P(AA-AMPS)/PVA復合吸水樹脂的制備

謝杰，余巧玲，張艷霞，梁婉興，徐曉燕

(1.廣州市增城質量技術監督檢測所，廣東 廣州 511300；2.廣州質量監督檢測研究院，廣東 廣州 510110；3.四川效率源信息安全技術股份有限責任公司，四川 成都 610000；4.數據恢復四川省重點實驗室，四川 成都 610500；5.西南石油大學，四川 成都 610500)

P(AA-AMPS)/PVA復合吸水樹脂的制備

Preparation of P (AA-AMPS) /PVA composite water absorbent resin

謝杰1，余巧玲2,5*，張艷霞3,4,5，梁婉興2，徐曉燕2

(1.廣州市增城質量技術監督檢測所，廣東 廣州 511300；2.廣州質量監督檢測研究院，廣東 廣州 510110；3.四川效率源信息安全技術股份有限責任公司，四川 成都 610000；4.數據恢復四川省重點實驗室，四川 成都 610500；5.西南石油大學，四川 成都 610500)

以丙烯酸(AA)、聚乙烯醇(PVA)為主要原料，通過正交試驗確定了PAA/PVA互穿網絡高吸水樹脂最佳合成工藝，在此基礎上以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)為第三種原料對其進行復合化改性，通過溶液聚合法制備了P（AA-AMPS）/ PVA復合吸水樹脂，用紅外光譜儀(FTIR)、X-射線衍射分析儀（XRD）和掃描電鏡（SEM）對其結構進行表征。結果表明：n(AA)/n(PVA)為4.5，引發劑用量為0.35%，交聯劑用量為0.1%，中和度為55%，反應溫度為70℃，w(AMPS)為3% 時P （AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂吸水率最佳。FTIR、XRD和SEM結果表明AA、AMPS和PVA已經聚合，得到目標結構。

正交試驗；復合化改性；溶液聚合；吸水樹脂；結構

復合吸水樹脂在農業、工業以及日常生活中得到廣泛的應用，研究人員通過多樣化親水性基團來提高樹脂的性能[1～5]。聚乙烯醇(PVA)是水溶性高分子聚合物，帶有豐富的親水性基團，綠色環保[6]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的分子結構中具有不飽和乙烯基雙鍵、強親水的陰離子性磺酸基團，使得AMPS具有極高的反應活性以及抗鹽性能[7]。本工作通過溶液聚合法制備了P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂，通過正交試驗確定了最佳合成工藝，并對其進行了表征。

1 實驗部分

1.1 原料

AMPS，山東聯盟化工集團有限公司；AA，PVA，NaOH，引發劑過硫酸鉀，交聯劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，均為分析純，成都科龍化工試劑廠生產。

1.2 主要儀器

傅里葉變換紅外光譜儀：NICOLET 6700型（美國Thermo Fisher公司）

X-射線衍射儀：DX-2000（中國丹東方園儀器有限公司）

環境掃描電鏡:Quanta 450型(美國FEI公司)

1.3 樹脂制備

量取一定量AA于廣口瓶，加30 mL蒸餾水攪勻，用質量分數為40% 的NaOH中和AA，加入PVA和AMPS，攪勻后加交聯劑，置于恒溫水浴鍋中，使廣口瓶中溶液處于反應溫度，加引發劑，靜置反應5 h。產物用質量分數為70%乙醇浸泡，然后干燥，粉碎。

1.4 正交試驗

以n(AA)/n(PVA)、引發劑用量、交聯劑用量、中和度、反應溫度這5因素進行5因素4水平篩選，采用L16(45)正交表設計試驗。正交試驗設計如表1所示。

表1 正交試驗設計表

1.5 性能測試

吸水率測定：吸水率是指1 g吸水樹脂干樣品吸收液體的量，單位為 [g/g]，常用方法有茶葉袋法、自然過濾法、吸濾法、量筒法等，本工作采用茶葉袋法[8]，以蒸餾水、鹽水（0.9%NaCl溶液）為吸收液體。吸水率按式（1）計算[1]。

1.6 樣品檢測

（1）紅外光譜（FTIR）測試

制樣方式：KBr壓片；檢測器：；檢測范圍：4 000～500 cm-1；分辨率：4 cm-1：掃描次數：32次。

（2）X-射線衍射（XRD）測試

管電壓：35 kV；管電流：25 mA；角度范圍：5～40°，狹縫系統：1deg&1deg&0.2 mm；掃描方式：連續掃描。

（3）掃描電鏡（SEM）測試

用膠帶固定樣品，將其表面進行噴金處理。

2 結果與討論

2.1 正交試驗制備PAA/PVA互穿網絡高吸水樹脂

表2為正交試驗L16(45)結果表。

表2 正交試驗結果表

由表3的極差分析可知，5因素對樹脂吸蒸餾水率影響程度為B>C>E>D>A,較好組合為A3B4C2D1E2，即引發劑用量對樹脂吸蒸餾水率影響最大，單體配比影響最小。按照上述的合成工藝制得復合吸水樹脂的吸蒸餾水率為1 250 g/g，吸鹽水率為44 g/g。

表3 吸蒸餾水率影響分析表

由表4的極差分析可知，5因素對樹脂吸鹽水率影響程度依次為：C>E>A>B>D,較好組合為A4B4C2D1E2，即交聯劑用量對樹脂吸鹽水率影響最大，中和度影響最小。按照上述的合成工藝制得復合吸水樹脂的吸蒸餾水率為1 103 g/g，吸鹽水率為71 g/g。

表4 吸鹽水率影響分析表

綜合考慮吸蒸餾水率和吸鹽水率的分析，選取合成工藝為n(AA)/n(PVA)=4.5:1，引發劑用量0.35%，交聯劑用量0.1%，中和度55%，反應溫度70℃。

2.2 AMPS用量對P(AA-AMPS）/PVA吸水樹脂吸水率的影響

在n(AA)/n(PVA)=4.5:1，引發劑用量0.35%，交聯劑用量0.1%，中和度55%，反應溫度70℃ 的條件下，改變AMPS的加入量，測定吸水樹脂的吸蒸餾水率和吸鹽水率，結果如圖1所示。

圖1 AMPS用量對吸水率的影響

由圖1可知，當AMPS用量為3%時吸水性能最佳。三維網絡中陰離子數目伴隨著AMPS用量的增加而增加，離子濃度的加大使網絡內外的滲透壓增大，水分子利用壓力差很容易進入三維網絡中，提高樹脂吸水率。當AMPS用量超過3%時，復合吸水樹脂的交聯密度不斷加大，網絡容積變小，吸水性基團可吸附的水分受限，樹脂吸水率不斷下降。

2.3 FTIR分析

圖2為P（AA-AMPS）/PVA紅外譜圖。由圖可知2 929 cm-1為AMPS酰胺基團中-NH的特征吸收峰，1 656 cm-1為AMPS酰胺基團中—C==O的伸縮振動吸收峰，1 287 cm-1為AMPS酰胺基團中—CN的特征吸收峰，1 191 cm-1是磺酸基團對稱伸縮振動吸收峰，1 046c m-1是磺酸基團不對稱伸縮振動吸收峰， 1 724 cm-1是P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂中羰基振動吸收峰，1 560 cm-1和1 406 cm-1是羧基鈉振動吸收峰。由此可見復合吸水樹脂在聚合過程中未發現新基團生成，含有目標結構。

2.4 XRD分析

圖3為P（AA-AMPS）/PVA的XRD譜圖。由圖可知PVA有一個較為明顯的特征衍射峰（衍射角2θ值為20°），但是此峰在P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂的XRD曲線中消失了，并且P（AAAMPS）/PVA展現出兩個峰（相對寬化的“隆峰”和不尖銳的衍射峰），這表明通過溶液聚合反應后，PVA的晶態結構遭到破壞，其在P（AA-AMPS）/PVA中晶相結構不完整，因此說明了PVA在聚合物網絡中穿插，復合吸水樹脂中形成互穿網絡結構。

圖2 P（AA-AMPS）/PVA紅外譜圖

圖3 XRD譜圖

2.5 SEM分析

圖4為P（AA-AMPS）/PVA的掃描電鏡圖。由圖可知P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂的表面呈現粗糙狀，形成鱗片狀結構，比表面積大，使其有較好的吸水性能。

圖4 P（AA-AMPS）/PVA掃描電鏡圖

3 結論

（1）以AA，PVA，AMPS為原料，采用溶液聚合法制備了P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂。最佳反應條件：n(AA)/n(PVA)為4.5，引發劑質量分數為0.35%，交聯劑質量分數為0.1%，中和度為55%，反應溫度為70℃，w(AMPS)為3%。在此條件下，吸水樹脂的吸蒸餾水倍率為2 149 g/g，吸鹽水倍率為96 g/g。

（2）通過IR對P（AA-AMPS）/PVA復合吸水樹脂進行表征，從結果可以看出AA、AMPS和PVA已經聚合；XRD分析表明PVA在聚合物網絡中穿插，復合吸水樹脂中形成互穿網絡結構；SEM分析表明樹脂表面越粗糙，比表面積越大，吸水性能越佳。

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（R-03）

TQ323.5

1009-797X(2016)16-0067-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.018

謝杰（1988-），男，本科，助理工程師，從事計量檢定工作。

*通訊聯系人

2016-07-15