3種高吸水保水材料的對比研究

趙 娜，張 德

（四川礦產(chǎn)機電技師學院地質(zhì)工程系，四川 崇州 611230）

高吸水保水材料誕生于20世紀60年代，是利用強吸水性樹脂制成的一種具有超吸水保水能力的高分子化合物顆粒劑[1-3]。它是一種具有三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子材料，含有大量結(jié)構(gòu)特異的強吸水基團，所以它可以吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至幾千倍的水[4-7]。并且由于分子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，分子網(wǎng)絡內(nèi)所吸的水不能用簡單的物理方法擠出，從而具有很強的保水性能而且保水能力大大優(yōu)于海綿等傳統(tǒng)的吸水材料[8-9]，目前已經(jīng)在衛(wèi)生、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到非常廣泛的應用[10-12]。

以丙烯酸制備的高吸水保水材料為離子型的，以丙烯酰胺制備的高吸水保水材料為非離子型，以丙烯酸和丙烯酰胺混合制備的高吸水保水材料為兩性型的。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

離子型高吸水保水材料所用試驗原料有丙烯酸、氫氧化鈉、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、白蟮泥；非離子型高吸水保水材料所用試驗原料有丙烯酰胺、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、白蟮泥；兩性型高吸水保水材料所用試驗原料有丙烯酰胺、丙烯酸、氫氧化鈉、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、白蟮泥。

1.2 試驗儀器

DK-98型恒溫水浴鍋，D-971型攪拌器，F(xiàn)A1104型電子天平，DZ-1BC型真空干燥箱。

1.3 試驗制備過程

將稱量好的試驗原料配置成一定濃度的溶液，放入恒溫水浴鍋中邊攪拌邊反應，待溶液成為粘稠狀的液體時，停止攪拌，粘稠狀溶液在恒溫水浴鍋中再反應30min左右即可得到凝膠狀混合物，取出真空干燥箱烘干，剪碎、裝袋備用。

2 結(jié)果及分析

2.1 吸水倍數(shù)的對比研究

表1是離子型高吸水保水材料實驗結(jié)果，表2是非離子型高吸水保水材料實驗結(jié)果，表3是兩性型高吸水保水材料實驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出，離子型高吸水保水材料和兩性型高吸水保水材料都有較高的吸水倍數(shù)，而非離子型高吸水保水材料的吸水倍數(shù)很低。離子型高吸水保水材料吸蒸餾水可達到2005倍，吸自來水可以達到316倍，吸生理鹽水可以達到94倍。非離子型高吸水保水材料的吸水倍數(shù)非常低，吸蒸餾水、自來水、生理鹽水的最高倍數(shù)分別為37、29、36倍。兩性型高吸水保水材料有較理想的吸水倍數(shù)，吸蒸餾水可以達到1891倍，吸自來水可以達到383倍，吸生理鹽水可以達到124倍。

2.2 吸水速度的對比研究

圖1是各類高吸水保水材料的吸水速度曲線。由圖1可知，離子型高吸水保水材料的吸水速度在前4h內(nèi)很快，在吸水4h后其吸水倍數(shù)接近1000倍；在第4～6h內(nèi)吸水速度減慢，在第6～8h內(nèi)吸水速度增大，在第8～10h內(nèi)其吸水速度降低，在第10～12h內(nèi)其吸水速度增大，并且增加幅度很大，其吸水12h后吸水倍數(shù)達到1900倍，此時該類高吸水保水材料吸水達到飽和。

非離子型高吸水保水材料由于其吸水倍數(shù)很低，它基本上在5h內(nèi)就能達到飽和，其第12h的吸水倍數(shù)基本維持在其第5h時的吸水倍數(shù)，此類高吸水保水材料的吸水速度曲線基本上是一條直線。

表1 離子型高吸水保水材料實驗結(jié)果Table 1 The experiment result ofionic

表2 非離子型高吸水保水材料實驗結(jié)果表Table 2 The experiment result of non-ionic

表3 兩性型高吸水保水材料實驗結(jié)果表Table 3 The experiment result of both ionic and non-ionic

兩性型高吸水保水材料的吸水速度在前4h內(nèi)很快，其吸水4h后吸水倍數(shù)達到900倍；在第4～6h內(nèi)其吸水速度相對減慢，但是減慢的幅度并不大，在第6～8h內(nèi)其吸水速度加快，在第8～10h內(nèi)其吸水速度減慢，在第10～12h內(nèi)其吸水速度增大，并且增大幅度很大，在吸水12h后該類高吸水保水材料基本上達到飽和。

2.3 保水能力的對比研究

表4是3種吸水保水材料的保水能力對比結(jié)果。離子型高吸水保水材料的保水能力居中。這類高吸水保水材料是用丙烯酸和無機物合成的，它屬于離子型高吸水保水材料，由此可見，離子型高吸水保水材料的保水能力好。

圖1 各類高吸水保水材料的吸水速度Fig.1 The water speed of various types of high water-absorbent material

非離子型高吸水保水材料的保水能力最低，從前邊的吸水倍數(shù)來看，這類高吸水保水材料的吸水倍數(shù)也很低。這表明只用丙烯酰胺和無機物合成高吸水保水材料的結(jié)果不理想。所以非離子型的高吸水保水材料吸水能力差，保水能力差。

兩性型高吸水保水材料的保水能力最好，適用于干旱地區(qū)的農(nóng)作物。

表4 高吸水保水材料的保水能力Table 4 the water capacity of high water-absorbent material

從以上分析可以看出，非離子型高吸水保水材料保水能力低，離子型和兩性型高吸水保水材料的保水能力好。雖然離子型和兩性型的高吸水保水材料的保水能力好，但是這兩類高吸水保水材料吸水達到飽和后，離子型的高吸水保水材料強度很低，很軟，幾乎拿不到手上，而非離子型的高吸水保水材料輕度相對好一點，像果凍。

2.4 電鏡掃描圖片

圖2～圖4分別為離子型、非離子型、兩性型高吸水保水材料的電鏡掃描圖。從圖2可以看出，該類高吸水保水材料的表面有很多大的空洞，并且表面是由柱狀體構(gòu)成的，柱狀體大小不一。表面上大的空隙是能夠吸收千倍水分的直接原因。

從圖3可以看出，該類高吸水保水材料的表面凹凸不平，表面上有很多凸起來的圓狀小疙瘩，表面上看不到空隙，致密狀，這類高吸水保水材料吸水倍數(shù)很低，最高不超過40倍，原因可能是因為表面致密狀，沒有空隙，很難吸水，所以吸水倍數(shù)很低。

從圖4可以看出，該類高吸水保水材料表面有孔隙，表面由不規(guī)則的幾何狀構(gòu)成，幾何體之間存在很大的孔隙，除幾何體之外，該類高吸水保水材料表面上還存在體積很小的不規(guī)則小圓球，小圓球之間也存在著很多很大的孔隙，所以，該類高吸水保水材料有很高的吸水倍數(shù)。

圖2 離子型吸水材料Fig.2 ionic Water-absorbent Material

圖4 兩性型吸水材料Fig.4 both ionic and non-ionic Water-absorbent Material

3 結(jié)論

通過以上的實驗分析可得到以下結(jié)論：1) 離子型高吸水保水材料的吸水倍數(shù)高，吸水速度慢，保水能力強；2) 非離子型高吸水保水材料的吸水倍數(shù)低，吸水速度快，保水能力差；3) 兩性型高吸水保水材料的吸水倍數(shù)高，吸水速度慢，保水能力強。

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