聚丙烯酸高吸水樹脂的合成及性能研究

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院藥學(xué)院，泰州225300）

高吸水樹脂是一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型功能高分子材料，帶有羧基、羥基等大量親水基團(tuán)，通過(guò)滲透壓和靜電作用，能吸收相當(dāng)于自身重量幾百倍甚至幾千倍的水，并有很強(qiáng)的保水能力。因其優(yōu)良的吸水、保水性能，高吸水樹脂的開(kāi)發(fā)應(yīng)用得到了極大的重視，已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、食品、日用化學(xué)品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。聚丙烯酸類高吸水性樹脂因吸水倍數(shù)高、安全性能較好、產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)不腐敗且合成工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被研究和應(yīng)用的最廣泛。聚丙烯酸高吸水樹脂的制備方法主要有溶液聚合法、反相乳液聚合法、反相懸浮聚合法、輻射聚合法等，其中溶液聚合法具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前常用的方法之一。

本文以丙烯酸為單體、N,N,-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，采用溶液聚合法合成聚丙烯酸高吸水樹脂，重點(diǎn)研究各種合成條件對(duì)樹脂吸水性能的影響，考察樹脂的保水性能及重復(fù)吸水能力，以期為聚丙烯酸高吸水樹脂的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料及儀器

原料：丙烯酸（AA）（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）（分析純，上海麥克林生化有限公司）；過(guò)硫酸鉀（KSP）（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（分析純，西隴化工股份有限公司）。

儀器：FA1604N型電子天平（南京信展科技有限公司）；烘箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；攪拌器（河南省予華儀器有限公司）；HKG-100A高速粉碎機(jī)（姜堰市新康醫(yī)療器械有限公司）；目篩（浙江上虞市道墟張興紗篩網(wǎng)）；水浴鍋（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）。

1.2 聚丙烯酸高吸水樹脂的合成

按不同中和度稱取一定量的氫氧化鈉固體置于燒杯中，加入40mL蒸餾水溶解，再加入丙烯酸溶液20mL，攪拌均勻后，加入一定量的交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺和引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀（與聚丙烯酸單體的質(zhì)量比），將燒杯口封好，置于75℃水浴鍋中，攪拌直至變成凝膠狀。在水浴鍋中保溫放置3h，取出放入烘箱中95℃烘干，粉碎、過(guò)100～200目篩，得粉狀高吸水性樹脂。

1.3 聚丙烯酸高吸水樹脂的性能研究

1.3.1 吸水倍率測(cè)定

吸水能力是判斷高吸水性樹脂的根本指標(biāo)，常用吸水倍率表示。稱取樹脂粉末約0.3g，記作m0，倒入裝有150mL蒸餾水的燒杯中，將燒杯放置于20℃水浴鍋中恒溫吸水一定時(shí)間后，將吸水后的樹脂倒置于200目的篩網(wǎng)上，篩網(wǎng)重量記作m1，靜置一段時(shí)間等水瀝干后稱重，記作m2，則樹脂的吸水倍率 Q=（m2-m1-m0）/m0。

1.3.2 保水性能測(cè)試

保水性能是指吸水材料在充分吸水飽和后，當(dāng)所處環(huán)境變化（如溫度）時(shí)，仍可以保持一定的水分。稱取樹脂約0.3g至裝有150mL蒸餾水的燒杯中浸泡30min，倒入篩網(wǎng)，待水瀝干后稱重，測(cè)其吸水倍率。將篩網(wǎng)放置于60℃烘箱中，每隔1h取出稱重一次。

保水率計(jì)算式為

式中：R——保水率，%；

m3——篩網(wǎng)的質(zhì)量，g；

m4——某一時(shí)間段高吸水性樹脂和篩網(wǎng)的質(zhì)量和，g；

m5——吸水飽和的高吸水性樹脂和篩網(wǎng)的質(zhì)量和，g。

用一定時(shí)間內(nèi)保水率的變化情況來(lái)表示高吸水樹脂的保水性能。

1.3.3 重復(fù)吸水能力測(cè)試

稱取高吸水樹脂約0.9g至加有450mL蒸餾水的燒杯中，吸水30min，倒入篩網(wǎng)中將水瀝干，稱重，測(cè)定吸水倍率。將吸水后的樹脂60℃烘干至恒重后，稱取一定量樹脂，按樹脂質(zhì)量與水體積比1:500進(jìn)行重復(fù)吸水實(shí)驗(yàn)，重復(fù)數(shù)次，測(cè)其吸水倍率。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯酸高吸水樹脂的吸水性能測(cè)試

圖1為交聯(lián)劑用量為0.1%，中和度80%，引發(fā)劑用量為1.5%條件下合成的高吸水樹脂在不同時(shí)間的吸水倍率變化曲線。由圖1可知，吸水時(shí)間為30min時(shí)吸水倍率最高，吸水效果最好，30min后吸水倍率開(kāi)始降低。樹脂中含有大量羧基，親水性較強(qiáng)，因此能很快吸收周圍的水分，當(dāng)吸水充分后，部分樹脂開(kāi)始溶脹破裂，失去吸水性能，從而使吸水倍率下降。

圖1 聚丙烯酸高吸水樹脂的吸水性能

2.2 正交試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究交聯(lián)劑用量A、中和度B、引發(fā)劑用量C等3個(gè)因素對(duì)聚丙烯酸高吸水樹脂吸水倍率的影響，得到優(yōu)化的合成條件，選擇3因素3水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，3個(gè)因素選擇的具體數(shù)值見(jiàn)表1。

將表1中的所對(duì)應(yīng)的水平代入正交表L9(34)中，正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。K1、K2、K3分別表示各因素水平對(duì)吸水倍率的總影響，k1、k2、k3分別表示各因素水平對(duì)吸水倍率的平均影響，R反映了正交試驗(yàn)下的因素水平波動(dòng)時(shí)，吸水倍率的變動(dòng)幅度。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

根據(jù)正交試驗(yàn)，該高吸水性樹脂合成的優(yōu)化水平為A1B3C3，即交聯(lián)劑用量為0.1%、中和度80%、引發(fā)劑用量為1.5%，此條件下合成的高吸水樹脂的吸水倍率可達(dá)416.72g/g。R的大小可以判斷因素的主次順序，3因素對(duì)試驗(yàn)組合中吸水倍率影響順序由大到小為A>B>C。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 保水性能測(cè)試

圖2為交聯(lián)劑用量為0.1%，中和度80%，引發(fā)劑用量為1.5%條件下合成的聚丙烯酸高吸水樹脂60℃時(shí)的保水率變化曲線。從圖2可以看出，樹脂保水率隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，7h保水率為 37.42%，12h下降至 10.95%，15h保水率為3.26%。樹脂表層含有較多自由水，容易蒸發(fā)，7h前保水率下降較快；樹脂內(nèi)部的結(jié)合水由于受高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵作用，結(jié)合牢固，較難失去，7h后保水率下降速率逐漸變慢?？偟膩?lái)說(shuō)，聚丙烯酸高吸水樹脂60℃可持續(xù)保水約15h。

2.4 重復(fù)吸水能力測(cè)試

圖2 聚丙烯酸高吸水樹脂的保水性能

圖3 聚丙烯酸高吸水樹脂的重復(fù)吸水能力

圖3為交聯(lián)劑用量為0.1%，中和度80%，引發(fā)劑用量為1.5%下合成的聚丙烯酸高吸水樹脂重復(fù)吸水4次的吸水倍率變化情況。由圖3可知；隨著使用次數(shù)的增加，樹脂的吸水性能逐漸下降，重復(fù)吸水時(shí)樹脂網(wǎng)絡(luò)容易斷裂，產(chǎn)生一定損耗，導(dǎo)致吸水倍率下降。但隨著吸水次數(shù)的增加吸水倍率下降并不明顯，這表明樹脂具有良好的重復(fù)吸水能力，能夠被循環(huán)利用，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本研究以丙烯酸為單體、N,N,-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，采用溶液聚合法合成了具有較高吸水性能的聚丙烯酸高吸水樹脂。在交聯(lián)劑用量（與單體的質(zhì)量比）為0.1%，中和度為80%，引發(fā)劑用量（與單體的質(zhì)量比）為1.5%時(shí)，該樹脂最大吸水倍率可達(dá)416.72g/g。影響高吸水樹脂吸水性能的因素排序?yàn)榻宦?lián)劑用量>中和度>引發(fā)劑用量。聚丙烯酸高吸水樹脂具有較好的保水和重復(fù)吸水性能。