木薯淀粉接枝丙烯酸吸水性樹脂的制備

李磊

摘 要：以木薯淀粉和丙烯酸為基本原料，以過硫酸銨為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用水溶液聚合的方法制備高吸水性樹脂。經(jīng)實驗，最佳工藝條件為：木薯淀粉為2 g，丙烯酸為20 ml，濃度為2%的引發(fā)劑用量為0.9 ml，濃度為2%的交聯(lián)劑用量為1.0 ml，反應(yīng)溫度為75 ℃，反應(yīng)時間為2 h。在該條件下，所得產(chǎn)品的吸水率為461 g/g。

關(guān)鍵詞：木薯淀粉；丙烯酸；過硫酸銨；N，N亞甲基雙丙烯酰胺；高吸水樹脂

中圖分類號：TQ324.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0179-02

1 高吸水性樹脂的特點及研究進展

1.1 高吸水樹脂的定義

高吸水性樹脂（super absorbent polymer，SAP）是具有較高吸水性能和保水性能的高分子聚合物的總稱，其含有強親水性基團，經(jīng)適度交聯(lián)而具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可通過水合作用迅速吸收自身重量幾十倍乃至上千倍的水而呈凝膠狀，不溶于水，也不溶于有機溶劑，可反復(fù)使用。

1.2 高吸水性樹脂的應(yīng)用

高吸水性樹脂具有眾多的用途和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，樹脂已廣泛應(yīng)用于個人用品、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)林園藝、生物醫(yī)藥、日用化工、食品等領(lǐng)域。隨著石油資源的日益匱乏，人們對高吸水性樹脂的要求不斷提高。高吸水性樹脂正朝著高性能化、復(fù)合化和對環(huán)境友好化的方向發(fā)展。

1.3 本課題研究的目的、意義及主要內(nèi)容

本實驗以木薯淀粉為基體，在引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用下采用水溶液聚合的方法接枝丙烯酸制備高吸水性樹脂樹脂。主要探討單體中和度、引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量、淀粉單體配比及反應(yīng)溫度對樹脂吸水性能的影響，探索制備高吸水性樹脂的最佳工藝條件。

2 實驗部分

2.1 主要原料

木薯淀粉：工業(yè)級，廣西明陽淀粉廠。

丙烯酸：化學(xué)純（CP），國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

過硫酸銨：分析純（AP），國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

N，N′亞甲基雙丙烯酰胺：化學(xué)純（CP），國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

氫氧化鈉：分析純（AP），國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

2.2 儀器設(shè)備

①增力電動攪拌機。型號：JB-50-D型，上海標(biāo)本模型廠。

②超級恒溫水浴箱。型號：ZH-2C，南京多助科技發(fā)展有限公司。

③電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。型號：Q/BKYY31-2000型，上海躍進醫(yī)療器械廠。

④三口燒瓶（250 ml）、四口燒瓶（250 ml）、冷凝管、水槽、燒杯（250 ml）、燒杯（100 ml）、量筒（100 ml）、天平、玻璃棒、100目網(wǎng)篩（1個）。

2.3 樣品的制備

2.3.1 中和丙烯酸

首先，配制濃度為25%的氫氧化鈉溶液，量取20 ml丙烯酸加入三口瓶中，把三口瓶固定在冰水浴中；其次，根據(jù)所需丙烯酸的中和度計算需要的氫氧化鈉溶液的量；然后，在冰水浴中通過滴液漏斗將定量的氫氧化鈉溶液慢慢地滴加到丙烯酸中。

2.3.2 高吸水性樹脂的的制備

第一步：稱取淀粉2.0 g放入四口瓶中，加20 ml去離子水后放入63 ℃熱水浴中糊化約45 min 至透明狀，后冷卻至室溫，待用。

第二步：準(zhǔn)確稱取過硫酸銨2.0 g、N，N′亞甲基雙丙烯酰胺2.0 g，分別加入98 ml去離子水配成2%的水溶液。

第三步：將已冷卻、裝有糊化淀粉乳四口瓶移入一定反應(yīng)溫度的恒溫?zé)崴≈?，裝上氮氣導(dǎo)入管，接通氮氣，恒溫攪拌2 min。

第四步：加入1/3已中和的丙烯酸，6 min后加入定量的過硫酸銨和交聯(lián)劑N，N亞甲基雙丙烯酰胺，再繼續(xù)慢慢滴加丙烯酸鈉進行接枝共聚。

第五步：反應(yīng)一定時間后結(jié)束反應(yīng)，將產(chǎn)物移至鋁皮上，于80 ℃恒溫干燥箱中干燥至恒重。

2.3.3 樹脂吸水率的測定

準(zhǔn)確稱取0.200 g干燥后的樣品于燒杯中，然后加入200 ml去離子水，吸水時間為11 h。待吸水完畢后用100目的網(wǎng)篩過濾，濾至3 min內(nèi)無水滴下為止。準(zhǔn)確稱取吸水后樣品的質(zhì)量。

吸水倍率=（吸水后凝膠的重量-稱取的干燥樣品重量）/稱取的干燥樣品重量

3 結(jié)果與討論

3.1 中和度對吸水率的影響

固定引發(fā)劑2%過硫酸銨溶液用量0.5 ml，交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺1.0 ml，反應(yīng)溫度為70 ℃。改變中和丙烯酸時氫氧化鈉溶液的用量，從而改變體系的中和度，得到中和度對產(chǎn)品吸水率的影響，如圖1所示。

所以，在該實驗條件下，丙烯酸中和度控制在80%時，樹脂的吸水率最高。

3.2 引發(fā)劑用量對產(chǎn)品吸水率的影響

保持丙烯酸中和度為80%，交聯(lián)劑用量1.0 ml，單體：淀粉=10：1，反應(yīng)溫度為70℃，通過改變引發(fā)劑的用量來探討產(chǎn)物吸水率與引發(fā)劑用量之間的關(guān)系。引發(fā)劑用量對產(chǎn)物吸水率的影響，如圖2所示。

我們知道淀粉接枝丙烯酸屬于自由基聚合，所以引發(fā)劑用量制約著接枝率的大小，從而影響產(chǎn)物的吸水倍率。

3.3 交聯(lián)劑用量對產(chǎn)品吸水率的影響

為了防止吸水性樹脂在吸水時發(fā)生溶解，就需要在合成樹脂的時候加入交聯(lián)劑。在保持其他條件不變的情況下，固定丙烯酸中和度為80%，引發(fā)劑用量為0.9 ml，反應(yīng)溫度70 ℃，糊化溫度63 ℃，單體：淀粉=10：1。此時，交聯(lián)劑用量的改變對樹脂吸水率的影響，如圖3所示。

由圖3可知，在該實驗條件下，當(dāng)濃度為2%的交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺的用量為1.0 ml時，吸水樹脂的吸水率達到最佳值。但總的來說，交聯(lián)劑的用量還是根據(jù)具體的條件選擇一個經(jīng)濟實效的最佳值。

3.4 木薯淀粉/單體配比對產(chǎn)品吸水率的影響

固定丙烯酸中和度80%，淀粉：去離子水=1：10，糊化溫度63 ℃，反應(yīng)溫度70 ℃，引發(fā)劑用量0.9 ml，交聯(lián)劑用量1.0 ml，考察木薯淀粉與單體配比分別為1：8、1：9、1：10、1：11、1：12的條件下，對吸水性樹脂吸水率的影響，其結(jié)果如圖4所示。

在該實驗條件下，淀粉與單體配比以1：10為宜。

3.5 聚合反應(yīng)溫度對產(chǎn)品吸水率的影響

反應(yīng)溫度對聚合度有很大的影響，樹脂聚合度的高低影響著產(chǎn)品的吸水率。固定淀粉糊化溫度為63 ℃，單體與淀粉的配比為10：1，丙烯酸中和度80%，引發(fā)劑用量為0.9 ml，交聯(lián)劑用量為1.0 ml，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)品吸水率的影響，其結(jié)果如圖5所示。

基于產(chǎn)品的吸水率與反應(yīng)溫度不成正比，所以最佳反應(yīng)溫度應(yīng)在70～75 ℃之間。

4 結(jié) 論

用木薯淀粉接枝丙烯酸制備高吸水性樹脂的較優(yōu)工藝條件是：丙烯酸中和度80%，引發(fā)劑過硫酸銨用量0.9 ml，交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺用量1.0 ml，單體與淀粉之間的配比為10：1，反應(yīng)溫度是75 ℃，干燥溫度80 ℃。在較優(yōu)的工藝條件進行實驗，所得木薯淀粉接枝聚合物高吸水性樹脂的吸去離子水率為461 g/g。

參考文獻：

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