聚丙烯酸吸水樹脂的性能研究

夏子喬 陸艷 熊國強 江志勇

摘 要：以丙烯酸（AA）為原料，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA）為交聯劑，過硫酸鉀（KPS）為引發劑，采用水溶液聚合法，制備聚丙烯酸吸水樹脂，研究了樹脂的吸水與保水性能。結果表明，當中和度為65%，AA、NMBA和KPS用量分別為20%、0.04%和2%時，可以獲得吸水性能良好的聚丙烯酸樹脂;該樹脂對去離子水的吸水倍率分別為501倍;在20SymbolpB@

C下100min的保水率為88.7%，70SymbolpB@

C下50min的保水率為81.5%。

關鍵詞：聚丙烯酸樹脂;吸水樹脂;吸水性能

聚丙烯酸吸水樹脂具有快速的吸液速率、良好的吸液倍率等特點，對以后新型環保吸水材料有一定的研究價值。運用反相懸浮聚合法得出性能優良的聚丙烯酸吸水樹脂，用60mL環己烷作為連續相，6.67%司班-60作為分散劑，單體7.5g，3.1g NaOH中和單體，10mL用水量，MBA作為交聯劑用量0.08%，KPS作為引發劑用量0.67%，產出吸水樹脂最大吸水倍率850g/g，0.9%NaCl最大吸液倍率為120g/g[1]。本章用AA作為單體，KPS作為引發劑，NMBA作為交聯劑進行制備聚丙烯酸吸水樹脂。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：水浴鍋、立式攪拌器、三口燒瓶、恒壓滴液漏斗、電子天平等。

試劑：丙烯酸、過硫酸鉀、氫氧化鈉、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺等。

1.2 實驗步驟

1.2.1 PAA吸水樹脂的制備

稱取一定量的丙烯酸（AA），加入適量的水，充分混勻，轉移至250mL三口瓶中，開啟攪拌器和冷凝回流水，在將取好的NaOH溶液倒入三口瓶中，攪拌30min。稱取適量的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺加入到三口瓶中;將恒溫水浴鍋的溫度升至60℃，取適量的過硫酸鉀加水溶液，滴加1h;再升溫至70SymbolpB@

C反應約2h左右，得到黃棕色具有一定粘度和流動性的物質。將三口瓶中的產品倒入到玻璃培養皿中，進行烘干粉碎過篩裝袋備用。

1.2.2 吸水率的測定

測定吸水率的方法是茶袋法[2]。稱取烘干過篩后的樣品0.05 g放于茶袋中;貼上標簽封口再將茶袋放于裝有500mL蒸餾水的燒杯中。讓其吸水24h。具體公式如下：

Q=M1-M2-M3M2（1）

式中Q表示吸水倍率，M1表示吸水后的樣品質量，M2表示烘干過篩后的樣品質量，M3表示茶袋的質量。

1.2.3 吸液速率的測定

稱取烘干過篩后的樣品0.05g放于茶袋中，貼上標簽封口放于裝有500mL蒸餾水的燒杯中，每次間隔一定時間從燒杯中取出用濾紙擦干多余的水，再放到臺秤上稱取它的質量。具體時間分布為20、40、60、80和100min。

2 結果與討論

2.1 丙烯酸單體量對去離子水吸水倍率的影響

丙烯酸單體量對去離子水的吸水倍率的影響如圖1所示。可以看出，當單體用量從16%增加至20%的吸水倍率是由425g/g增加到451g/g，但20%增加至24%的吸水倍率是由451g/g下降到4276g/g，當單體用量為16%時，交聯點之間分子鏈短，-COOH數量相對少，三維網狀結構比較致密，不容易擴展，吸水倍率低;當單體用量為20%時，交聯點之間分子鏈段長度適中，-COOH數量增多，有效三維網狀結構數量最多，比較容易擴展，吸水倍率增大;當單體用量為24%時，聚合物分子量增大，交聯點之間分子鏈段長，三維網狀結構松散，吸水倍率也會降低[3]。

2.2 丙烯酸單體量對吸水速率的影響

單體用量對吸水速率的影響如圖2所示。可以看出，當單體用量16%時，在10min至50min吸水速率由55g/g增加至113g/g，交聯點之間分子鏈短，三維網狀結構致密，-COOH數量相對少，吸水速率低;當單體用量20%時，10～50min吸水速率由67g/g增加至137g/g，交聯點之間間距適中，形成三維有效網絡數量最多，-COOH數量增加，吸水速率加快;當單體用量24%時，在10～50min吸水速率由63g/g增加至137g/g，交聯點之間分子鏈長，三維網狀結構松散，吸水速率會有所降低[4]。

在10min時，單體用量為16%的吸水速率為55g/g，單體用量為20%的吸水速率為67g/g，單體用量為24%的吸水速率為63g/g。由此可見10min時單體用量為20%吸水速率最快。

2.3 交聯劑對去離子水吸水倍率的影響

交聯劑對去離子水吸水倍率的影響如圖3所示。可以看出，當交聯劑用量0.02%增加至0.04%吸水倍率由353g/g上升至359g/g，但0.04%增加至0.10%吸水倍率由359g/g下降至329g/g。當交聯劑濃度低時，交聯點之間的分子鏈長，三維網狀結構松散，吸水倍率低;當交聯劑為0.04%時，交聯點之間分子鏈長度適中，形成有效的三維網狀結構數量最多，吸水倍率增大;當交聯劑濃度大時，交聯點之間的分子鏈短，三維網狀結構致密，不容易擴展，吸水倍率降低[5]。

2.4 交聯劑對吸水速率的影響

交聯劑對吸水速率的影響如圖4所示。可以看出，當交聯劑用量為0.04%時，樹脂吸水時間從10min增加到50min時，樹脂吸水倍率從59倍增加到133倍。當交聯劑用量低時，交聯點之間分子鏈段長，三維網狀結構松散，有效三維網狀結構數量少，-COOH數量相對少，吸水速率低;當交聯劑用量0.04%時，交聯點之間分子鏈適中，形成有效三維網狀結構數量最多，-COOH數量增加，吸水速率加快;當交聯劑用量高時，交聯點之間分子鏈短，三維網狀結構密集，不易于擴展，-COOH數量減少，吸水速率減慢[6]。

2.5 引發劑對去離子水吸水倍率的影響

引發劑對去離子水倍率的影響如圖5所示。可以看出，當引發劑用量從1%增加至2%時，吸水倍率從389g/g上升至419g/g，但引發劑用量2%增加至8%吸水倍率419g/g下降至385g/g。當引發劑用量低的時候，交聯點之間分子鏈長，三維網狀結構松散，分子量大，吸水倍率低;當引發劑用量2%時，交聯點之間分子鏈適中，形成有效三維網狀結構數量最多，分子量適中，吸水倍率高;當引發劑用量高的時候，交聯點之間分子鏈短，反應速度太快，控制很困難，輕易的產生暴聚，暴聚過程前后分子量很小，生成的三維網絡結構很致密，吸水倍率就會降低。

圖5 引發劑對去離子水吸水倍率的影響

2.6 引發劑對吸水速率的影響

引發劑對吸水速率的影響如圖6所示。可以看出，當引發劑用量為2%時，樹脂吸水時間10min增加到50min，樹脂吸水倍率由61倍增加到173倍。當引發劑的量少時，交聯點之間分子鏈長，反應活性中心少，反應速度慢，形成的三維網狀結構松散，-COOH數量相對少，吸水速率低;當引發劑用量2%時，交聯點之間分子鏈適中，形成有效三維網狀結構數量最多，-COOH數量增多，吸水速率增大;當引發劑用量太大時，交聯點之間分子鏈短，三維網絡空間結構密集，分子量減小，-COOH數量減少，吸水速率降低[7]。

2.7 中和度對去離子水吸水倍率的影響

中和度對去離子水倍率的影響如圖7所示。可以看出，當中和度用量60%增加至65%吸水倍率465g/g增加至501g/g，但中和度用量65%增加至80%吸水倍率501g/g下降至473g/g。當中和度用量低時，交聯點之間分子鏈短，三維網狀結構密集，與-COO-之間的靜電斥力小，吸水倍率低;當中和度用量65%時，交聯點之間分子鏈長度適中，形成有效的三維網狀結構數量最多，產生的-COO-增多，與其的靜電斥力適中，吸水倍率大;當中和度用量高時，產生的-COO-越來越多，靜電斥力逐漸增大，三維網狀結構變得很松散，吸水倍率低。

2.8 中和度對吸水速率的影響

中和度對吸水速率的影響如圖8所示。可以看出，當中和度為65%時，樹脂的吸水時間由10min增加到50min，樹脂的吸水倍率由69倍增加到161倍。在中和度低時，交聯點之間分子鏈短，三維網狀結構密集，-COOH數量相對少，靜電斥力小，吸水速率慢;在中和度為65%時，交聯點之間分子鏈長度適中，形成有效三維網狀結構數量最多，-COOH數量增加，靜電斥力適中，吸水速率會加快;在中和度過大的時候，交聯點之間分子鏈長，三維網狀結構松散，靜電斥力增大，會使吸水速率變慢[8]。

3 結論

通過采用水溶液聚合法合成了PAA吸水樹脂，研究出了PAA樹脂的在交聯劑、引發劑的用量分別為單體用量的0.04%，2%，單體用量20%，中和度65%的最佳條件下，對去離子水的吸水倍率為501g/g，在20SymbolpB@

C下100min后樹脂的保水率為88.7%，在70SymbolpB@

C下50min后樹脂的保水率為81.5%。

參考文獻：

[1]陳時忠，徐偉亮.聚丙烯酸吸水樹脂的反相懸浮聚合研究[J].科技通報，2000，41（4）：52-55.

[2]孫賓賓，楊博.高吸水樹脂產品吸水保水性能測試方法綜述[J].化學工程師，2013，27（10）：30-33.

[3]萬國順，黃紅軍，李志廣，等.聚丙烯酸/丙烯酰胺樹脂的制備及其吸濕性能研究[J].化工新型材料，2011，39（3）：95-97.

[4]劉捷.聚丙烯酸類高吸水樹脂合成改性研究的進展[J].科技創新與應用，2017（11）：12.

[5]徐繼紅，陶俊，譚德新，等.微波輻射CMC接枝AA/AMPS高吸水樹脂的制備[J].涂料工業，2011，41（10）：30-33.

[6]吳莎莎.丙烯酸—丙烯酰胺類高倍吸水樹脂性能研究[D].青島：山東科技大學，2011.

[7]林潤雄，黃毓禮.丙烯酸-丙烯酸鈉共聚合成高吸水性樹脂的研究[J].北京化工大學學報（自然科學版），1998，（1）：35-38.

[8]Lai S L，Han W J，Chen F，et al.Preparation of super absorbent P（AA-AM） resin under microwave irradiation[J].Plastics，2010，40（6）：27-29.