顆粒粒徑對(duì)PAM吸水樹(shù)脂高溫下吸水性能的影響

王向鵬，鄭云香，張春曉

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，山東 東營(yíng) 257061)

顆粒粒徑對(duì)PAM吸水樹(shù)脂高溫下吸水性能的影響

王向鵬，鄭云香，張春曉

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，山東 東營(yíng) 257061)

以丙烯酰胺為單體，四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，制備了一種新型耐高溫吸水樹(shù)脂。對(duì)聚合條件進(jìn)行優(yōu)化并探討了顆粒粒徑對(duì)吸水樹(shù)脂在高溫下不同的溶液中吸水性能的影響。結(jié)果表明，最佳的聚合條件為：丙烯酰胺單體質(zhì)量.分?jǐn)?shù)為30%，過(guò)硫酸銨和四烯丙基氯化銨占單體丙烯酰胺的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別是0.12%、0.12%。在不同的溶液中，顆粒粒徑對(duì)吸水樹(shù)脂高溫下吸水性能的影響主要體現(xiàn)在吸水動(dòng)力學(xué)方面，對(duì)吸水樹(shù)脂吸水平衡影響不大。此外，制備的新型耐高溫吸水樹(shù)脂表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽型能，150℃下在1 wt%的NaCl溶液中吸水倍率可達(dá)81g/g。

顆粒粒徑；吸水性能；耐高溫

吸水樹(shù)脂是一類(lèi)非常重要的功能性高分子材料，與一般吸水材料相比，吸水樹(shù)脂可以吸收大量的水，在一定壓力下，吸收的水幾乎無(wú)法移動(dòng)。由于其優(yōu)良的特性，被廣泛應(yīng)用于許多產(chǎn)品中，如一次性尿布、土壤、農(nóng)藝學(xué)和園藝、阻水帶、藥物輸送系統(tǒng)的藥物、吸水器等[1-3]。目前，關(guān)于吸水樹(shù)脂的研究大多是在常溫環(huán)境中，關(guān)于吸水樹(shù)脂在高溫環(huán)境下的應(yīng)用研究少之甚少，究其原因不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有吸水樹(shù)脂大多以N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑制備的，交聯(lián)酰胺鍵溫度較高時(shí)易水解。因此，研究一種耐高溫型吸水樹(shù)脂對(duì)于拓寬吸水樹(shù)脂的應(yīng)用范圍具有非常重要的意義。此外，吸水樹(shù)脂固體顆粒粒徑不同，對(duì)吸水樹(shù)脂的吸水性能也有很大影響，不同的使用環(huán)境對(duì)吸水樹(shù)脂固體顆粒粒徑的要求也不相同。研究粒徑對(duì)吸水樹(shù)脂吸水性能的影響對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

本研究采用不含易水解化學(xué)鍵的四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，制備了一種適用于高溫環(huán)境的吸水樹(shù)脂。對(duì)聚合條件進(jìn)行優(yōu)化并重點(diǎn)探討了吸水樹(shù)脂顆粒粒徑對(duì)吸水樹(shù)脂在蒸餾水和NaCl溶液中的吸水性能，并對(duì)制備的新型耐高溫吸水樹(shù)脂進(jìn)行紅外結(jié)構(gòu)表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

丙烯酰胺(AM)、過(guò)硫酸銨(APS)、氯化鈉均為化學(xué)純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；四烯丙基氯化銨(TAAC)，分析純，山東魯岳化工有限公司。

1.2 吸水樹(shù)脂的制備

以其中一個(gè)聚合為例，將28.4g AM溶解在66.3g蒸餾水中，然后向混合體系中加入0.0256g APS和0.0341g TAAC，充分溶解后將混合溶液置于65℃水浴中，反應(yīng)3h后將將凝膠取出，108℃烘干并粉碎過(guò)不同目數(shù)標(biāo)準(zhǔn)篩，得到不同粒徑的吸水樹(shù)脂，備用。

1.3 性能測(cè)定

將一定質(zhì)量不同粒徑的吸水樹(shù)脂置于老化罐中，加入足量的蒸餾水或鹽溶液，密封后置于150℃下8h，然后冷卻至室溫，稱量凝膠質(zhì)量。

吸水樹(shù)脂吸水倍率Q=(凝膠質(zhì)量-吸水前固體質(zhì)量)/ 吸水前固體質(zhì)量

2 結(jié)果與討論

2.1 AM質(zhì)量濃度對(duì)吸水樹(shù)脂吸水性能的影響

在其他條件相同的條件下(m(APS)/m(AM)=0.12%、m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改變單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水樹(shù)脂在蒸餾水中吸水性能的影響。AM加量較低時(shí)，吸水倍率較低。這是由于AM加入量過(guò)少，部分AM未參與交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致吸水樹(shù)脂中可溶性大分子較多，高溫下此部分全部溶于水，吸水倍率較低。當(dāng)AM加入量過(guò)大時(shí)，吸水樹(shù)脂自有網(wǎng)絡(luò)空間變小，大分子鏈彈性擴(kuò)張力變小，吸水樹(shù)脂吸水倍率也相應(yīng)降低[4]。

2.2 引發(fā)劑濃度對(duì)吸水樹(shù)脂吸水性能的影響

圖2是在其他聚合條件相同的情況下(單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改變引發(fā)劑加量對(duì)吸水樹(shù)脂150℃下在蒸餾水中吸水性能的影響。從圖2中可觀察到，吸水樹(shù)脂吸水倍率隨引發(fā)劑加量的增大先變大后減小。當(dāng)引發(fā)劑濃度過(guò)小時(shí)，聚合體系中產(chǎn)生的活性自由基數(shù)目較少，吸水樹(shù)脂形成的有效三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較少，吸水倍率較低。反之，當(dāng)過(guò)多的APS加入聚合體系時(shí)，活性自由位點(diǎn)過(guò)多，一方面容易發(fā)生爆聚，另一方面，聚合速度過(guò)快時(shí)生成的聚合物分子量變小，吸水樹(shù)脂在高溫時(shí)部分表現(xiàn)出水溶性，吸水倍率降低[5-6]。

圖1 AM質(zhì)量濃度對(duì)吸水樹(shù)脂150℃下吸水性能的影響

圖2 APS加量對(duì)吸水樹(shù)脂150℃下吸水性能的影響

2.3 交聯(lián)劑濃度對(duì)吸水樹(shù)脂吸水性能的影響

圖3 TAAC加量對(duì)吸水樹(shù)脂℃下吸水性能的影響

圖3是在其他聚合條件一定的前提下(單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，m(APS)/m(AM)=0.12%)，加入不同劑量的TAAC對(duì)吸水樹(shù)脂吸水性能的影響。從圖中可以看出，交聯(lián)劑濃度對(duì)吸水樹(shù)脂吸水倍率的影響非常大。交聯(lián)劑加量太少，聚合時(shí)不能形成真正有效的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高溫環(huán)境下溶于水；當(dāng)TAAC加量過(guò)大時(shí)，交聯(lián)密度增加，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的自由空間變小，吸水倍率降低[7-8]。此外，本文所采用的TAAC交聯(lián)劑也是所制備的吸水樹(shù)脂耐高溫的主要原因，TAAC中沒(méi)有易水解的交聯(lián)化學(xué)鍵。

2.4 顆粒粒徑對(duì)吸水樹(shù)脂在150℃下在蒸餾水中吸水性能的影響

圖4是不同粒徑的吸水樹(shù)脂150℃下在蒸餾水中吸水倍率隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，吸水樹(shù)脂顆粒粒徑越小，吸水速率越快。顆粒粒徑較小時(shí)，吸水樹(shù)脂顆粒的表面積增大，與水接觸的面積變大，因此膨脹速度較快。此外，對(duì)于不同粒徑的吸水樹(shù)脂，雖然前期膨脹速率不同，但在吸水膨脹70min時(shí)均可達(dá)到最大膨脹倍率。因此，顆粒粒徑主要影響吸水樹(shù)脂吸水動(dòng)力學(xué)，并不影響吸水樹(shù)脂吸水平衡。

圖4 不同粒徑吸水樹(shù)脂在150℃蒸餾水中的吸水倍率

2.5 不同粒徑吸水樹(shù)脂在1%的NaCl溶液中的吸水性能

圖5是不同粒徑吸水樹(shù)脂在150℃1% NaCl溶液中的吸水性能，吸水樹(shù)脂吸水倍率的變化規(guī)律與在蒸餾水中類(lèi)似。顆粒粒徑越小，吸水速率越快，達(dá)到吸水溶脹平衡的時(shí)間越短。但與在蒸餾水中相比，吸水樹(shù)脂達(dá)到吸水平衡時(shí)吸水倍率降低較為明顯。這主要是由于樹(shù)脂與NaCl溶液的滲透壓比樹(shù)脂在蒸餾水中變小，吸水倍率下降。但所制備的吸水樹(shù)脂仍表現(xiàn)出良好的耐鹽性能，吸水倍率為81g/g。

圖5 不同粒徑吸水樹(shù)脂在150℃1%NaCl溶液中的吸水性能

2.6 紅外光譜

圖6是所制備的吸水樹(shù)脂的紅外譜圖，從譜圖中可以看出，945和1460 cm-1位置的峰是吸水樹(shù)脂中-CH2振動(dòng)產(chǎn)生的，1619 cm-1位置的強(qiáng)吸收峰是由于酰胺鍵中的-C=O振動(dòng)吸收造成的。此外，從聚合物光譜圖中觀察不到-C=C-的吸收峰，說(shuō)明丙烯酰胺單體成功發(fā)生聚合反應(yīng)。

圖6 吸水樹(shù)脂紅外光譜

3 結(jié)論

(1)以丙烯酰胺為單體，四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，成功制備了一種耐高溫型吸水樹(shù)脂。對(duì)聚合條件進(jìn)行優(yōu)化，最佳聚合條件如下：?jiǎn)误w質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，過(guò)硫酸銨和四烯丙基氯化銨占單體丙烯酰胺的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別是0.12%、0.12%。150℃在蒸餾水中的吸水倍率為221g/g。

(2)吸水樹(shù)脂顆粒粒徑越小，吸水速度越快。顆粒粒徑影響吸水樹(shù)脂吸水動(dòng)力學(xué)，但不影響吸水樹(shù)脂吸水平衡。

(3)所制備的吸水樹(shù)脂耐鹽型能優(yōu)良，150℃下在1%的NaCl溶液中吸水倍率可達(dá)81g/g。

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TheEffectofParticleSizeonWaterAbsorptionPropertiesofPAMAbsorbentResinatHighTemperature

WangXiangpeng，ZhengYunxiang，ZhangChunxiao

(College of Chemical Engineering， Shengli College， China University of Petroleum， Dongying 257061,China)

A novel high temperature resistant superabsorbent was prepared based on acrylamide，using tetraallylammonium chloride as crosslinker, ammonium persulphate as initiator. The synthesis conditions were optimized and the effect of particle diameter on water absorbency at different solutions was studied. Results showed that the best synthesis conditions were：the monomer mass concentration was 30%，the mass ratios of ammonium persulphate to acrylamide，tetraallylammonium chloride to acrylamide were 0.12%，0.12%，respectively. In different solutions, the influence of particle size on the water absorption properties was mainly reflected in the hydrokinetics, which had little effect on the absorption balance of the absorbent resin. In addition, the above superabsorbent showed the excellent salt resistance. The swelling ratio could reach 81g/g in 1 wt% NaCl solution at 150 ℃.

particle size; absorption;high temperature resistant

2017-09-30

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201713386033)

王向鵬(1989—)，山東東營(yíng)人，助教，獲碩士學(xué)位，主要從事功能高分子材料相關(guān)研究。

TB34

A

1008-021X(2017)22-0027-02

(本文文獻(xiàn)格式：王向鵬，鄭云香，張春曉.顆粒粒徑對(duì)PAM吸水樹(shù)脂高溫下吸水性能的影響[J].山東化工，2017，46(22)：27-28,30.)