凹凸棒石/聚丙烯酸鈉合成條件對其吸水吸濕性能的影響

王曉梅，黃紅軍，萬紅敬，李志廣，胡建偉

（軍械工程學院，石家莊 050003）

高吸水樹脂是一種具有很好吸水保水性能的功能高分子材料。它能吸收自身質量幾百、乃至上千倍的水，同時膨脹為一種與水牢固結合的水凝膠。與傳統的吸水材料如硅膠、海綿、紙漿、明膠及無機礦物等相比，它具有吸水能力高、保水能力強、彈性塑性良好、性能可調等優點。因此，這種材料被廣泛地應用在工業、農業、食品、生活用品、醫藥衛生等領域。聚丙烯酸鈉就是其中的一個重要品種，由于產品吸水率高、不發霉等特點，得到了快速發展，已成為高吸水樹脂生產中占絕對優勢的品種，但由于價格相對較高且吸水能力遠高于吸濕能力，使其推廣應用受限[1]。近年來，具有典型代表意義的礦物/高分子功能復合材料，憑借其制備工藝簡單、成本低、耐鹽性好、凝膠強度高的特點得到廣泛關注。

凹凸棒石（Attapulgite）又稱坡縷石（Palygorskite），是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，在礦物學上隸屬于海泡石族。其理想分子式為Mg5Si8O20（HO）（OH2）4·4H2O。由于凹凸棒石具有特殊的纖維結構及吸附、脫色等性能，被廣泛應用于各行各業，有“千土之王”、“萬用之土”等美譽[2]。

筆者將聚丙烯酸鈉與凹凸棒石復合，研究了合成條件對其吸水和吸濕性能的影響。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑有丙烯酸（工業級）、氫氧化鈉（工業級）、凹凸棒石粉體（200目）、過硫酸鉀（分析純）、N以及N-二甲基丙烯酰胺（分析純）等；儀器主要包括FC204型電子天平、JJ-90W型精密電動攪拌器、DGG-101-2型電熱鼓風干燥箱、FW80型微型高速萬能粉碎機、DZF-6050型真空干燥箱等儀器、DZF高低溫濕熱交變試驗箱等。

1.2 凹凸棒石/交聯聚丙烯酸鹽的制備

配制質量分數為23%的NaOH溶液23mL，冰水浴條件下緩慢滴加一定量丙烯酸。充分攪拌并冷卻后，在充分攪拌條件下依次加入N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、凹凸棒石粉體、引發劑過硫酸鉀水溶液，配制成丙烯酸待聚合溶液，再超聲30min后，置于80℃的烘箱中加熱發生聚合，5 h后取出。將產品鼓風干燥、粉碎，最后真空干燥，裝袋備用。

1.3 正交實驗設計

凹凸棒石/交聯聚丙烯酸鈉合成的投料條件主要包括5個方面的因素：丙烯酸用量（A）、中和度（B）、交聯劑用量（C）、引發劑用量（D）以及凹凸棒石粉體的用量（E）。本實驗以這5個方面的因素按五因素四水平做正交實驗。水平因素確定見表1。

表1 實驗因素和水平Table 1 The experiment factorsand levels %

選用L16（45）正交表[3—4]確定實驗方案，實驗方案及結果見表2。對于吸水材料性能的評價指標，筆者選擇以吸水倍率Q和吸濕倍率q作為正交實驗的評價指標。

2 結果與討論

2.1 正交實驗表與實驗結果

2.1.1 產品吸水倍率的測定

準確稱取1.0 g樣品（30～60目）于1 L燒杯中，加入蒸餾水自然放置5 h，用100目尼龍網過濾，靜置過濾的凝膠至無水樣物質滴下，取下稱量。產品吸水倍率按下式計算：

表2 實驗正交表和實驗結果Table 2 The orthogonalexperiment table and experiment results

式中：Q為樣品的吸水量，g/g；m1為樣品吸水前的質量，g；m2為樣品吸水后的質量，g[5]。

2.1.2 產品吸濕倍率的測定：

準確稱1.0 g樣品（30～60目）于表面皿中，放入濕熱箱，恒溫恒濕（25℃，RH為100%）放置5 d后取出稱量。產品吸濕倍率按下式計算：

式中：q為樣品的吸濕量，g/g；m0為空表面皿的質量，g；m1為樣品吸濕前與表面皿的總質量，g；m2為樣品吸濕后與表面皿的總質量，g[5]。

2.1.3 正交實驗結果分析

1）根據表2中各因素在不同水平下所得實驗結果，考察因素對評價指標的影響，結果見表3。

由表3的極差分析結果可以看出，影響產品吸水倍率的因素主次順序為C＞B＞D＞A＞E，得到優化方案為A1B3C1D1E3。表3中沒有與上述方案相應的實驗，經補做驗證，優化方案產品吸水倍率為910 g/g，較正交表中各因素水平下所得的結果好。另外，補充實驗測定單一的凹凸棒石和聚丙烯酸鈉的吸水倍率均遠低于優化后的復合材料。

2）根據表3中各因素在不同水平下所得的實驗結果，考察因素對評價指標的影響，結果見表4。

表3 因素對評價指標Q的影響Table 3 The influence of the factorson the estimating standard Q

表4 因素對評價指標q的影響Table4 The influenceof the factorson theestimating standard q

由表4的極差分析結果可以看出，影響產品吸濕倍率的因素主次順序為A＞E＞D＞B＞C，得到優化方案為A1B2C1D3E1。表4中沒有與上述方案相應的實驗，經補做驗證，優化方案產品吸濕倍率為4.0 g/g，較正交表中各因素水平下所得結果好。另外，補充實驗測定的單一的凹凸棒石和聚丙烯酸鈉的吸濕倍率均遠低于優化后的復合材料。

2.2 產品吸水性能與吸濕性能對比分析

由上述正交試驗結果分析可見，各因素對產品的吸水性能和吸濕性能影響不一致。這是由于產品與液態水和氣態水間存在的相互作用力不同所致。

1）顯然，凹凸棒石粉體的加入對產品吸濕性能的影響很大，而對其吸水性能影響較小。這可能是由于合成樹脂吸水的作用來自于樹脂與水分子之間的氫鍵以及水分子之間的大量氫鍵作用，此時凹凸棒石的加入對這種作用沒有顯著的幫助；而樹脂吸濕作用實際上是單個水分子在高分子樹脂中的擴散，靠的是分子間作用力將水分子吸附到樹脂上從而實現吸濕，在這種情況下，凹凸棒石的特殊的纖維結構就起到導入的作用，將表層吸附的水分子順著其纖維結構導入樹脂內部，從而加快吸濕和增大吸濕。

2）中和度對產品吸水性能的影響大而對其吸濕性能的影響小。這是由于中和度直接影響了本合成樹脂的—COOH和—COO-的數量關系。中和度大則—COOH變為—COO-，此時分子的極性增大，很大程度上增加了樹脂分子與水分子間的氫鍵作用；而它對孤立的水分子的影響較小。

3）交聯劑對樹脂吸水性能影響最大，而對其吸濕性能影響卻最小。這也源于吸水和吸濕時水分子的狀態不同。使用交聯劑是希望構建樹脂分子內交錯的網絡結構，若交聯度過大，則樹脂分子中用于包裹締合水分子的空間變小，自然對其吸水性能影響很大，但對孤立水分子的影響就顯得微不足道了，所以交聯度的大小對樹脂吸濕性能的影響很小。

3 結語

通過正交試驗，研究了多種因素對高分子樹脂的吸水性能和吸濕性能的影響，其中凹凸棒石一類具有特殊纖維結構的礦物的加入的確可以改良高吸水樹脂的吸濕性能。

[1]張春曉，張萬喜，劉健，等.有機高分子吸濕材料的研究進展[J].現代化工，2008，28（10）：14—17. ZHANG Chun-xiao，ZHANG Wan-xi，LIU Jian，et al. Research Progress in Moisture Absorbing Polymers[J]. Modern Chemical Industry，2008，28（10）：14—17.

[2] 趙萍，姚瑩，林峰，等.凹凸棒石改性方法及其應用現狀[J].化工生產與技術，2006，13（5）：47—49，55. ZHAO Ping，YAO Ying，LIN Feng，et al.The Modified Method of Attapulgite Mineral and its Present Application Status[J].Chemical Production and Technology，2006，13（5）：47—49，55.

[3]吳海江，楊飛英.鋁合金鈰轉化膜制備工藝參數的正交優化[J].裝備環境工程，2008，5（4）：28. WU Hai-jiang，YANG Fei-yin.Orthogonal Optimum of Technological Parameters for Cerium Conversion Film on Aluminum Alloy[J].Equipment Environmental Engineering，2008，5（4）：28.

[4] 北京大學數學力學系數學專業概率統計組.正交設計——一種安排多因素試驗的數學方法[M].北京：人民教育出版社，1976. Probability StatisticsMajor of DepartmentofMathematics of Peking University.Orthogonal Design—One of Mathematic Way about Dealingwith Multiple Factors[M].Beijing：People’s Education Press，1976.

[5]劉川文，黃紅軍，李志廣，等.聚乙烯醇-丙烯酰胺接枝共聚物的制備及其性能研究[J].化工新型材料，2007，1（35）：56—58. LIU Chuan-wen，HUANG Hong-jun，LIZhi-guang，et al. Preparation of Polyvinyl Lcohol-acrylamide Graft Copolymerization and Study of its Capability[J].New ChemicalMaterials，2007，1（35）：56—58.