水解度對聚丙烯酰胺樹脂吸水性能的影響

劉憲紅

（大慶應用技術研究院，黑龍江 大慶163000）

1 概述

高吸水性樹脂又稱超強吸水性聚合物，英文名Super Absorbent Polymer，簡稱SAP，它是一種低交聯度新型高分子材料且具有三維網絡結構的聚合物，因其自身具有（-SO3H、-COOH、-CONH2、-OH 等）強親水基團，使其能夠吸收相當于自身重量上百倍上千倍的水，吸水后形成無色透明凝膠[1-3]，具有強吸水能力的同時也有著強保水能力。現今多應用于日常生活、園林工藝、水土環境等方面。因為高吸水樹脂含有很強的親水基團，并且是具有一定交聯密度的松散網狀結構的高分子，所以能夠吸收比自身重千百倍的水，吸水后便可形成一種透明膠狀物，這種膠狀物具有一定強度的保水性，其既不溶于水，也不溶于有機溶劑。可應用于衛生用品、農業和林業、醫藥和農藥、建筑材料、防火滅火等方面[4-5]。聚丙烯酰胺是一種應用廣泛的水溶性線性高分子聚合物，作為一種功能高分子材料，具有較強的吸水性和保水能力，能吸收比自身重數百甚至數千倍的水分。其應用市場非常巨大，在醫療衛生、農林、園藝、石油化工、日用工業、建筑等各個領域均得到廣泛的應用。本研究探究不同的反應條件合成對吸水性樹脂的性能的影響。對不同的影響性能的因素加以分析，并從其中找到合成PAM 吸水性樹脂所能應用的最佳反應條件。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

表1 實驗儀器

2.2 實驗試劑

表2 實驗試劑

2.3 聚丙烯酰胺吸水樹脂的制備

采用溶液聚合法合成高吸水樹脂。先配置一定量濃度的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合溶液，再將一定濃度的交聯劑、引發劑加入其溶液中；加入交聯劑后要通15分鐘以上的氮氣以便完全除去體系中的氧氣，之后再利用注射器加入一定量的引發劑A 液（氧化劑）和B 液（還原劑）；再通氮氣5 分鐘，將其放置于恒溫箱中進行引發聚合。將合成的丙烯酰胺吸水樹脂攪碎，加入定量氫氧化鈉顆粒進行水解，并放于干燥箱內80℃恒溫干燥。將干燥后的高吸水樹脂部分取出，并進行粉碎處理，得到最終產物。

2.4 合成原理

圖1 高吸水性樹脂合成原理

2.5 高吸水樹脂吸水性能的測定

不同的反應條件下合成高吸水樹脂，用剪刀和砂紙取其中相對較規整部分，稱量其絕干質量,記M0,分別浸泡在200ml 蒸餾水、自來水、4500ppmNaCl 水溶液中，并記錄不同時間下高吸水樹脂吸水后的質量Mt1，按以下的公式計算吸水倍率。

2.6 傅立葉紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法，用美國PE 公司spectrum400 傅里葉紅外光譜儀對高吸水性樹脂粉末進行紅外光譜測定與分析。

3 實驗結果與討論

本研究在不同反應條件下合成的高吸水樹脂的性能變化，在分別改變反應溫度、交聯劑用量等條件下采用水溶液聚合法合成高吸水性樹脂，并測定其吸水倍率、保水率、紅外表征等。

3.1 產品化學結構表征

圖2 AM-AMPS 吸水樹脂（含交聯劑MBA）紅外譜圖

圖3 前三個小時不同水環境吸水倍率點線圖

3.2 不同水解程度對SAP 吸水倍率的影響

實驗中保持AM 和AMPS 用量不變，改變水解時氫氧化鈉的用量，在室溫下引發聚合。三組過硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原體系如表3，兩組過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系如表4。

圖4 不同水環境整體吸水倍率點線圖

圖2 是AM-AMPS 吸水樹脂（含交聯劑MBA）紅外譜圖。在波數為3442cm-1和3198cm-1處存在酰胺基N-H 伸縮振動峰，2940cm-1處為烷基的C-H 伸縮振動峰，1321cm-1和1350cm-1處存在C-H 彎曲振動吸收峰，在990cm-1處存在C-H 面外彎曲振動吸收峰，1555cm-1和1407cm-1處分別存在羧基的C=O 伸縮振動峰和O-H 彎曲振動峰，1187cm-1到1042cm-1之間存在醚類特征峰。626cm-1和509cm-1處存在兩個磺酸基特征峰。

表3 不同水解程度過硫酸鉀-氯化亞鐵體系

表4 不同水解程度過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉體系

以上5 組實驗得到產品分別編號為1、2、3、4、5，測量5 個產品在不同水環境下吸水倍率對比，結果如圖3。

由圖3 分析可知，在過硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原引發體系和過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系中，在一定水解程度范圍內，水解程度越大吸水倍率增長越快，在蒸餾水中體現最為明顯。隨著溶液鹽度的增大，吸水倍率數值增長趨勢減小。

由圖4 可知在過硫酸鉀-氯化亞鐵氧化還原引發體系中，水解度達到35.6%的吸水樹脂吸水倍率最高。其在NaCl 溶液中吸水效果最高達到82.48 倍。在自來水水中吸水效果最高達到136.37 倍。在蒸餾水中的吸水效果達到697.34 倍。而在過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉氧化還原體系中，吸水倍率最好的同樣是水解度為35.6%的吸水樹脂。其在NaCl 溶液中的吸水倍率最高達到79.23 倍。在自來水中的吸水倍率最高達到152.18 倍。在蒸餾水中的最高吸水倍率則達到737.28 倍。在蒸餾水中產品5 的吸水性一直優于產品3 的吸水性，在NaCl 溶液和自來水環境中兩者吸水倍率均出現交叉現象。

造成上述結果的原因可能是：當后加入NaOH 部分水解時，使原有的部分酰胺基水解變成更具親水性的羧酸基，隨著水解程度的增加，共聚物中的羧酸基逐漸增加，其吸水倍率也有著明顯的增長。

4 結論

本論文主要研究的是在不同水解度條件下合成的吸水性樹脂在不同水環境下對吸水性能的影響，當改變水解程度時，在一定范圍內水解程度越大，聚合物中的更強的親水基團（羧基）含量越多，其在NaCl 溶液、自來水、蒸餾水中的吸水性能越好。