聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水樹脂的制備與評價

耿冰涵，沈振北，李明澤，紀曉婧

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061100）

聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水樹脂的制備與評價

耿冰涵，沈振北，李明澤，紀曉婧

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061100）

本文以丙烯酰胺、丙烯酸為單體，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，采用溶液聚合的方法制備了具有吸水性能的功能性材料。通過改變單體比例、交聯(lián)劑用量等方法，研究了不同合成條件下聚合物的吸水性能。結(jié)果表明，聚丙烯酸-丙烯酰胺在去離子水和生理鹽水中都具有較好的吸水性能，并受反應(yīng)原料比例的影響較大。

吸水樹脂；丙烯酸；丙烯酰胺

吸水樹脂是近年來發(fā)展較為迅速的一種功能材料，這種材料最大的特征是可以吸收并保持超過自身質(zhì)量幾百倍的水。在一定條件下，吸水樹脂中的水還可以被釋放出來。這種特性使其在保水保濕、土壤改良、尤其是生理衛(wèi)生用品上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。而其良好的保水性能及保水機理研究，已經(jīng)成為了熱點[2]。

吸水樹脂優(yōu)良的吸水性能主要來源于材料獨特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)中所包含的大量親水基團。親水基團如羧基、羥基等可以和水分子形成較強的相互作用力進行吸水[3]。同時，樹脂中的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又形成一個一個的小“房子”，通過溶脹的方式保水。本文以含有大量羧基和氨基的丙烯酸和丙烯酰胺為單體制備吸水樹脂，使得樹脂具有較好的吸水能力，并探討了合成條件對樹脂吸水能力的影響及其吸水機理。

1 實驗部分

1.1 試劑

丙烯酸(AA)，丙烯酰胺(AM)，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(NMBA)，過硫酸銨，NaCl，NaOH。

1.2 試樣的制備

稱取一定量的AA于燒杯中，用30%的NaOH溶液中和到預(yù)定中和度，加入定量的AM，完全溶解后轉(zhuǎn)移至干凈的試管中。加入一定量的N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）、過硫酸銨及去離子水，混合均勻后用橡膠塞塞住試管口密封，抽真空后充入氮氣以除氧。除氧完全后置于恒溫水浴中反應(yīng)，反應(yīng)溫度60℃。恒溫3h后取出，得聚合物凝膠。將制得的膠體在真空干燥箱干燥，粉碎過篩后得高吸水性樹脂。

1.3 樹脂吸水性能的測定

稱取質(zhì)量為m1的樹脂于燒杯中，用去離子水或生理鹽水浸泡使其完全吸水，達到飽和后過篩，靜置1h后進行多次稱量保證濾去多余液體，稱量吸水凝膠的質(zhì)量m2。樹脂的吸水倍率Q=(m2-m1)/m1。

2 結(jié)果與討論

2.1 中和度對吸水率的影響

考察單體中聚丙烯酸的中和度對吸水行為的影響，結(jié)果如圖1所示。中和度約為70%～80%時，樹脂吸水行為最好。中和度低，則反應(yīng)活性較大的丙烯酸含量高，聚合速度較快，產(chǎn)物的分子量較低；同時，丙烯酸鹽的含量低，高分子結(jié)構(gòu)中陰離子側(cè)基之間斥力降低，都不利于形成有效的保水空間；但是中和度太高，反應(yīng)物活性較低，不利于聚合，產(chǎn)物吸水性能也會下降。

圖1 中和度對吸水率及吸鹽水率的影響

2.2 單體質(zhì)量分數(shù)對吸水率的影響

單體質(zhì)量分數(shù)對樹脂吸水能力的影響見圖2。單體質(zhì)量分數(shù)約為28%時，樹脂的吸水倍率最大。單體質(zhì)量分數(shù)太小，聚合速率較小，聚合物分子鏈之間不能形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。單體質(zhì)量分數(shù)過高，聚合過程中聚合速率快，分子鏈之間容易產(chǎn)生自交聯(lián)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間被壓縮，吸水被限制。

圖2 單體質(zhì)量對吸水率及吸鹽水率的影響

2.3 交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對吸水率的影響

交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對吸水效果的影響如圖3所示。交聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)在0.01%時制得的樹脂吸水效果最佳，隨著交聯(lián)劑用量的增加，吸水率反而下降。交聯(lián)劑用量太少，分子鏈之間交聯(lián)程度太小，不足以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高分子更多的是溶解在水中。交聯(lián)劑用量增加時，吸水速率迅速下降。交聯(lián)劑用量增加，樹脂中交聯(lián)程度增加，分子鏈之間交聯(lián)緊密，吸水時不宜擴張，吸水量有限。

2.4 引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)對吸水率的影響

圖3 交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對吸水率及吸鹽水率的影響

圖4 引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)對吸水率及吸鹽水率的影響

引發(fā)劑用量對吸水作用的影響結(jié)果如圖4所示。引發(fā)劑用量較少時，分解速率較低，單體轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)物分子量較小，更多的是溶于水中。而隨著引發(fā)劑用量增加，引發(fā)效率增加，聚合物中形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。引發(fā)劑用量過大時，體系內(nèi)自由基密度較大，容易發(fā)生爆聚。

3 結(jié)論

本文采用溶液聚合的方法制得丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物，產(chǎn)品具有較好的吸水性能，并受單體質(zhì)量分數(shù)、交聯(lián)劑用量等反應(yīng)條件的影響。在去離子水和生理鹽水中的吸水率最高分別為1000g·g-1和58g·g-1。合成高吸水樹脂的最優(yōu)工藝條件為AA中和度70%，單體質(zhì)量分數(shù)28%，交聯(lián)劑和引發(fā)劑用量分別為0.01%和0.20%。

[1] 吳海霞，李繼萍，李純毅，馬曉麗.基于綠色化學(xué)理念的高吸水樹脂的合成及應(yīng)用分析[J].化工管理，2016(27)：168.

[2] 周愛軍，程余波，徐星，張皖蘇，何骙，方義，昝菲.溶液聚合制備丙烯酸酯類多孔吸水樹脂[J].膠體與聚合物，2015(4)：153-155.

[3] 周昌，曾永明，張宏喜，何偉，帕熱達，竇明芳.可降解高吸水樹脂及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進展[J].廣州化工，2016(9)：21-24.

Preparation and Characterization of Poly(acrylic-acrylamide) Absorbent Resin

GENG Binghan, SHEN Zhenbei, LI Mingze, JI Xiaojing
(Institute of Faculty of Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Cangzhou 061100, China)

An absorbent polymer was prepared by solution polymerization using acylic and acrylamide as monomers. N,N′-methyl enebisacrylamide (NMBA ) as crosslinking agent and ammonium peroxydisulfate as initiator. The infuences of the ratio of monomers, amount of crosslinking agent and some other factors on the water(normal saline) absorbency were studied. The results showed that the water (normal saline) absorbency of the resin was nice and affected by raw materials was obvious.

absorbent resin; acylic; acrylamide

TQ 323.4

A

1671-9905(2017)01-0017-02

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)渤海校區(qū)師生協(xié)同創(chuàng)新項目(bhxt0518)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（20162304）

2016-11-14