水解度對(duì)聚丙烯酰胺樹(shù)脂吸水性能的影響

劉憲紅

（大慶應(yīng)用技術(shù)研究院，黑龍江 大慶163000）

1 概述

高吸水性樹(shù)脂又稱超強(qiáng)吸水性聚合物，英文名Super Absorbent Polymer，簡(jiǎn)稱SAP，它是一種低交聯(lián)度新型高分子材料且具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，因其自身具有（-SO3H、-COOH、-CONH2、-OH 等）強(qiáng)親水基團(tuán)，使其能夠吸收相當(dāng)于自身重量上百倍上千倍的水，吸水后形成無(wú)色透明凝膠[1-3]，具有強(qiáng)吸水能力的同時(shí)也有著強(qiáng)保水能力?，F(xiàn)今多應(yīng)用于日常生活、園林工藝、水土環(huán)境等方面。因?yàn)楦呶畼?shù)脂含有很強(qiáng)的親水基團(tuán)，并且是具有一定交聯(lián)密度的松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子，所以能夠吸收比自身重千百倍的水，吸水后便可形成一種透明膠狀物，這種膠狀物具有一定強(qiáng)度的保水性，其既不溶于水，也不溶于有機(jī)溶劑?？蓱?yīng)用于衛(wèi)生用品、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、醫(yī)藥和農(nóng)藥、建筑材料、防火滅火等方面[4-5]。聚丙烯酰胺是一種應(yīng)用廣泛的水溶性線性高分子聚合物，作為一種功能高分子材料，具有較強(qiáng)的吸水性和保水能力，能吸收比自身重?cái)?shù)百甚至數(shù)千倍的水分。其應(yīng)用市場(chǎng)非常巨大，在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林、園藝、石油化工、日用工業(yè)、建筑等各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。本研究探究不同的反應(yīng)條件合成對(duì)吸水性樹(shù)脂的性能的影響。對(duì)不同的影響性能的因素加以分析，并從其中找到合成PAM 吸水性樹(shù)脂所能應(yīng)用的最佳反應(yīng)條件。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑

表2 實(shí)驗(yàn)試劑

2.3 聚丙烯酰胺吸水樹(shù)脂的制備

采用溶液聚合法合成高吸水樹(shù)脂。先配置一定量濃度的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合溶液，再將一定濃度的交聯(lián)劑、引發(fā)劑加入其溶液中；加入交聯(lián)劑后要通15分鐘以上的氮?dú)庖员阃耆ンw系中的氧氣，之后再利用注射器加入一定量的引發(fā)劑A 液（氧化劑）和B 液（還原劑）；再通氮?dú)? 分鐘，將其放置于恒溫箱中進(jìn)行引發(fā)聚合。將合成的丙烯酰胺吸水樹(shù)脂攪碎，加入定量氫氧化鈉顆粒進(jìn)行水解，并放于干燥箱內(nèi)80℃恒溫干燥。將干燥后的高吸水樹(shù)脂部分取出，并進(jìn)行粉碎處理，得到最終產(chǎn)物。

2.4 合成原理

圖1 高吸水性樹(shù)脂合成原理

2.5 高吸水樹(shù)脂吸水性能的測(cè)定

不同的反應(yīng)條件下合成高吸水樹(shù)脂，用剪刀和砂紙取其中相對(duì)較規(guī)整部分，稱量其絕干質(zhì)量,記M0,分別浸泡在200ml 蒸餾水、自來(lái)水、4500ppmNaCl 水溶液中，并記錄不同時(shí)間下高吸水樹(shù)脂吸水后的質(zhì)量Mt1，按以下的公式計(jì)算吸水倍率。

2.6 傅立葉紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法，用美國(guó)PE 公司spectrum400 傅里葉紅外光譜儀對(duì)高吸水性樹(shù)脂粉末進(jìn)行紅外光譜測(cè)定與分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本研究在不同反應(yīng)條件下合成的高吸水樹(shù)脂的性能變化，在分別改變反應(yīng)溫度、交聯(lián)劑用量等條件下采用水溶液聚合法合成高吸水性樹(shù)脂，并測(cè)定其吸水倍率、保水率、紅外表征等。

3.1 產(chǎn)品化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

圖2 AM-AMPS 吸水樹(shù)脂（含交聯(lián)劑MBA）紅外譜圖

圖3 前三個(gè)小時(shí)不同水環(huán)境吸水倍率點(diǎn)線圖

3.2 不同水解程度對(duì)SAP 吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中保持AM 和AMPS 用量不變，改變水解時(shí)氫氧化鈉的用量，在室溫下引發(fā)聚合。三組過(guò)硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原體系如表3，兩組過(guò)硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系如表4。

圖4 不同水環(huán)境整體吸水倍率點(diǎn)線圖

圖2 是AM-AMPS 吸水樹(shù)脂（含交聯(lián)劑MBA）紅外譜圖。在波數(shù)為3442cm-1和3198cm-1處存在酰胺基N-H 伸縮振動(dòng)峰，2940cm-1處為烷基的C-H 伸縮振動(dòng)峰，1321cm-1和1350cm-1處存在C-H 彎曲振動(dòng)吸收峰，在990cm-1處存在C-H 面外彎曲振動(dòng)吸收峰，1555cm-1和1407cm-1處分別存在羧基的C=O 伸縮振動(dòng)峰和O-H 彎曲振動(dòng)峰，1187cm-1到1042cm-1之間存在醚類特征峰。626cm-1和509cm-1處存在兩個(gè)磺酸基特征峰。

表3 不同水解程度過(guò)硫酸鉀-氯化亞鐵體系

表4 不同水解程度過(guò)硫酸鉀-亞硫酸氫鈉體系

以上5 組實(shí)驗(yàn)得到產(chǎn)品分別編號(hào)為1、2、3、4、5，測(cè)量5 個(gè)產(chǎn)品在不同水環(huán)境下吸水倍率對(duì)比，結(jié)果如圖3。

由圖3 分析可知，在過(guò)硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原引發(fā)體系和過(guò)硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系中，在一定水解程度范圍內(nèi)，水解程度越大吸水倍率增長(zhǎng)越快，在蒸餾水中體現(xiàn)最為明顯。隨著溶液鹽度的增大，吸水倍率數(shù)值增長(zhǎng)趨勢(shì)減小。

由圖4 可知在過(guò)硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原引發(fā)體系中，水解度達(dá)到35.6%的吸水樹(shù)脂吸水倍率最高。其在NaCl 溶液中吸水效果最高達(dá)到82.48 倍。在自來(lái)水水中吸水效果最高達(dá)到136.37 倍。在蒸餾水中的吸水效果達(dá)到697.34 倍。而在過(guò)硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系中，吸水倍率最好的同樣是水解度為35.6%的吸水樹(shù)脂。其在NaCl 溶液中的吸水倍率最高達(dá)到79.23 倍。在自來(lái)水中的吸水倍率最高達(dá)到152.18 倍。在蒸餾水中的最高吸水倍率則達(dá)到737.28 倍。在蒸餾水中產(chǎn)品5 的吸水性一直優(yōu)于產(chǎn)品3 的吸水性，在NaCl 溶液和自來(lái)水環(huán)境中兩者吸水倍率均出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

造成上述結(jié)果的原因可能是：當(dāng)后加入NaOH 部分水解時(shí)，使原有的部分酰胺基水解變成更具親水性的羧酸基，隨著水解程度的增加，共聚物中的羧酸基逐漸增加，其吸水倍率也有著明顯的增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本論文主要研究的是在不同水解度條件下合成的吸水性樹(shù)脂在不同水環(huán)境下對(duì)吸水性能的影響，當(dāng)改變水解程度時(shí)，在一定范圍內(nèi)水解程度越大，聚合物中的更強(qiáng)的親水基團(tuán)（羧基）含量越多，其在NaCl 溶液、自來(lái)水、蒸餾水中的吸水性能越好。