反應條件對PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的影響研究

羅艷麗 陳成 楊微 韋敏文 杜龍飛

摘 ?要：丙烯酸高吸水性樹脂的吸水性很強，是一種新型功能的高分子材料。本實驗以丙烯酸（AA）為單體，聚乙烯醇（PVA）和蒙脫土（MMT）為改性劑，N， N '-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑，采用水溶液聚合法制備了PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂。研究了吸水樹脂的吸水性能，使用紅外光譜驗證其化學結構。通過實驗得到了最佳的實驗方案：引發(fā)劑體系為過硫酸鉀（K2S2O8）和亞硫酸氫鈉（SB），交聯(lián)劑用量是單體質(zhì)量的0.25%，蒙脫土用量是單體質(zhì)量的10%，反應溫度是70℃，中和度是65%。在最佳條件下制得的互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂浸泡在蒸餾水中，4h后的吸水倍率達到171倍，將其粉碎至50目，4h后的吸水倍率達到820倍。

關鍵詞：高吸水樹脂;丙烯酸;聚乙烯醇;蒙脫土;吸水倍率;吸水速率

1實驗內(nèi)容

1.1實驗試劑

丙烯酸，分析純，沈陽市華東試劑廠;偶氮二異丁腈，分析純，天津市福晨化學試劑廠;亞硫酸氫鈉，分析純，沈陽市華東試劑廠;N，N，-亞甲基雙丙烯酰胺，分析純，阿拉丁試劑;聚乙烯醇，分析純，阿拉丁試劑;蒙脫土，分析純，麥克林試劑;過硫酸鉀，分析純，沈陽市華東試劑廠。

1.2 聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的制備

本實驗樣品是用水溶液聚合法制備的，先將丙烯酸和氫氧化鈉中和。并加入一定量的蒙脫土，聚乙烯醇，過硫酸鉀。將溶液轉(zhuǎn)移至250ml三口燒瓶中，于70℃恒溫水浴下攪拌4小時。在反應的前一小時向三口燒瓶中滴加一定量的亞硫酸氫鈉溶液，得到具有一定粘性的黃色物質(zhì)，將其放入恒溫為80℃的鼓風干燥箱進行烘干，測量其吸水性能。

1.3 制備原理

以丙烯酸作為單體，NaOH進行中和，交聯(lián)劑（N， N '-亞甲基雙丙烯酰胺），引發(fā)劑體系（KPS-SB），采用水溶液聚合法聚合，制備PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂。在PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂中，丙烯酸和丙烯酸鈉大分子聚合物為第一層網(wǎng)絡，PVA大分子聚合物為第二層網(wǎng)絡和第一層網(wǎng)絡互相穿插，蒙脫土在互穿網(wǎng)絡中，具有結構支撐的作用。如圖2-1所示。

圖中A為丙烯酸和丙烯酸鈉大分子聚合物網(wǎng)絡，B為PVA大分子聚合物網(wǎng)絡，C為MBA，D為蒙脫土。

1.4 實驗測試方法

1.4.1 高吸水樹脂吸水性能的測定

將合成的高吸水樹脂剪成規(guī)則的小塊，稱其干燥質(zhì)量為（M?），用蒸餾水浸泡，每隔一定時間記錄數(shù)據(jù)，測定吸水后高吸水樹脂的質(zhì)量為Mt，吸水率等于（Mt-M0）/M0×100%。1.4.2 傅立葉紅外光譜分析

采用溴化鉀壓片法，對PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂粉末進行紅外光譜測定，對紅外譜圖進行分析，紅外光譜儀是美國PE公司spectrum400傅里葉紅外光譜儀。

2實驗結果與討論

本論文研究了高吸水樹脂在不同反應條件下吸水性能的變化。采用水溶液聚合法，測試了樹脂的吸水倍率和吸水速率，并對它的紅外表征圖片加以分析。

2.1 產(chǎn)品結果與表征

PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂樣品的紅外光譜，如圖3-1所示。

在3436.14cm-1和3441.82cm-1附近有聚丙烯酸鈉中O-H鍵的伸縮振動吸收峰，在2954.43cm-1和2956.92cm-1有C-H鍵的伸縮振動吸收帶，在1733.05cm-1和1732.06cm-1有C=O對稱伸縮振動吸收峰，在1574.09cm-1有N-H鍵的伸縮振動吸收峰，在1582.32cm-1處有羧基的C=O伸縮振動峰。在1317.98cm-1有C-H彎曲振動吸收峰，在851.06cm-1處有芳香族C-H鍵。綜上所述，合成的四種聚丙稀酸類高吸水樹脂均為目標產(chǎn)物。

2.2 探究不同反應條件下吸水樹脂的吸水倍率和吸水速率

2.2.1 交聯(lián)劑用量對樹脂吸水倍率和吸水速率的影響

交聯(lián)度低的樹脂吸水倍率反而會高，交聯(lián)度過低會使產(chǎn)物呈線型或支鏈型的高分子，強度小，在水中可溶性大。交聯(lián)度過大會使互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的內(nèi)部空間變小，導致它特有的網(wǎng)狀結構沒有辦法形成，水分子很難進入互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的內(nèi)部，吸水性能較差[4]。

圖3-2中，當交聯(lián)劑（MBA）用量低于單體質(zhì)量的0.25%時，隨著交聯(lián)劑的增加，樹脂吸水倍率也增加;MBA用量（0.25%）的樹脂吸水性能最好;最大吸水倍率為280倍。當交聯(lián)劑（MBA）用量高于0.25%時，樹脂的吸水量會減少。

2.2.2 反應溫度對樹脂吸水倍率和吸水速率的影響

聚合溫度是很重要的一個因素。溫度過低時，引發(fā)劑活性較低，吸水效果不好;溫度升高，引發(fā)劑活性增加，能形成有效的互穿網(wǎng)絡結構，吸水速率增加[6]。

圖3-4中，反應溫度為70℃時，樹脂吸水倍率為320倍。反應溫度60℃時，PAA/PVA//MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的最高吸水倍率為283倍，反應溫度50℃時，PAA/PVA//MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的最高吸水倍率為199倍，反應溫度為40℃時，PAA/PVA//MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂的最高吸水倍率為219倍。隨著反應溫度的升高，體系的粘度逐漸降低，丙烯酸易于分散，有利于過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉的分解。丙烯酸轉(zhuǎn)化率提高，吸水倍率提高。綜合考慮，選擇的最佳反應溫度為70℃。

2.2.3 探究不同粒徑下吸水樹脂的吸水倍率

樹脂的粒徑越小、比表面積越大，吸水速率較快。粒徑較小的樹脂與蒸餾水的接觸面積大，水向樹脂內(nèi)部滲透的距離較短，樹脂內(nèi)部高分子鏈擴展快，互穿網(wǎng)絡大，吸收的自由水多，吸水速率快;反之，吸水速率小。三種高吸水樹脂（0%蒙脫土用量（PAA ?PVA），1%蒙脫土用量，10%蒙脫土用量）粉碎后篩分得到不同粒徑的樹脂顆粒，分別稱取相同質(zhì)量的樹脂浸泡在蒸餾水中4小時，測量其吸水倍率，結果如圖3-10所示。

圖3-5所示，粒徑的大小對吸水速率的影響較大。三組PAA/PVA//MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂都是粒徑越小，吸水倍率越大。這是因為樹脂中顆粒之間毛細管的吸水作用較強，能在顆粒之間保持更多的自由水[7]。同一粒徑，10%蒙脫土用量的吸水樹脂的吸水倍率最高，吸水倍率最高達到820倍。整體來看，10%蒙脫土用量的吸水樹脂吸水效果較好。

結論

本實驗采用水溶液聚合法制備PAA/PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂，實驗主要研究了高吸水樹脂的吸水倍率和吸水速率，并用紅外光譜儀對其內(nèi)部結構加以分析。主要結論為：合成PAA//PVA/MMT互穿網(wǎng)絡高吸水樹脂都是粒徑越小，吸水倍率越好。當改變交聯(lián)劑用量時，在一定范圍內(nèi)添加的交聯(lián)劑量過少，交聯(lián)密度較低，凝膠強度較低，吸水倍率和吸水速率也都較低。交聯(lián)劑過量，交聯(lián)密度將會增大，使得吸水后凝膠變硬，吸水倍率較低。當改變引發(fā)溫度時，一定范圍內(nèi)引發(fā)溫度越高，所合成的高吸水樹脂的吸水倍率也高，由于分子熱運動會使樹脂產(chǎn)生彈性收縮，溫度過高吸水倍率會下降。

參考文獻

[1] 夏子喬，陸艷，江志勇，等.聚丙烯酸吸水樹脂的性能研究[J].科技風，2021（08）：190-192.

[2] 楊夢晶.聚丙烯酸高吸水樹脂的合成及性能研究[J].冶金管理，2020（05）：21+23.

[3] Panwar Vinay，Pandey Vijay， Pal Kaushik. Dynamic mechanical and EWF study of reactive organo-montmorillonite and carbon black filled polyurethane nanocomposites[J]. Polymer-Plastics Technology and Materials， 2021， 60（9）.

[4] 趙志剛，劉芳，石彤非，等.高吸水樹脂粒徑大小對其性能的影響[J].山東化工，2021，50（07）：16-18+21.

作者簡介：羅艷麗（2000.11-），女，漢族，四川瀘州人，大慶師范學院化學工程學院本科生

通訊作者：陳成，（1982.07-），男，漢，黑龍江大慶，東北林業(yè)大學，博士研究生，大 ? 慶師范學院化學工程學院，副教授，研究方向為油田化學與高分子材料。

基金項目：黑龍江省2020年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目202010235008;大慶師范學院科學研究基金項目15ZR02;