树脂，用60mL环己烷作为连续相，6.67%司班-60作为分散剂，单体7.5g，3.1g NaOH中和单体，10mL用水量，MBA作为交联剂用量0.08%，KPS作为引发剂用量0.67%，产出吸水树脂最大吸水倍率850g/g，0.9%NaCl最大吸液倍率为120g/g[1]。本章用AA作为单体，KPS作为引发剂，NMBA作为交联剂进行制备聚丙烯酸吸水树脂。

    1 实验部分

    1.1 主要仪器与试剂

    仪器：水浴锅、立式搅拌器、三口烧瓶、恒压滴液漏斗、电子天平等。

    试剂：丙烯酸、过硫酸钾、氢氧化钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺等。

    1.2 实验步骤

    1.2.1 PAA吸水树脂的制备

    称取一定量的丙烯酸（AA），加入适量的水，充分混匀，转移至250mL三口瓶中，开启搅拌器和冷凝回流水，在将取好的NaOH溶液倒入三口瓶中，搅拌30min。称取适量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺加入到三口瓶中;将恒温水浴锅的温度升至60℃，取适量的过硫酸钾加水溶液，滴加1h;再升温至70SymbolpB@

    C反应约2h左右，得到黄棕色具有一定粘度和流动性的物质。将三口瓶中的产品倒入到玻璃培养皿中，进行烘干粉碎过筛装袋备用。

    1.2.2 吸水率的测定

    测定吸水率的方法是茶袋法[2]。称取烘干过筛后的样品0.05 g放于茶袋中;贴上标签封口再将茶袋放于装有500mL蒸馏水的烧杯中。让其吸水24h。具体公式如下：

    Q=M1-M2-M3M2（1）

    式中Q表示吸水倍率，M1表示吸水后的样品质量，M2表示烘干过筛后的样品质量，M3表示茶袋的质量。

    1.2.3 吸液速率的测定

    称取烘干过筛后的样品0.05g放于茶袋中，贴上标签封口放于装有500mL蒸馏水的烧杯中，每次间隔一定时间从烧杯中取出用滤纸擦干多余的水，再放到台秤上称取它的质量。具体时间分布为20、40、60、80和100min。

    2 结果与讨论

    2.1 丙烯酸单体量对去离子水吸水倍率的影响

    丙烯酸单体量对去离子水的吸水倍率的影响如图1所示。可以看出，当单体用量从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，当单体用量为16%时，交联点之间分子链短，-COOH数量相对少，三维网状结构比较致密，不容易扩展，吸水倍率低;当单体用量为20%时，交联点之间分子链段长度适中，-COOH数量增多，有效三维网状结构数量最多，比较容易扩展，吸水倍率增大;当单体用量为24%时，聚合物分子量增大，交联点之间分子链段长，三维网状结构松散，吸水倍率也会降低[3]。

    2.2 丙烯酸单体量对吸水速率的影响

    单体用量对吸水速率的影响如图2所示。可以看出，当单体用量16%时，在10min至50min吸水速率由55g/g增加至113g/g，交联点之间分子链短，三维网状结构致密，-COOH数量相对少，吸水速率低;当单体用量20%时，10～50min吸水速率由67g/g增加至137g/g，交联点之间间距适中，形成三维有效网络数量最多，-COOH数量增加，吸水速率加快;当单体用量24%时，在10～50min吸水速率由63g/g增加至137g/g，交联点之间分子链长，三维网状结构松散，吸水速率会有所降低[4]。

    在10min时，单体用量为16%的吸水速率为55g/g，单体用量为20%的吸水速率为67g/g，单体用量为24%的吸水速率为63g/g。由此可见10min时单体用量为20%吸水速率最快。

    2.3 交联剂对去离子水吸水倍率的影响

    交联剂对去离子水吸水倍率的影响如图3所示。可以看出，当交联剂用量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。當交联剂浓度低时，交联点之间的分子链长，三维网状结构松散，吸水倍率低;当交联剂为0.04%时，交联点之间分子链长度适中，形成有效的三维网状结构数量最多，吸水倍率增大;当交联剂浓度大时，交联点之间的分子链短，三维网状结构致密，不容易扩展，吸水倍率降低[5]。

    2.4 交联剂对吸水速率的影响

    交联剂对吸水速率的影响如图4所示。可以看出，当交联剂用量为0.04%时，树脂吸水时间从10min增加到50min时，树脂吸水倍率从59倍增加到133倍。当交联剂用量低时，交联点之间分子链段长，三维网状结构松散，有效三维网状结构数量少，-COOH数量相对少，吸水速率低;当交联剂用量0.04%时，交联点之间分子链适中，形成有效三维网状结构数量最多，-COOH数量增加，吸水速率加快;当交联剂用量高时，交联点之间分子链短，三维网状结构密集，不易于扩展，-COOH数量减少，吸水速率减慢[6]。

    2.5 引发剂对去离子水吸水倍率的影响

    引发剂对去离子水倍率的影响如图5所示。可以看出，当引发剂用量从1%增加至2%时，吸水倍率从389g/g上升至419g/g，但引发剂用量2%增加至8%吸水倍率419g/g下降至385g/g。当引发剂用量低的时候，交联点之间分子链长，三维网状结构松散，分子量大，吸水倍率低;当引发剂用量2%时，交联点之间分子链适中，形成有效三维网状结构数量最多，分子量适中，吸水倍率高;当引发剂用量高的时候，交联点之间分子链短，反应速度太快，控制很困难，轻易的产生暴聚，暴聚过程前后分子量很小，生成的三维网络结构很致密，吸水倍率就会降低。

    图5 引发剂对去离子水吸水倍率的影响

    2.6 引发剂对吸水速率的影响

    引发剂对吸水速率的影响如图6所示。可以看出，当引发剂用量为2%时，树脂吸水时间10min增加到50min，树脂吸水倍率由61倍增加到173倍。当引发剂的量少时，交联点之间分子链长，反应活性中心少，反应速度慢，形成的三维网状结构松散，-COOH数量相对少，吸水速率低;当引发剂用量2%时，交联点之间分子链适中，形成有效三维网状结构数量最多，-COOH数量增多，吸水速率增大;当引发剂用量太大时，交联点之间分子链短，三维网络空间结构密集，分子量减小，-COOH数量减少，吸水速率降低[7]。

    2.7 中和度对去离子水吸水倍率的影响

    中和度对去离子水倍率的影响如图7所示。可以看出，当中和度用量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。当中和度用量低时，交联点之间分子链短，三维网状结构密集，与-COO-之间的静电斥力小，吸水倍率低;当中和度用量65%时，交联点之间分子链长度适中，形成有效的三维网状结构数量最多，产生的-COO-增多，与其的静电斥力适中，吸水倍率大;当中和度用量高时，产生的-COO-越来越多，静电斥力逐渐增大，三维网状结构变得很松散，吸水倍率低。

    2.8 中和度对吸水速率的影响

    中和度对吸水速率的影响如图8所示。可以看出，当中和度为65%时，树脂的吸水时间由10min增加到50min，树脂的吸水倍率由69倍增加到161倍。在中和度低时，交联点之间分子链短，三维网状结构密集，-COOH数量相对少，静电斥力小，吸水速率慢;在中和度为65%时，交联点之间分子链长度适中，形成有效三维网状结构数量最多，-COOH数量增加，静电斥力适中，吸水速率会加快;在中和度过大的时候，交联点之间分子链长，三维网状结构松散，静电斥力增大，会使吸水速率变慢[8]。

    3 结论

    通过采用水溶液聚合法合成了PAA吸水树脂，研究出了PAA树脂的在交联剂、引发剂的用量分别为单体用量的0.04%，2%，单体用量20%，中和度65%的最佳条件下，对去离子水的吸水倍率为501g/g，在20SymbolpB@

    C下100min后树脂的保水率为88.7%，在70SymbolpB@

    C下50min后树脂的保水率为81.5%。

    参考文献：

    [1]陈时忠，徐伟亮.聚丙烯酸吸水树脂的反相悬浮聚合研究[J].科技通报，2000，41（4）：52-55.

    [2]孙宾宾，杨博.高吸水树脂产品吸水保水性能测试方法综述[J].化学工程师，2013，27（10）：30-33.

    [3]万国顺，黄红军，李志广，等.聚丙烯酸/丙烯酰胺树脂的制备及其吸湿性能研究[J].化工新型材料，2011，39（3）：95-97.

    [4]刘捷.聚丙烯酸类高吸水树脂合成改性研究的进展[J].科技创新与应用，2017（11）：12.

    [5]徐继红，陶俊，谭德新，等.微波辐射CMC接枝AA/AMPS高吸水樹脂的制备[J].涂料工业，2011，41（10）：30-33.

    [6]吴莎莎.丙烯酸—丙烯酰胺类高倍吸水树脂性能研究[D].青岛：山东科技大学，2011.

    [7]林润雄，黄毓礼.丙烯酸-丙烯酸钠共聚合成高吸水性树脂的研究[J].北京化工大学学报（自然科学版），1998，（1）：35-38.

    [8]Lai S L，Han W J，Chen F，et al.Preparation of super absorbent P（AA-AM） resin under microwave irradiation[J].Plastics，2010，40（6）：27-29.