一種高吸水性樹(shù)脂的制備及性能研究

摘 """""要：為了提升高吸水性樹(shù)脂的吸收速度和加壓吸收倍率，以丙烯酸為聚合單體，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，十二烷基硫酸鈉為添加劑，丁二醇二縮水甘油醚為表面處理液，采用水溶液聚合法合成了高吸水性樹(shù)脂。通過(guò)電鏡對(duì)高吸水性樹(shù)脂的顆粒形態(tài)進(jìn)行了表征，研究了聚合單體用量，交聯(lián)劑用量，引發(fā)劑用量，添加劑用量，表面處理液用量等對(duì)高吸水性樹(shù)脂吸收速度和加壓吸收倍率的影響。結(jié)果表明，合成最佳條件為丙烯酸用量為300 g，交聯(lián)劑用量為3.6 g，引發(fā)劑用量為0.9 g，"添加劑用量為0.2 g，表面處理液用量為1.5 g，此條件下制備的高吸水性樹(shù)脂具有快的吸收速度和高的加壓吸收倍率，吸收速度為8 s，加壓吸收倍率為32 g·g^-1。

關(guān) "鍵 "詞：高吸水性樹(shù)脂；丙烯酸；吸收速度；加壓吸收倍率

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ325"""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)志碼：A """"文章編號(hào)：1004-0935（20202024）0×10-1537-04

高吸水性樹(shù)脂是一類(lèi)含有大量強(qiáng)親水基團(tuán)和獨(dú)特三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能高分子材料，"高吸水性樹(shù)脂發(fā)展迅速，品種繁多，對(duì)其分類(lèi)可以從多種角度進(jìn)行，如原料來(lái)源、制品形態(tài)、交聯(lián)方式和親水化方法等，"目前最常用的分類(lèi)方法是按原料來(lái)源進(jìn)行分類(lèi)，分為合成類(lèi)和天然類(lèi)，其中合成類(lèi)主要包括聚丙烯酸系、聚乙烯醇系和聚氧乙烯系，天然類(lèi)則主要包括淀粉系和纖維素系。高吸水性樹(shù)脂的制備方法主要有本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合^[1]和乳液聚合，目前最常用的制備方法是溶液聚合法^[2-5]。

高吸水性樹(shù)脂本身既不溶于水也不溶于有機(jī)溶劑，能吸收自身重量成百上千倍的水分，吸收速度快且所吸收的水分即使在加壓的情況下也不易溢出，吸水后呈凝膠狀，所以高吸水性樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用于嬰兒紙尿褲和婦女衛(wèi)生巾等衛(wèi)品領(lǐng)域^[6]。在衛(wèi)品的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，高吸水性樹(shù)脂的吸收速度不夠快，會(huì)導(dǎo)致側(cè)漏問(wèn)題的產(chǎn)生；高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率不高，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)品的返滲量大，表層干爽度差，通過(guò)本文中的實(shí)驗(yàn)方案制備的高吸水性樹(shù)脂不但有著超快的吸收速度而且還有著較高的加壓吸收倍率，應(yīng)用于衛(wèi)品后不但能避免側(cè)漏問(wèn)題而且還能明顯降低返滲量，提升表層干爽度，本文制備的高吸水性樹(shù)脂對(duì)提升衛(wèi)品的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。

1 "實(shí)驗(yàn)部分

1.1 "原材料

丙烯酸（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，天津市永大化學(xué)試劑有限公司），三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（分析純，廣東方信生物科技有限公司），過(guò)硫酸鉀（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），亞硫酸氫鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），十二烷基硫酸鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），丁二醇二縮水甘油醚（分析純，廣東粵豐化學(xué)試劑有限公司），氯化鈉（分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司）。

1.2 "設(shè)備及儀器

分析天平（HZK-FA210），華志（福建）電子科技有限公司；數(shù)顯恒溫水箱（HH-420），常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（WGL-45B），天津市泰斯特儀器有限公司；萬(wàn)能高速粉碎機(jī)（QE-400克），浙江屹立工貿(mào)有限公司；振動(dòng)篩（WQS），上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司。

1.3 "試樣的制備

將300 g丙烯酸加入464 g去離子水中，開(kāi)啟攪拌并緩慢滴加236 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的液堿，中和完畢后分別取3.6 g三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、0.5 g的過(guò)硫酸鉀、0.4 g的亞硫酸氫鈉、0.2 g十二烷基硫酸鈉，攪拌均勻，將混合溶液加熱至50"℃，攪拌至液體變黏稠，反應(yīng)完成后得到膠體，將膠體破碎，于160"℃烘干3"h，粉碎、過(guò)篩，"將1.5 g丁二醇二縮水甘油醚和過(guò)篩后的吸水樹(shù)脂混合均勻后于120"℃保溫1"h進(jìn)行表面交聯(lián)，得到高吸水性樹(shù)脂。

1.4 "測(cè)試

吸收速度的測(cè)定：用100"mL燒杯稱(chēng)量50"g生理鹽水，溫度（25±2）℃。加入磁力轉(zhuǎn)子，攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至600"r·min^-1。精確稱(chēng)量2.00"g試樣，一次性全部倒入燒杯中。投入后，開(kāi)始計(jì)時(shí)。在吸收生理鹽水的同時(shí)，中間液面的漩渦開(kāi)始消失。漩渦消失液面達(dá)到水平，以燒杯液面SAP凝膠停止轉(zhuǎn)動(dòng)為終點(diǎn)，測(cè)定達(dá)到終點(diǎn)所需時(shí)間（單位：s）。

加壓吸收倍率的測(cè)定：取0.160 g試樣m₁，準(zhǔn)確至0.001 g，裝入塑料圓桶（內(nèi)徑為25 mm、外徑為31 mm、高為32 mm，且底面粘有63 μm尼龍網(wǎng)）中。"將粘好砝碼的塑料活塞（2 068 Pa，圓桶型，外徑25 mm，能與塑料圓桶緊密連接，且能上下自如活動(dòng)）裝入已經(jīng)裝好測(cè)試試樣的塑料圓桶中，稱(chēng)量其質(zhì)量m₂。將裝入試樣的塑料圓桶置于淺底盤(pán)（內(nèi)徑為85 mm?高為20 mm，且粘有直徑為2 mm的隔離條）的中央。塑料圓桶、砝碼、塑料活塞、淺底盤(pán)等見(jiàn)圖1，60 min后，將塑料圓桶從淺底盤(pán)中提出，稱(chēng)量該圓桶的質(zhì)量m₃。加壓吸收倍率的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）

加壓吸收倍率（g·g^-1）＝"（m₃-m₂）/m₁"""（1）

式中：m₁—稱(chēng)取試樣的質(zhì)量，g；

m₂—塑料活塞、塑料圓筒和試樣的質(zhì)量，g；

m₃—加壓吸收后塑料活塞、塑料圓筒和試樣的質(zhì)量，g。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "普通高吸水性樹(shù)脂與本文制備的高吸水性樹(shù)脂顆粒形態(tài)對(duì)比圖

通過(guò)圖2和圖3的對(duì)比可以看出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案制備的高吸水性樹(shù)脂表面更規(guī)則，原因?yàn)楸痉桨妇酆线^(guò)程添加了十二烷基硫酸鈉，造粒過(guò)程中剪切力更小，使得膠粒更完整，表面更規(guī)則。

2.2 "聚合單體（丙烯酸）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響

三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量為3.6 g，過(guò)硫酸鉀用量為0.5 g、亞硫酸氫鈉用量為0.4 g，十二烷基硫酸鈉用量為0.2 g，丁二醇二縮水甘油醚用量為1.5 g，改變反應(yīng)體系的丙烯酸用量，制備高吸水性樹(shù)脂，結(jié)果如圖4所示。

丙烯酸用量少時(shí)，由于聚合單體濃度低，鏈增長(zhǎng)的概率低，產(chǎn)物的分子量低，導(dǎo)致分子的凝膠強(qiáng)度低，分子內(nèi)部三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成不充分，高吸水性樹(shù)脂的吸收速度^[7]偏慢，加壓吸收倍率^[8]偏低；隨著丙烯酸用量的增加，鏈增長(zhǎng)速率加快，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成更充分，分子的凝膠強(qiáng)度變強(qiáng)，高吸水性樹(shù)脂的吸收速度逐漸變快，加壓吸收倍率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)丙烯酸用量過(guò)多時(shí)，反應(yīng)速率過(guò)快，形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)于致密，導(dǎo)致吸收速度變慢，加壓吸收倍率降低。

2.3 "交聯(lián)劑（三羥甲基丙烷三丙烯酸酯）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響

丙烯酸用量為300 g，過(guò)硫酸鉀用量為0.5 g、亞硫酸氫鈉用量為0.4 g，十二烷基硫酸鈉用量為0.2 g，丁二醇二縮水甘油醚用量為1.5 g，考察不同交聯(lián)劑（三羥甲基丙烷三丙烯酸酯）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

當(dāng)三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量較少時(shí)，高吸水性樹(shù)脂分子內(nèi)部交聯(lián)不充分，凝膠強(qiáng)度低，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散，高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率低，吸收速度慢；隨著三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量的增加，高吸水性樹(shù)脂內(nèi)部交聯(lián)充分，高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率逐漸增強(qiáng)，吸收速度逐漸變快；但是三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量過(guò)多時(shí)，導(dǎo)致高吸水性樹(shù)脂內(nèi)部交聯(lián)過(guò)度，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)點(diǎn)過(guò)多，分子鏈的溶脹受到約束，高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率變低，吸收速度變慢。

2.4 "引發(fā)劑（過(guò)硫酸鉀和亞硫酸氫鈉）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響

丙烯酸用量為300 g，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量為3.6 g， 十二烷基硫酸鈉用量為0.2 g，丁二醇二縮水甘油醚用量為1.5 g， 考察不同引發(fā)劑（過(guò)硫酸鉀和亞硫酸氫鈉，保持配比不變）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

當(dāng)引發(fā)劑用量過(guò)少時(shí)，引發(fā)的活性中心相對(duì)較少，聚合反應(yīng)速率慢，反應(yīng)不充分，得到的樹(shù)脂吸收速度慢，加壓吸收倍率低；隨著引發(fā)劑用量的增加，聚合反應(yīng)速率適中，得到的產(chǎn)物分子量變大，樹(shù)脂的加壓吸收倍率逐漸增高，吸收速度變快；當(dāng)引發(fā)劑用量過(guò)大時(shí)，聚合反應(yīng)劇烈，聚合熱難以釋放，產(chǎn)物之間發(fā)生黏結(jié)而產(chǎn)生爆聚，相對(duì)分子質(zhì)量變小，導(dǎo)致產(chǎn)物的加壓吸收倍率變低，吸收速度變慢^[9-12]。

2.5 "添加劑（十二烷基硫酸鈉）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響

丙烯酸用量為300 g，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量為3.6 g， 過(guò)硫酸鉀用量為0.5 g，亞硫酸氫鈉用量為0.4 g，丁二醇二縮水甘油醚用量為1.5 g， 考察不同添加劑（十二烷基硫酸鈉）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

隨著十二烷基硫酸鈉用量的增多，高吸水性樹(shù)脂膠體在造粒時(shí)由于具備良好的分散效果，所承受的剪切力較小，經(jīng)過(guò)造粒盤(pán)后得到的膠粒顆粒度完整，表面更規(guī)則，凝膠強(qiáng)度高，加壓吸收倍率高，由于十二烷基硫酸鈉具有良好的親水性，制備的高吸水性樹(shù)脂更親水，吸收速度更快；但十二烷基硫酸鈉用量過(guò)多，聚合反應(yīng)速率會(huì)變慢，導(dǎo)致反應(yīng)不充分，吸收速度變慢，加壓吸收倍率變低。

2.6 "表面處理液（丁二醇二縮水甘油醚）用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響

丙烯酸用量為300 g，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量為3.6 g， 過(guò)硫酸鉀用量為0.5 g，亞硫酸氫鈉用量為0.4 g，十二烷基硫酸鈉用量為0.2 g，考察不同丁二醇二縮水甘油醚用量對(duì)吸收速度和加壓吸收倍率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

隨著丁二醇二縮水甘油醚用量的增加，高吸水性樹(shù)脂表面的核殼結(jié)構(gòu)形成得越來(lái)越均勻，高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率逐漸增高，吸收速度逐漸加快^[13]；但丁二醇二縮水甘油醚用量過(guò)多時(shí)，導(dǎo)致高吸水性樹(shù)脂的表層殼過(guò)厚，吸水能力受到限制^[14-16]，從而使高吸水性樹(shù)脂的吸收速度變慢，加壓吸收倍率降低。

4 "結(jié)論

目前衛(wèi)品用高吸水性樹(shù)脂的吸收速度一般在20～50 s，加壓吸收倍率在10～20 g·g^-1，應(yīng)用于紙尿褲或衛(wèi)生巾時(shí)由于吸收速度不夠快，容易引發(fā)側(cè)漏；在紙尿褲或衛(wèi)生巾的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，較大部分是處于負(fù)重狀態(tài)下，所以高吸水性樹(shù)脂的加壓吸收倍率不高就會(huì)導(dǎo)致吸液后返滲量大，表層不干爽。

采用水溶液聚合法，以丙烯酸為聚合單體，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀、亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯為添加劑，丁二醇二縮水甘油醚為表面交聯(lián)劑，合成了具有超快吸收速度和超高加壓吸收倍率的高吸水性樹(shù)脂，通過(guò)試驗(yàn)得到制備樹(shù)脂較優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案為：丙烯酸用量為300 g，三羥甲基丙烷三丙烯酸酯用量為3.6 g， 過(guò)硫酸鉀用量為0.5 g，亞硫酸氫鈉用量為0.4 g，十二烷基硫酸鈉用量為0.2 g，丁二醇二縮水甘油醚用量為1.5 g，此條件下制備的高吸水性樹(shù)脂具有較快的吸收速度和較高的加壓吸收倍率，吸收速度為8 s，加壓吸收倍率為32 g·g^-1。

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Study on"Preparation and Performance Study of a High Water Absorbent Resin

LI Zhen"¹， JIAO Hong-yan"²， TIAN Chun-lan^"2， LI Zhe"¹

（1. . Shandong Nuoer"Biotechnology Co.，"Ltd.，"Dongying Shandong"Dongying""257000，，"China；;

2. Noughchen"Co."，""Ltd.，"Dongying Shandong Dongying 257000，，"China）

Abstract：""In order to improve the absorption rate and pressure absorption rate of high water absorbent resin，"this article usestaking"acrylic acid as the polymerization monomer， trimethylolpropane"triacrylate"as the crosslinking agent， potassium persulfate and sodium bisulfite as initiators， sodium dodecyl sulfate as an additive， and butanediol diglycidyl ether as the surface treatment solution"to，"synthesize high water absorbent resin was synthesized through aqueous solution polymerization. The particle morphology of high water absorbent resin was characterized by electron microscopy， and the effects of monomer dosage， crosslinking agent dosage， initiator dosage， additive dosage， and surface treatment solution dosage on the absorption rate and pressure absorption rate of high water absorbent resin were studied. The results showed that the optimal synthesis conditions were as follows： 300 g of acrylic acid"300 g， 3.6 g of crosslinking agent"3.6 g，"0.9 g of"initiator"0.9 g， 0.2 g of additive"0.2 g， and"1.5 g of"surface treatment solution"1.5 g. Under these conditions， the prepared superabsorbent"resin had a fast absorption rate and high pressure absorption rate， with an absorption rate of 8 s and a pressure absorption rate of 32 g·"· g^-1.

Key words："High water absorbent resin; Acrylic acid; Absorption rate; Pressure absorption rate