耐鹽性吸水性聚丙烯酸鹽樹脂的制備和研究

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(南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院高分子材料與工程專業(yè)；南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院材料化學(xué)專業(yè))

一、機(jī)理闡述

聚丙烯酸鹽樹脂是交聯(lián)型的聚電解質(zhì)，這類電解質(zhì)溶于極性溶劑中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生離解，產(chǎn)生羧基負(fù)離子和很多無機(jī)離子。羧基負(fù)離子則與大分子鏈相連，難以擴(kuò)散到水中，導(dǎo)致主鏈均為帶有負(fù)電荷的羧基負(fù)離子。不過，其間產(chǎn)生的排斥力會(huì)擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。鈉離子在水中自由移動(dòng)，但因?yàn)槭艿骄W(wǎng)絡(luò)骨架上相反電荷的束縛、吸引，使得離子只能存在于骨架之中，這樣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的離子濃度會(huì)大于外部陽離子濃度，導(dǎo)致離子內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，再加上聚電解質(zhì)本身水合能力強(qiáng)，水會(huì)在很短的時(shí)間里大量地進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中。

高吸水性樹脂的吸水能力可用Flory公式定量表示：

吸水能力主要與樹脂的親水性、電解質(zhì)濃度及交聯(lián)度有關(guān)。吸收鹽水時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓降低，同時(shí)考慮同離子效應(yīng)、鹽效應(yīng)及外部離子的存在，抑制了離子基團(tuán)的離解，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由擴(kuò)展態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轵榍鷳B(tài)。非離子型的高吸水性樹脂的吸水性對(duì)鹽環(huán)境的抵抗性較強(qiáng)，故吸水速度更快，可利用納米纖維素制備納米復(fù)合型聚丙烯酸鹽，使親水離子多樣化，提高吸水性樹脂的耐鹽性。

二、實(shí)驗(yàn)流程

1.納米纖維素的堿化處理

首先，稱取納米纖維素；其次，將納米纖維素在超聲儀中充分震蕩均勻；最后，將納米纖維素與氫氧化鈉在低溫的條件下反應(yīng)30min，生成堿纖維素

2.聚丙烯酸鹽樹脂的制備

首先，稱取一定量的丙烯酸；其次，將堿化后的納米纖維素與一定量的過硫酸銨及N，N′—亞甲基雙丙酰胺加入丙烯酸中；最后，將上述混合液滴加到石英槽中，置于紫外光輻照聚合裝置中進(jìn)行光照，產(chǎn)物取出后無需任何處理，得條狀凝膠，密封封存

3.測(cè)試

取產(chǎn)品試樣0.1g，加入到1000mL的燒杯中，放入500ml的去離子水，再靜置，每隔1小時(shí)，用尼龍篩網(wǎng)，濾瀝15min，以除去未吸附的水，按照下式計(jì)算試樣的吸水率，當(dāng)其吸水率維持不變時(shí)，停止測(cè)試，用同樣的方法，換去離子水為生理鹽水，求吸液率。

三、結(jié)果分析

1.引發(fā)劑用量對(duì)凝膠吸水性能的影響

(1)步驟。首先，取九份質(zhì)量相同的0.4000g的堿化后的納米纖維素放入燒杯中，均勻攪拌各加入3mL的AA，再分別加入納米纖維素與引發(fā)劑的比例為：5、10、15、20、25、30、35、40、45的過硫酸銨，再加入0.019g的N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，最后滴加到石英槽中，在紫外光照下反應(yīng)3小時(shí)。將產(chǎn)物置于100℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重。之后，測(cè)量每塊水凝膠的吸水率(均吸水9小時(shí))。

(2)結(jié)果分析。此種樹脂的吸水率隨著引發(fā)劑用量的增大，先減少后增加，有一極大值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在納米纖維素與引發(fā)劑的比例在30時(shí)可合成吸水率較高的吸水性樹脂。

2.交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠吸水性能的影響

步驟：取五份相同質(zhì)量0.400g的堿化的納米纖維素放入燒杯中，加入20mL的蒸餾水，攪拌均勻，均加入3mL的AA，再加入0.0140g的過硫酸銨；依次加入交聯(lián)劑的用量是丙烯酸的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺；最后滴加到石英槽中，在紫外光照下反應(yīng)3小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)量每塊水凝膠的吸水率。

在一定的范圍內(nèi)交聯(lián)劑用量有一最佳值，當(dāng)交聯(lián)劑含量為AA的0.6%時(shí)吸水率達(dá)到最大。當(dāng)交聯(lián)劑用量少時(shí)，交聯(lián)不完全，交聯(lián)的密度低，形成聚合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)水的吸收能力較差，導(dǎo)致吸水能力下降，故吸水率低。當(dāng)交聯(lián)劑用量增加時(shí)，水凝膠的交聯(lián)程度增大，可以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水分子可以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，故吸水能力增強(qiáng)。但超過最佳交聯(lián)劑用量時(shí)，交聯(lián)密度過大反而使水凝膠的吸水能力降低。

3.吸水性和吸鹽水性

實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)9小時(shí)，聚丙烯酸鹽吸水樹脂會(huì)達(dá)到飽和吸水率(400%)，11小時(shí)達(dá)到飽和吸鹽水率(210%)。經(jīng)過納米纖維素復(fù)合后的聚丙烯酸鹽樹脂，對(duì)鹽水具有了一定的吸收能力，具有較好的耐鹽性。

四、結(jié)論

通過對(duì)納米纖維素晶體的表面改性，能過改善其耐鹽性。由實(shí)驗(yàn)可得最佳比例：納米纖維素/AA=1/9(質(zhì)量比)、納米纖維素/引發(fā)劑=30、交聯(lián)劑為AA的0.6%。