聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的制備與性能測定

祁曉華

摘要： 以聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的制備與性能測定為例，設計了一個應用化學教學綜合實驗。該實驗實現了無機化學、高分子化學、儀器分析和材料化學的相關學科知識的有機結合，探討通過模擬科研流程的專業實驗教學模式培養工科學生的科學思維和對科學實驗的興趣，提高學生綜合運用專業知識解決問題的能力和創新思維能力。三屆學生的教學實踐結果表明，該綜合實驗內容豐富，簡單易行，可操作性強，可以用于應用化學專業學生的實踐教學環節。

Abstract： By taking the preparation and performance of acrylic acid / kaolin composite super absorbent resin as an example， a comprehensive teaching experiment of applied chemistry is designed. This experiment realizes the organic combination of the knowledge of inorganic chemistry， polymer chemistry， instrumental analysis， material chemistry and other related subjects， explores the training of scientific thinking and interest of scientific experiment of engineering students by the professional experimental teaching mode of simulating the scientific research process and improves students' ability of solving problems and innovative thinking by the comprehensive use of professional knowledge. The results of teaching practice of the three sessions of the students show that the comprehensive experiment has rich content， simple and easy operation and strong maneuverability， and it can be used in students' practical learning of applied chemistry.

關鍵詞： 綜合實驗；復合高吸水性樹脂；實驗教學改革

Key words： comprehensive experiment；composite super absorbent resin；experimental teaching reform

中圖分類號：TQ320 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0201-03

0 引言

實驗教學作為理論聯系實際的橋梁，它在培養學生創新能力、實踐能力、綜合素質方面起著非常重要的作用。但是，現有的大學教育中，往往對其沒有給予足夠的重視，傳統的驗證性實驗在整個教學環節中占有非常大的比例。此類教學實驗難度不高、可操作性不好、內容比較單調、考核方式單一，從而影響教學效果。目前，在高等院校實驗教學改革的背景下，為了將學生對實驗課程學習的積極性充分調動起來，培養解決實際問題的能力和創新能力，綜合性、設計性實驗已正式進入實驗教學領域。研究與設計應用化學領域的具有代表性與可操作性的綜合性實驗對于應用化學專業學生的培養和專業自身的發展是極為重要的。最近，我們積極嘗試將重慶交通大學科研成果轉化為綜合性專業教學實驗。通過模擬科研流程的專業實驗教學模式讓學生盡早接觸所學專業的科研前沿動態，了解科研訓練的基本理念和技術，培養工科學生的科學思維和對科學實驗的興趣，提高學生綜合運用專業知識解決問題的能力和創新思維能力。

高吸水性樹脂，又稱超強吸水劑，一種具有良好吸水和保水性能的新型功能高分子材料。它能快速吸收幾十倍至數千倍于自身質量的水分，同時保水性能良好，所吸收水分即使在較高壓力下也不至溢出，比吸水紙、海綿、脫脂棉等傳統吸水材料性能優良。現已廣泛在醫療保健、農林園藝、環保工程、建筑、石化等領域應用，如制為保水劑、增稠劑、紙尿布、衛生巾、堵水劑等。對于高吸水性樹脂的制備、性能及其應用的教學，對于理論知識和實際操作技能方面都具有重要意義。據此，我們將此課題中研究得較為成熟的部分精煉為專業實驗課程“聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的制備與性能測定”。

1 實驗準備

在實驗項目開設之前，給出1～2周的時間，告知項目的內容，讓學生查閱文獻，了解有機-無機復合高吸水性樹脂的結構、制備方法、性能和實際應用等相關知識，對研究的背景有充分的了解。在實驗項目開始前，通過隨機的經過設計的提問，來了解學生對于實驗課題的認識。此方法，通過考核環節的加入，促使學生去查閱文獻，主動思考，加深對課題的認識，為后續實驗工作奠定良好基礎。

2 實驗目的

①了解高吸水性樹脂的基本功能及其用途；②了解高吸水性樹脂的種類及合成方法；③掌握聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的結構特征與基本性質；④掌握自由基聚合反應機理和溶液聚合的工藝特點，以及有機/無機復合高吸水性樹脂的合成方法；⑤掌握有機/無機復合高吸水性樹脂吸水率測定的方法；⑥掌握有機/無機復合高吸水性樹脂的分析表征手段。

3 實驗原理

高吸水性樹脂一般由水溶性聚合物在一定條件下交聯得到。通常其一級結構由大量親水基團（如羥基、羧基、季銨鹽等）構成；二級結構為輕度交聯的網絡或支鏈結構；三級結構一般為無定形結構。

在合成系高吸水性樹脂中，聚丙烯酸類高吸水性樹脂應用最為廣泛，但是其耐鹽性差、吸水速度慢、吸水后的凝膠強度、分散性、彈性及表面干爽性差。為了解決上述問題，引入無機材料，制備有機-無機復合型高吸水性樹脂是最常用的方法之一。通過不同種類材料的復合，能夠在很大程度上將材料的性能互補優化。另外，無機材料通常廉價經濟。已有研究證實，加入適當的無機物能提高凝膠吸水后強度，并能改善吸水性能。高嶺土是典型的1：1型層狀硅酸鹽，且其表面也有大量的親水性羥基，因此，可以作為制備高吸水性樹脂的一種添加材料。

在以往的研究工作的基礎上，本實驗以高嶺土和丙烯酸為原料，以L-抗壞血酸和過氧化氫為氧化還原引發體系，以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，來制備復合高吸水性樹脂。由于丙烯酸是水溶性單體，所以采用經濟無污染的溶液聚合法來進行聚合反應。制得的復合型高吸水性樹脂因經過了輕度交聯，呈三維網狀結構。未接觸水時，高分子鏈彼此靠緊纏結構成致密固體。當水接觸到樹脂之后，高分子鏈上的親水性基團水解并產生了大量的同種電荷，在同種電荷的靜電斥力下，網絡結構被擴張，水分子進入樹脂內部。而抗衡離子則與水分子形成水合離子，抗衡離子可以自由移動，但因為靜電力，抗衡離子無法離開樹脂網絡，由此而產生的滲透壓促使水分子進一步向高分子網絡中運動。在網絡結構擴張的過程中，樹脂分子鏈間的交聯結構收縮彈力也隨之增加，從而限制網絡結構不至于無限膨脹。最終，在樹脂內外水分子達到動態平衡。這就使得高吸水性樹脂具有高的吸水能力和保水能力。

4 儀器與試劑

①實驗試劑：丙烯酸（AA）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（NNMBA）、氯化鈉（NaCl）、L-抗壞血酸水溶液（Vc）、過氧化氫（H2O2）、高嶺土；②實驗儀器：恒溫水浴、磁力攪拌器、溫度計、燒杯、培養皿、篩網、粉碎機、烘箱、紅外光譜儀。

5 實驗步驟

5.1 聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的制備

①用移液管分別移取8 mL丙烯酸及8 mL水于100 mL的燒杯中，再將燒杯置冰水中，在攪拌條件下向其中緩慢加入35wt% 的 NaOH 水溶液進行中和，使其中和度為60%～80%（控制反應體系溫度低于 40℃）。②中和完畢后，向反應體系依次加入0.5 ml NNMBA溶液（1wt%）和0.8g高嶺土，繼續攪拌30min。③將0.5ml L-抗壞血酸（0.5wt%）和0.5ml過氧化氫 （0.35wt%）溶液混合后迅速加入反應體系引發聚合。當體系溫度降至55℃后，在55 ± 1℃ 的水浴中，繼續反應3 h。④反應結束后，取出產物，剪碎，放在玻璃培養皿中，并置100 ℃ 烘箱中烘至恒重，得干燥粒狀物，再將其粉碎后過 60 目和 90 目篩，密封待用。

5.2 聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂吸水率的測定

準確稱取0.200g樣品（記作 M0），放入 100 mL/500 mL 燒杯中，加入約 80 mL / 300 mL溶液，室溫下浸泡 1 h 后，用尼龍網過濾，凝膠在網上靜置 5 min 后，取下稱重 （記作 M1）。常壓下溶液中吸水率按下式計算：M1=溶液指：蒸餾水，自來水，氯化鈉水溶液（0.9 wt%），氯化鈉水溶液（3wt%）。

5.3 聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂吸水率的結構表征

將完全干燥的粉碎后的樹脂顆粒與光譜純的KBr充分混和，然后在壓片機上壓成薄片，置于傅立葉變換紅外光譜儀中進行測定。掃描波數范圍為4000到400cm-1。

在綜合實驗的組織教學過程中，主要進行了以下環節的創新：①實驗講述：在實驗講述過程中，引入科學研究的一般方法，從課題的提出——資料的查閱——資料的分析——具體實驗方案的確定——實驗設計方法——實驗的開展——結果的討論都以典型相關最新研究結果為例進行了講述。同時，要求學生要如實地記錄實驗數據，引申講述科學研究中要遵守的學術道德。通過這樣的講述方式，讓學生對科學研究形成初步的認識。②實驗分組：在實驗開始之前，首先進行實驗分組。在實驗分組時，讓學生自由組合，在實驗過程中通過討論來解決實驗中的分工以及遇到的可能問題，培養團隊合作意識。③實驗設計：選擇分組后，基于產品的最主要的性能是吸水能力，組織學生討論實驗設計方案，引導學生設計了研究各反應條件與吸水能力之間的關系的整體方案。幾個小組為一大組研究某個反應條件（如高嶺土用量、中和度、交聯劑用量、引發劑用量和反應溫度）對樹脂在不同溶液中的吸水能力的影響，提升學生從工藝到結構，再到性能的基本意識。這樣的實驗過程設計，首先從根本上解決了以往實驗課中，學生對實驗的獨立自主設計能力不足的問題，充分發揮了學生的自主能動性；同時，實驗方案的確定需要幾個小組一起討論，就使得學生對實驗內容有了更深入的思考。此外，在整個實驗過程中，實驗的工藝配方對每個學生小組都是不一樣的，這樣，學生實驗記錄和實驗課程作業之間不容易互相抄襲。④實驗操作：在進行實驗的過程中，一旦遇到問題，采取的是以學生為主導的小組甚至大組討論，教師此時以旁觀者的身份傾聽，適時加入引導。在旁觀學生討論的過程中，教師能夠了解學生關注的重點與難點，從而在教學過程中進行教學理念與方法的改革及創新；另一方面，這種方式能充分調動學生在實驗過程中的積極性，鍛煉解決實際問題的能力，提高其對專業知識應用的能力。⑤實驗時間分配：本實驗時間跨度較長，絕大部分時間是消耗在干燥過程中的。但是考慮到實驗學時較短的問題，將干燥過程中烘箱的監控由教師來完成，學生分兩次來完成一個實驗。這樣的安排，一方面是處于實驗過程的完整性，另外一方面，一定的時間間隔，解決了綜合實驗的等待時間過長、學生無所事事等問題。

6 結果分析與討論

實驗結束后，需要對數據進行處理和分析。要求以大組為單位組織學生之間互相交流和匯報，交流不同實驗條件和參數下材料性能的不同變化，并讓學生在討論和交流中學會對實驗結果數據進行甄別、計算和分析并結合數據結果提煉出有說服力的結論。在這個環節的訓練中，能培養出學生的邏輯思維能力、數據的判讀能力和溝通表達能力。同時，要求學生將復合樹脂與市場上同類的產品進行比較。學生可以真實感受和體會到自己制得產品的成功和喜悅，激發對科學研究的興趣。

在實驗報告的編排上還設置了與實驗相關的思考題，題目如下：①高吸水性樹脂與一般吸水物質有何區別？ ②高吸水性樹脂的吸水機理是什么？③本實驗的引發機制是什么？④哪些工藝參數對復合高吸水性樹脂吸水率構成影響？影響是什么？影響大小如何？⑤為什么羧基需要部分中和才能用于高吸水性樹脂？⑥除NNMBA之外，還有哪些單體可以用作交聯劑？⑦為什么聚丙烯酸/高嶺土復合高吸水性樹脂的吸水率在不同水溶液中會有顯著差異？⑧寫一下對本次實驗的認識及心得；實驗過程中易出現哪些問題；實驗設計中的不足；以后可以改進的地方。此類題目的設置可以進一步引導學生對實驗項目的深入思考，強化學生的基本技能，提高學生探索創新的能力。此外，通過學生對問題的反應，可以促使教師去思考和改善實驗教學環節，達到更好的實驗效果。

7 實驗教學效果分析

經過對4屆學生共238人次的教學實踐，本實驗課程教學效果良好，具體表現在以下方面：①通過實驗設計內容的引入，指導學生組織不同反應條件，解決了以往實驗過程中學生“自主性”和“設計性”不足的問題。②這個實驗是個應用基礎研究實驗，里面有一些實用性的實驗內容，在性能測試過程中，在蒸餾水中的某些條件下的產品具有近千倍的吸水率，而同樣條件下，有些組的吸水率只有十幾倍。這種差異比較大的現象，大大得激發了學生的學習興趣，自發組織展開了討論。③每個小組的工藝條件都不一樣，就避免了學生之間互相抄襲、遲到、早退和缺席的情況出現。④在實驗考核中，不以實驗的成敗給學生打分，而是結合對學生查閱文獻結果的抽查，進行討論時的效果、態度及認識程度，以及最終的實驗報告，給出了成績。這種考核方式激發了學生的實驗興趣，充分調動了學生在實驗和討論過程中的主體作用。

8 小結

本綜合實驗簡單易行、可操作性強、實驗現象明顯，可以保證試驗教學的成功率。通過本研究型實驗的實踐訓練，學生可以模擬一次完整的科研經歷，學習到有關資料的查閱、資料的分析、具體實驗方案的確定、實驗設計方法、實驗的開展和結果的討論等一系列的專業知識，同時培養嚴謹的科學研究的態度。教學效果分析表明，該綜合實驗過程中，學生以往的被動接受方式變為主動思考過程，專業實驗課的教學效果得到了顯著提升，學生分析問題和解決問題的能力得到了培養和提高，值得進一步推廣。

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