高吸水材料的制备以及制备工艺对吸水倍率的影响yd18115

邹黎明 李艳 王依民 中国纺织大学材料科学与工程学院.上海，200051

收稿日期：2000-09-04

*该项目得到纤维材料改性国家重点实验室访问学者基金资助

原载：中国纺织大学学报2000/12；17-20

【摘要】以工业废胶(如聚丙烯腈废胶)为原料.通过研究交联反应时交联剂的体积分数、温度、时间及水解反应时碱溶液的质量分数、温度、时间等工艺条件制备出交联的聚丙烯酸盐类高吸水材料，通过测定高吸水材料的吸水倍率揭示出制备工艺对高吸水材料吸水倍率的影响规律。

【关键词】工业废胶，高吸水材料，交联，水解，吸水倍率，聚丙烯酸盐

【中图法分类号】TQ 322

高吸水性材料是能吸收自重数十倍至数百倍的高分子材料，它们含大量水时具有相当的凝胶强度而在干燥空气中水分能缓慢释出。因此这种高吸水材料可广泛应用于卫生材料、农业、林业、园林工艺及建筑材料等领域中。

高吸水性材料最初是由美国农业部北方研究所(NRRL)于1966年开发的，是用玉米淀粉与丙烯腈接枝聚合再经氢氧化钠水解后得到的[1]，60年代末至70年代初期，美国的Grain-Processing，Hercules，National Starch，General MiUs Chemical，日本住友化学，花王石碱，三洋化成工业等公司相继成功地开发了高吸水材料。从此世界各国对高吸水材料的品种、制造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究工作[2-8]。近年来，随着世界对高吸水性材料需求量的逐年增加，高吸水性材料一直保持着良好的发展趋势。开发新品种、降低材料成本、提高材料的综合性能是当前世界高吸水材料发展的突出特点。目前国内外研究得比较多的高吸永材料主要为交联的聚丙烯酸盐、丙烯酸共聚物及淀粉-丙烯酸接枝聚合物等品种，一般用反相悬浮和乳液聚合、水溶液聚合和淀粉接枝聚合等方法制得[9]。这些方法大多成本较高，生产工艺较复杂、设备要求高。本研究以工业废胶为原料，通过交联反应和水解反应，制备得到低成本的高吸水材料，与其它制备方法相比，该法具有工艺简单、成本低廉，对环境有利，且产品能重复使用等特点，特别适用于农业、林业及园林工艺中。我国是一个农业大国，随着高吸水材料在农业上的推广使用，其消费量会越来越大。成本低的产品才会受广大农民的欢迎，通过工业废弃物制备高吸水材料的方法有很大的研究意义。

高吸水材料的吸水倍率是高吸水材料的重要性能之一。本论文以工业废胶为原料，通过选择交联反应时交联剂的体积分数、温度、时间及水解反应时碱溶液的质量分数、温度、时问等工艺条件制备出一系列不同的高吸水材料，通过测定高吸水材料的吸水倍率揭示出制备工艺对高吸水材料吸水倍率的影响规律。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

工业废胶(由纺丝广提供)、碱液(分析纯)、交联剂(分析纯)。

1.2 实验方法

1.2.1 高吸永材料的合成

称取工业废胶若干克，选择不同的交联工艺与水解工艺进行反应，反应结束后用盐酸中和，调至pH值为6。最后将其放于烘箱中干燥，得到高吸水材料。

1. 2. 2 高吸水材料吸水倍率的测定

吸水倍率是指一克高吸水材料所吸水的量，其单位为(g/g)。

(1)将合成的干燥高分子材料放入尼龙袜筒中，均匀地分布于底部，称出其质量为M1。

(2)然后将该袜筒浸入蒸馏水中，浸泡2 h。

(3)将该袜筒提起，静静地垂直吊起30 min。

(4)测定该袜筒的总质量M2。

(5)用未装高吸水材料的袜筒做同样的测定，测出空白值M’1和M’2。

(6)按下式计算吸水倍率：

Qm=	(M2-M’2)-（M1-M’1）	(1)
	M1-M’1

2 实验结果与讨论

高吸水材料的吸水性主要与它的化学结构和聚集态中极性基团的分布状态有关，它具有低交联吸水性的三维空间网络结构，其吸水机理可用Flory-Huggins热力学理论来解释。

刘廷栋等人[10]推导出高吸水材料吸水倍率的近似公式为：

式(2)中分子的第一项表示渗透压，是网络结构内外的离子浓度差造成的。高吸水材料通常是一种交联型高分子电解质，在水中电离产生的离子之间的相互作用使得树脂溶胀。式(2)中分子的第二项表示与水的亲水力，两项之和表示吸水能力。式(2)中分母代表高分子的交联密度。一般来说，吸水倍率与吸水能力成正比，与交联密度成反比，这是因为，一方面由于网络结构内部离子浓度的增大，与外部溶液之间的离子浓度差产生反渗透作用，使水进一步进入网络结构中。

另一方面由于网络本身的交联结构及氢键结合又限制树脂的吸水。吸水倍率正是在这两种因素的竞争控制下决定的。

2.1 交联剂体积分数对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变交联剂体积分数时，高吸水材料的吸水倍率如图1所示：

交联剂体积分数（%）

图1 不同交联剂体积分数时高吸水材料的吸水倍率

从图1中看出，随着交联剂用量的增加，高吸水材料的吸水倍率先有较大的值，然后逐渐减小，达到最小值后，又开始增大。

交联剂用量小时，交联密度小，根据式(2)知，交联密度小，吸水倍率大。随着交联剂用量的增加，交联密度增大，则吸水倍率减小。随着交联剂用量进一步增加、交联密度进一步增大，根据式(2)吸水倍率应该进一步降低，但实验结果表明高吸水材料吸水倍率反而增加，这可能是由于工业废胶中未交联的-CN较少，需与之反应的碱液量较少，那么其余碱液则进攻已交联成网状结构的具有-CONH-结构的大分子，结果网状大分子断裂，使最终水解产物的交联密度减小，所以吸水倍率增大。

2.2 交联温度对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变交联温度时，高吸水材料的吸水倍率如图2所示。

交联剂体积分数（%）

图2 不同交联温度下高吸水材料的吸水倍率

从图2中可以看出，髓着反应温度的增加，高吸水材料的吸水倍率先增大，后减小。这是因为温度低时，交联程度低，大分子网状结构还没生成，宏观上表现为吸水倍率小；随着温度的升高，网状结构逐渐生成，宏观上表现为吸水倍率大；但随着温度的进一步增大，交联密度增大，由式(2)知，吸水倍率减小。所以交联温度对反应有影响，30℃、50℃、70℃的交联温度中，50

℃时吸水倍率最大，是较佳的工艺条件。

2.3 交联时间对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变交联时间时，高吸水材料的吸水倍率如图3所示。

交联时间1h

图3 不同交联时间时高吸水材料的吸水倍率

从图3看出，随着反应时间增加，高吸水材料的吸水倍率降低。这是因为随着交联时间的增加，交联密度增大，由式(2)知，交联密度增大，吸水倍率减小。

2. 4 碱液质量分数对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变碱液质量分数时，高吸水材料的吸水倍率如图4所示。

碱液质量分数（%）

图4 不同碱液质量分数时高吸水材料的吸水倍率

从图4中看出，随着碱液质量分数增大，高吸水材料的吸水倍率明显增大。这是因为碱液质量分数大，则水解进行的充分，水解产物中所获得的亲水性基团增多。亲水性基团起着张网作用，导致产生渗透功能，使得吸水倍率增大。

2.5 水解温度对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变水解温度时，高吸水材料的吸水倍率如图5所示。

碱液质量分数（%）

图5 不同水解温度下高吸水材料的吸水倍率

从图5中看出，随着水解温度的升高。高吸水材料的吸水倍率增大。这是因为，水解反应是一个可逆的吸热反应，随着温度的升高，平衡向生成亲水性基团的方向进行，亲水性基团逐渐增多，吸水倍率随之增大。

2. 6 水解时间对高吸水材料吸水倍率的影响

固定其它工艺条件，改变水解时间时.高吸水材料的吸水倍率如图6所示。

水解时间/h

图6 不同水解时间下高吸水材料的吸水倍率

由图6中看出，随着水解时间增加，高吸水材料的吸水倍率明显增大。这是因为水解时间增加，水解反应进行得越充分，大分子网状结构中的亲水性基团增多，由式(2)可知吸水倍率增大。

3 结论

(1)由工业废胶经交联、水解反应制备高吸水材料的方法是可行的。此种方法工艺简单、操作安全、对设备要求不高、成本低。

(2)高吸水材料的交联工艺对高吸水材料吸水倍率有着显著的影响，即当交联剂体积分数增大，高吸水材料的吸水倍率先减小，达到最小值后再增大；交联反应温度升高，高吸水材料的吸水倍率先增大，后减小；交联反应时间增大，高吸水材料的吸水倍率减小。

(3)高吸水材料的水解工艺对高吸水材料吸水倍率有着显著的影响，即当碱液质量分数增大，高吸水材料的吸水倍率增大；水解温度升高，高吸水材料的吸水倍率增大；水解时问增大，高吸水材料的吸水倍率增大。

参考文献

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9、邹新禧，超强吸水剂，北京：化学工业出版社.1991

10、刘廷栋、刘京，高吸水性树脂的吸水机理，高分子通报.1994，3；181-185