聚丙烯酸基超吸水纤维吸液性能及吸液机理研究* yd15411
刘其霞 丁志荣 董震 董伟伟 南通大学纺织服装学院，南通，226019
收稿日期：2012-02-29
*交通运输部科技项目(2011319813500)
作者简介：刘其霞，女，1983年生，讲师。主要从事功能纤维和功能复合材料制备及应用方面的研究。
原载：产业用纺织品，2012/9；20-24
【摘要】对聚丙烯酸基超吸水纤维(SAF)在纯水、NaC1溶液和CuSO4溶液中的吸液性能进行了研究，重点考察了浸泡时间、水温、离子浓度、离子价位和溶液pH值对超吸水纤维吸液倍率的影响，并对超吸水纤维的吸液机理进行了探讨。研究结果表明：超吸水纤维的吸液倍率受浸泡时间的影响较小，受水温、离子浓度、离子价位和溶液pH值的影响较大；其吸液机理与Flory离子网络理论一致，纤维内部高分子网络内外的渗透压差是超吸水纤维吸液的主要动力因素；超吸水纤维还呈现出较好的重复吸水能力。
【关键词】超吸水纤维，吸液性能，吸液机理
【中图分类号】TQ342+．86 文献标志码：A 文章编号：1004-7093(2012)09-0020-05
超吸水纤维(superabsorbent fiber，简称SAF) 是继超吸水树脂(superabsorbent polymers，简称SAP) 之后发展起来的一种新型功能性高分子材料，与超吸水树脂一样，超吸水纤维的高分子结构也是由主链骨架、吸水基团和交联基团等构成的，并通过交联技术形成三维网状结构，从而体现出优越的吸液性能、保液性能和溶胀特性[1-6]。超吸水
纤维由于其纤维状的结构特点，可以和其他纤维混合使用，易于通过纺纱、织造或非织造加工制成类似纺织品的吸液制品，从而克服了粉末、颗粒状超吸水树脂在加工方面的困难，因此具有更宽广的应
用前景。由超吸水纤维制成的纺织制品可被用作生理卫生材料、防止结露材料、油水分离材料、农业园艺用保水材料、离子交换材料等，目前已在医疗卫生用品、日用品，以及工农业等方面得到广泛的应用[7-9]。
超吸水纤维一般采用与聚丙烯、聚酯、聚酰胺、黏胶等纤维混纤，通过气流成网或梳理成网或湿法成网，经热轧黏合、针刺制成平面非织造布，或通过纺纱等途径制成包缠纱或精纺纱，用于终端用途 10-11]。显然，超吸水纤维的吸液性能会直接影响终端产品的性能。目前有关超吸水纤维吸液性能基础研究的报道较少，其吸液机理也尚未阐明，因此本文拟对影响超吸水纤维吸液性能的各种因素进行研究，找出浸泡时间、水温、离子浓度、离子价位和溶液pH值对超吸水纤维吸液性能的影响规律，从而对超吸水纤维吸液机理进行探讨，为探索超吸水纤维在其他领域的应用以及超吸水纤维自身的性能改进提供一定的理论参考。
1 试验部分
1．1 原料与试剂
聚丙烯酸基超吸水纤维，以丙烯酸和丙烯酰胺为单体，在聚乙烯醇溶液中共聚，由溶液纺丝制备而成，由南通江潮纤维制品有限公司提供；
NaC1，分析纯市售产品，南京化学试剂有限公司；
无水CuSO4，分析纯市售产品，上海埃彼化学试剂有限公司；
H3PO4，分析纯市售产品，上海振兴化工二厂；
KOH，分析纯市售产品，昆山金城试剂有限公司；
聚丙烯非织造布，l0 g／m2，由南通新绿叶非织造布有限公司提供。
1．2 测试仪器
BS124S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；
Y802A型八篮恒温烘箱，常州纺织仪器厂；
HHS-2-S型电子恒温水浴锅，上海光地仪器设备有限公司；
PHS-3C型精密pH计，上海雷磁仪器厂。
1．3 吸液倍率测试方法
本文采用的吸液倍率测试方法是通过一些预备实验，对南通江潮纤维制品有限公司的吸水倍率测试企业标准(Q／320683KDW01-2007)加以修正后确定的。具体测试步骤为：在标准温湿度条件下，精确称量超吸水纤维0．1 g，将其放入装有200 mL纯水或一定浓度的某种溶液(本试验中为NaC1溶液或CuSO4溶液)的烧杯中，浸泡30 min后，用10 g／m2的聚丙烯非织造布过滤收集纤维，自然悬挂滴水30 min后精确称重，按下式计算纤维的吸液倍率：
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Q= |
G2-G1 |
(1) |
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G1 |
式中：Q —— 吸液倍率；
G1 ——吸液前纤维的质量(g)；
G2 ——吸液后纤维的质量(g)。
试验过程中重点考察浸泡时间、水温、离子浓度、离子价位和溶液pH值对吸水倍率的影响。试验采用改变某一具体参数值，保持其他试验参数不变的方法，逐一分析影响超吸水纤维吸水倍率的试验参数。
1．4 重复吸水性能测试方法
重复吸水性能是指超吸水纤维反复吸水的能力，通常用吸水保持率表示。将已经达到吸水饱和的超吸水纤维烘干后，进行第二次吸水倍率测试，然后将第二次吸水达到饱和的超吸水纤维烘干，再进行第三次吸水倍率测试，如此重复，直到吸水倍率基本上不变化时止，按下式计算各次测试的吸水保持率：
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Rn = |
mn |
×100％ (2) |
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m0 |
式中：Rn ——第n次吸水保持率(％)；
mn ——第n次重复吸水时的吸水倍率；
m0—— 初始吸水倍率。
2 结果与讨论
2．1 浸泡时间对吸水倍率的影响
为考察浸泡时间对超吸水纤维吸水倍率的影响，保持水体积和水温不变，仅改变浸泡时间，将0．1 g超吸水纤维放入200 mL、20℃ 的纯水中，分别浸泡1、5、15和30 min，以及1、3、12和24 h，测得各试样吸水倍率，结果见图1。
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图1 超吸水纤维在不同浸泡时间下的吸水倍率 |
从图1可以看出，超吸水纤维浸泡15 min后吸液倍率达到最大，其后超吸水纤维的吸液倍率基本稳定在同一水平。这可能是因为纤维遇水时首先通过快速的毛细管吸附和高分子网络的物理吸附实现瞬间膨胀吸水，逐步达到物理吸附饱和，然后开始化学吸附，在浸泡15 min后达到化学吸附饱和，之后超吸水纤维的吸液倍率将不再继续上升。因此，本试验选取30 min为较适宜浸泡时间。
2．2 水温对吸水倍率的影响
为考察水温对超吸水纤维吸水倍率的影响，保持水体积和浸泡时间不变，仅改变水温，将0．1 g超吸水纤维，分别放入20、40、60、80和100 ℃的200 mL的纯水中，浸泡30 min，测得各试样吸水倍率，结果见图2。
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图2 超吸水纤维在不同温度纯水中的吸水倍率 |
从图2可以看出，随着水温的升高超吸水纤维的吸水倍率起初略有上升，当水温超过40℃时超吸水纤维的吸水倍率反而有所下降，当水温超过80℃后吸水倍率下降尤为显著。这是因为超吸水纤维吸水溶胀过程中链段伸展的构象焓变为正值，属吸热反应，但同时纤维内的亲水基团和水分子间形成氢键，是放热反应，所以超吸水纤维的溶胀过程总体上是一个放热的过程，水温的升高抑制其放热，从而不利于吸水[12-13]。此外，当水温高于40℃后，随着温度的升高，部分纤维被分解，这也会导致超吸水纤维的吸液倍率显著下降。因此，测试时水温以取20℃较为合适。
从图2还可看出，水温为20℃ 时超吸水纤维的吸液倍率约为117，即使水温达到100℃时超吸水纤维的吸液倍率仍高于70，表明超吸水纤维作为良好的吸液材料可用于高吸液隔膜材料的开发。
2．3 离子浓度对吸液倍率的影响
由于丙烯酸共聚超吸水纤维生产过程中使用了一定量的氢氧化钠，氢氧化钠中和部分丙烯酸后生成丙烯酸钠，这部分Na+固定在超吸水纤维内部。Flory离子网络理论认为：在纤维内的Na+浓度一定时，溶液中的Na+浓度会直接影响纤维吸水时的内外渗透压差，从而影响纤维的吸水能力[14]。为了进一步探讨溶液离子浓度对超吸水纤维吸液性能的影响，保持溶液体积和温度不变，仅改变溶液浓度，对超吸水纤维在20℃的200 mL质量分数分别为0．1％ 、0．4％ 、0．9％ 、1．5％ 和3％ 的NaC1溶液中的吸液倍率进行了测试，并与其在等量纯水中吸液倍率作对比，结果见图3。
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图3 超吸水纤维在纯水和不同浓度NaC1溶液中的吸液倍率 |
从图3可以看出，超吸水纤维在NaC1溶液中的吸液倍率比在纯水中的小得多，而且随着NaC1溶液浓度的增大而急剧减小。根据Flory理论，超吸水纤维遇水时，大量的亲水基团和Na+被束缚在纤维内部的高分子网络内，与外界形成渗透压差，水分子在渗透压差作用下向网络结构中渗透，从而使纤维实现吸水[14]。纤维在NaC1溶液中吸液时，溶液中电离的Na+也具有很强的亲和水分子的能力，从而减小了纤维内外的渗透压差，水分子进入纤维的能力降低，纤维的吸液倍率减小，而且溶液中的Na+浓度越大，纤维内外侧的渗透压差减小越明显，纤维的吸液倍率就越小[15]。
2．4 离子价位对吸液倍率的影响
为了探讨离子价位对超吸水纤维吸液倍率的影响，保持溶液体积200 mL和温度20℃不变，测试超吸水纤维在质量分数分别为0．1％ 、0．4％ 、0．9％ 、1．5％和3％ 的CuSO4溶液中的吸液倍率，并与其在相应质量分数NaC1溶液中的吸液倍率进行一一对比，结果见图4。
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图4 超吸水纤维在不同浓度的NaC1和CuSO4溶液中的吸液倍率对比 |
从图4可以看出，超吸水纤维在CuSO4溶液中吸液倍率也是随着溶液浓度的增大而逐渐下降，进一步验证了超吸水纤维的吸液机理与Flory离子网络理论一致，纤维内部高分子网络内外的渗透压差是超吸水纤维吸液的主要动力因素，纤维在CuSO4溶液中吸液时其吸液渗透压减小，所以纤维的吸液倍率下降。通过对比可以看出，在电解质溶液浓度相同时，纤维在高价电解质CuSO4溶液中
的吸液倍率明显低于在低价电解质NaC1溶液中的吸液倍率。对于不同的电解质，当溶液浓度相同时，高价电解质的离子浓度明显大于低价电解质的离子浓度，从而导致网络内外的渗透压差下降较为显著，纤维的吸液倍率也随之明显下降，所以超吸水纤维在CuSO4 溶液中的吸液能力比在NaC1溶液中的吸液能力低得多[16]。
2．5 溶液pH值对吸液倍率的影响
为了探讨溶液pH值对超吸水纤维吸液倍率的影响，保持溶液体积、温度和浸泡时间不变，仅改变溶液pH值，对超吸水纤维在pH值分别为1、3、5、7、9、11的溶液(用H3PO4和KOH调节)中的吸液倍率进行测试，结果见图5。
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图5 超吸水纤维在不同pH值的溶液中的吸液倍率 |
从图5可以看出：当溶液pH值小于5时，随着溶液pH值的增大，超吸水纤维的吸液倍率显著增大；当溶液pH值在5～9时，超吸水纤维的吸液倍率基本上不变；当溶液pH值大于9时，随着溶液pH值的增大，超吸水纤维的吸液倍率反而急剧下降。这表明超吸水纤维在中性溶液中的吸液能力最强，当溶液酸性或碱性较强时超吸水纤维吸液能力显著下降。这是因为在较强酸性条件下，纤维
网络链上的-COO-大部分以-C0OH形式存在，
导致纤维网络链间的斥力很小，故在低pH值的溶液中超吸水纤维的吸液倍率很低；随着溶液pH值的增大，纤维网络链上的-COOH主要以-COO-存在，凝胶网络链间相互排斥，由于渗透压差和离子间氢键的存在以及网络空间的扩展，形成大量包络水，从而使吸液倍率大大增加。随吸液倍率增大，渗透压差减小，且网络空间回缩力增加，限制了水分子不断进入网络空间，当两者达平衡时，吸液
倍率趋于定值。当溶液pH值大于9以后，因超吸水纤维不耐碱，部分成纤高聚物的骨架在碱性条件下有水解趋势，引起纤维质量减轻，从而导致超吸水纤维吸液倍率下降，该现象随着碱浓度增加、时间延长而表现得更加明显。此外，随着碱液中K+浓度增大，纤维凝胶网络内外的渗透压大大减小，从而导致纤维的吸液能力受到抑制。这两方面的原因导致超吸水纤维在较强碱性溶液中的吸液能力显著下降。
2．6 超吸水纤维的重复吸水能力分析
为了评价超吸水纤维的重复吸水能力，进行了重复吸水性能测试。在重复吸水1、2、3、4和5次时，测得超吸水纤维的吸水保持率分别为97．53％、91．66％ 、86．23％ 、81．25％ 和79．49％ 。可以看出，随着吸水次数的增加，吸水保持率呈下降趋势，其原因可能是当超吸水纤维第一次吸水后，水分子进入纤维内部，部分水分子与超吸水纤维分子链上的亲水基团间形成氢键，使之从自由水转变为结合水，在第一次吸水、过滤后的干燥过程中，结合水无法去除，导致超吸水纤维在尚未进行第二次吸水前其网络内就有水存在，使得超吸水纤维网络内外的渗透压差值减小，吸水推动力下降，故第二次吸水保持率下降。第二和第三次重复吸水保持率下降速度较快，随着吸水次数继续增加，吸水保持率趋于平稳。第五次重复吸水后吸水保持率仍达79．49％ ，显示出超吸水纤维较好的重复吸水能力。
3 结论
对丙烯酸共聚超吸水纤维在纯水、NaC1溶液和CuSO4溶液中的吸液性能进行研究后发现：
(1)超吸水纤维的吸水倍率受浸泡时间的影响较小，但受水温、离子浓度、离子价位和溶液pH值的影响较大。
(2)超吸水纤维在纯水中浸泡15 min后吸水达到饱和，其后随着浸泡时间的延长，其吸水倍率基本稳定在同一水平；随着水温的升高，超吸水纤维的吸水倍率略有升高，但是当水温超过4O℃后，其吸水倍率反而随着温度的升高而逐渐降低，水温超过80℃后下降尤为显著。
(3)超吸水纤维在电解质溶液中的吸液倍率比在纯水中的吸水倍率小得多，且随着溶液浓度的增大，超吸水纤维的吸液倍率急剧降低；在电解质溶液浓度相同时，超吸水纤维在高价电解质溶液中的吸液倍率低于在低价电解质溶液中的吸液倍率；超吸水纤维在中性溶液中的吸液能力最强，当溶液酸性或碱性较强时，超吸水纤维吸液能力显著下降。
(4)超吸水纤维的吸液机理与Flory离子网络理论一致，纤维内外的渗透压差是超吸水纤维吸液的主要动力因素。高分子网络内外的渗透压差越大，超吸水纤维的吸液倍率就越大，反之越小。
(5)超吸水纤维表现出较好的重复吸水能力。
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