聚丙烯酸吸水樹脂改性方法的探究

楊夢(mèng)晶 丁杰 陳曉蕾 李鎮(zhèn)伯(西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730124)

0 引言

吸水樹脂(Super Absorbent Polymer，SAP)，即吸水劑，是一種新型功能高分子材料，具備超強(qiáng)的吸水性和保水性，是當(dāng)今社會(huì)鉆研的熱門話題。水凝膠便是一個(gè)很好的例子，是由吸水劑吸水膨脹后得到的，一旦吸水就很難分離出來(lái)，即便加壓也很難做到。“吸水劑”這個(gè)定義于1950年在美國(guó)提出，自1960年至今，世界上多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已對(duì)新型高分子吸水材料投入了大量的科學(xué)研究工作，并取得了相應(yīng)的成效，聚丙烯酸類吸水樹脂是目前最常用的一類吸水劑。吸水劑作為一種環(huán)保節(jié)能型材料已在農(nóng)林業(yè)，工業(yè)，醫(yī)藥，食品包裝等領(lǐng)域中大量的應(yīng)用。如今已發(fā)現(xiàn)了許多高分子吸水樹脂的制備工藝，譬如接枝共聚，交聯(lián)，嵌段共聚，乳液聚合以及懸浮聚合等。但傳統(tǒng)的聚丙烯酸吸水樹脂同樣存在很多不足之處，如耐鹽性差，吸水后的凝膠強(qiáng)度不夠，保水性能不夠好，降解性能差等缺點(diǎn)[1]。因而，對(duì)聚丙烯酸類吸水樹脂進(jìn)行改性成為材料科學(xué)研究的熱門。

1 傳統(tǒng)聚丙烯酸吸水樹脂的制備

王中華等[2]采用水溶液聚合法，以丙烯酸為單體，過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，N,N-二甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，制備出聚丙烯酸吸水樹脂(表1)。

表1 聚丙烯酸吸水樹脂的最佳合成條件及成效

2 常用的聚丙烯酸類吸水樹脂的改性方法

2.1 蒙脫土改性聚丙烯酸類吸水樹脂

蒙脫土，即我們所熟悉的“萬(wàn)能材料”礦物組分很多，同時(shí)具有諸多優(yōu)良的性質(zhì)，主要用于醫(yī)藥化工領(lǐng)域。李廷希等[3]采用水溶液聚合法，以丙烯酸，有機(jī)蒙脫土(OMMT)為單體，加入氫氧化鈉，以N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，制得蒙脫土/丙烯酸高吸水性樹脂。對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征(紅外光譜，掃描電鏡法)，探究了原料的配比對(duì)產(chǎn)品吸水性能的影響，優(yōu)化了合成條件，結(jié)果顯示當(dāng)原料配比適當(dāng)時(shí)，吸水率最高可達(dá)到727g/g。劉平生等[4]則采用插層法，將丙烯酸插入到蒙脫土片層中，使片層分離，加入引發(fā)劑和交聯(lián)劑，以此制得納米分級(jí)高吸水性樹脂。對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征(傅里葉變換紅外，X 射線衍射)，結(jié)果如表2 所示，其吸水率和吸鹽率分別能達(dá)到1200g/g 和121g/g。

表2 蒙脫土改性聚丙烯酸類吸水樹脂的最佳合成條件及成效

2.2 高嶺土改性聚丙烯酸類吸水樹脂

高嶺土是一種非金屬礦產(chǎn)，其諸多優(yōu)良的性質(zhì)決定了它在造紙，陶瓷，化工，國(guó)防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。張小紅等[5]采用反向懸浮聚合法，以丙烯酸為單體，高嶺土為填充劑，加入適量引發(fā)劑和交聯(lián)劑，制備得到聚丙烯酸鈉/高嶺土復(fù)合高吸水性樹脂，探究了聚合條件對(duì)產(chǎn)物性能得影響，結(jié)果如表3 所示，該復(fù)合吸水劑在吸水性和耐鹽性方面都有很大的提高。李杰[6]采用了水溶液聚合法，以丙烯酸為單體，加入適量高嶺土，引發(fā)劑和交聯(lián)劑，制得高嶺土/丙烯酸鹽復(fù)合高吸水樹脂，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征(紅外光譜，掃描電鏡，X 射線衍射，熱重分析)探究合成條件對(duì)產(chǎn)品性能得影響，結(jié)果表明在高嶺土添加量為丙烯酸質(zhì)量的10%的條件下，丙烯酸單體濃度為35%,交聯(lián)劑用量為單體質(zhì)量的0.015%,引發(fā)劑用量為單體質(zhì)量的0.25%，中和度為80%時(shí)，如表3 所示，其最高吸水倍率可達(dá)到728g/g，吸0.9%NaCl 溶液70.2g/g。

表3 高嶺土改性聚丙烯酸類吸水樹脂的最佳合成條件及成效

2.3 硅藻土改性聚丙烯酸類吸水樹脂

硅藻土(硅巖石)其主要的組成部分是古代的硅藻遺骸。硅藻土分布范圍廣，儲(chǔ)量豐富，提純方法繁多，并且具有優(yōu)良的吸水性，這一點(diǎn)可以很好的用于高分子吸水樹脂的改性。同時(shí)硅藻土具有許多其它優(yōu)良的性質(zhì)，比如無(wú)毒，較好的懸浮性，吸附性，可調(diào)節(jié)濕度等。正是由于這些優(yōu)良的性質(zhì)，使其在城市污水處理，工業(yè)填料，農(nóng)藥業(yè)，室內(nèi)裝修等方面廣泛應(yīng)用。王永鵬等[7]采用水溶液聚合法，以丙烯酸和硅藻土為單體，在合成過(guò)程中加入適量的引發(fā)劑和交聯(lián)劑，制備得到聚丙烯酸硅藻土復(fù)合高吸水性樹脂，并測(cè)定其在鹽溶液中的吸水率，以及在不同溫度，不同時(shí)間下的保水率，結(jié)果如表4 所示。聚丙烯酸硅藻土復(fù)合高吸水性樹脂在鹽溶液中的吸水率和保水率都有所提高，但保水率會(huì)受到溫度和時(shí)間的影響。

表4 聚丙烯酸硅藻土復(fù)合高吸水性樹脂在鹽溶液中的性能參數(shù)

2.4 淀粉接枝共聚改性聚丙烯酸類吸水樹脂

淀粉是高分子碳水化合物，屬于均多糖，物理性質(zhì)繁多，其化學(xué)性質(zhì)與葡萄糖沒(méi)有太大區(qū)別，淀粉的應(yīng)用十分廣泛，在生活中也很常見，利用其優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，在聚丙烯酸類吸水樹脂的改性方面取得了重大突破。張榮明等[8]在聚丙烯酸類吸水樹脂的合成方法之上在單體中加入非離子以及陽(yáng)離子單體進(jìn)行接枝共聚，制備得到耐鹽性樹脂，并與普通樹脂比較，結(jié)果表明，耐鹽樹脂在不同鹽溶液中的吸水量比普通樹脂好很多，而且當(dāng)丙烯酸中和度控制在70%～80%時(shí)，吸水率最大，并且有較好的耐酸性，耐堿性和耐鹽性，同時(shí)還提高土壤的吸水和保濕性能，降低了土壤容重，調(diào)節(jié)空氣及熱量的分布。廖列文等[9]摒棄以往常用的淀粉與丙烯酸鈉接枝共聚的方法，以玉米淀粉和丙烯酸為單體，選擇過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用聚合與干燥一步合成淀粉接枝丙烯酸鈉超強(qiáng)吸水劑，通過(guò)一系列的性能測(cè)試，最終結(jié)果表明其生理鹽水加壓保水率可高達(dá)75%～90%，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)聚丙烯酸吸水樹脂。

3 結(jié)語(yǔ)

聚丙烯酸吸水樹脂的改性仍是當(dāng)今社會(huì)一大熱門的研究話題，經(jīng)蒙脫土，高嶺土，硅藻土和淀粉改性后的復(fù)合吸水樹脂在吸水性，保水性，耐鹽性等方面都有了很大的提高，除此以外還有秸稈，聚天冬氨酸等對(duì)聚丙烯酸吸水樹脂的改性，正是這些改性方法合成了各種復(fù)合吸水劑，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)聚丙烯酸吸水樹脂諸多性能上的缺點(diǎn)，使其能夠更為廣泛的應(yīng)用于各大領(lǐng)域。但或多或少還是存在一些問(wèn)題，還有很多改性方面的問(wèn)題值得我們研究，提升空間很大，應(yīng)用前景也很廣闊，相信在今后，聚丙烯酸類吸水樹脂會(huì)更加廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為人類的生產(chǎn)生活創(chuàng)造更多便利。