丙烯酸钠-丙烯酰胺高吸水树脂的合成与性能

任敏红，陈权生，张玉敏，田 英

（中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000）

高吸水性树脂是一种适度交联的含有强亲水性基团的功能性高分子材料，它具有能够吸收自身重量几百倍甚至上千倍的水分并保持稳定的特性，被广泛应用于农业、林业、建筑、医疗卫生、石油化工等领域[1-4]。本文采用溶液聚合法，合成了丙烯酸钠-丙烯酰胺二元共聚高吸水性树脂，并对聚合条件进行了考察。

1 实验及评价方法

1.1 主要试剂

丙烯酸、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾(分析纯)。丙烯酸在使用前进行减压蒸馏。

1.2 合成方法

将单体丙烯酸(AA)首先用30%的NaOH溶液中和，中和度75%，冷却后加入一定量的水，再加入丙烯酰胺(AM)，搅拌使之溶解并充分混合。通入氮气30min之后加入交联剂、引发剂，然后采用磁力搅拌，在氮气保护下进行反应，体系成胶后继续恒温2h。将反应物冷却后切割成小薄片，于110℃下干燥至恒量，然后粉碎、筛分成一定粒径的颗粒。

1.3 吸水性能的表征

高吸水性树脂颗粒的吸水性能用吸水倍率来描述[5]。实验称取0.1g的干燥树脂颗粒，放入烧杯中，加入200mL水，经过一定吸水时间后，用0.15mm筛网滤去未被吸收的水，称取颗粒洗水后的质量。用下式计算树脂颗粒的吸水倍率：

式中：Q为吸水倍率，g·g-1；W1为干树脂的质量，g；W2为树脂吸水后的质量，g。

2 实验结果与讨论

2.1 单体含量对吸水性能的影响

图1为单体浓度对样品吸水性能的影响。由曲线可以看出，随着聚合反应单体浓度的增加，树脂颗粒吸水性能增加，当单体浓度达到30%~40%时，吸水性能的变化很小。因此，反应单体浓度应该取在30%~40%之间，考虑到烘干处理过程，实验选定单体浓度为40%。

图1 单体浓度对吸水性能的影响

2.2 引发剂用量对吸水性能的影响

引发剂用量直接影响聚合反应的速度和聚合产物的分子质量，对于通常的自由基聚合反应，引发剂用量增加将使反应速度加快。但引发剂用量较大，反应体系发生爆聚，反应温度无法控制，同时也会使产物产生局部自交联，降低了树脂的相对分子质量。另一方面，若引发剂用量太少，反应速度过慢，影响聚合和交联反应的进行，也会使吸水能力下降。由表1实验结果可以得到，当引发剂用量大于0.01%时反应发生不同程度的爆聚，当用量小于0.01%时，随着引发剂用量的减少，合成样品的吸水倍率减小。因此，合适的引发剂用量应为产物质量的0.01%。

表1 引发剂用量对合成样品吸水性能的影响

2.3 交联剂用量对吸水性能的影响

交联剂的用量直接影响聚合物的交联密度，影响高分子网络容积，导致吸水率的改变。交联剂用量对产物吸水性能的影响见图2。由图2可以看出，随着交联剂用量的增加，合成样品的吸水倍率先增后减。最大吸水能力时的交联剂用量为产物质量的0.005%。当交联剂用量增大时，交联密度相应增大，吸水倍率降低。当交联剂用量过小时，不能形成有效的三维网状交联产物，也会影响产物的吸水性能。

图2 交联剂用量对吸水性能的影响

2.4 聚合温度对吸水性能的影响

在自由基反应中，总聚合速率常数（K）与温度（T）之间的关系服从Arrhenius方程式 K=A e-E/RT，由该式知，当温度较低时，聚合反应速率小，单体转化率低，产物可溶性部分增多，聚合分子量较小，因此吸水倍率较低；当反应温度较高时，反应速度快，易引起爆聚，导致产物中低聚物含量增大，可溶性部分增多，吸水倍率也较低。由表2知，较为适宜的反应温度为50℃。

表2 温度对吸水性能的影响

2.5 单体组成对吸水性能的影响

由表3可以看出，随着丙烯酰胺用量的减少，产品的吸水性能增强。这是由于-CONH2为非离子基团，其吸水性能不如离子型基团-COONa，从而导致吸水倍率显著下降。当丙烯酰胺所占的摩尔比达到0.05时，样品的吸水倍率显著增大，因此，AM/(AM+AA)应取0.05为宜。

表3 单体组成对吸水性能的影响

2.6 高吸水树脂在不同水质中的吸水性能

高吸水树脂的亲水基团和网络结构决定了其吸水膨胀性能[6]。分别在蒸馏水、自来水和0.9%NaCl溶液中测定了高吸水树脂的吸水性能，结果见图3。

图3 不同水质中的吸水性能

树脂颗粒遇到水时，亲水基与水分子的水合作用使树脂网束伸展，产生网络内外离子浓度差；网络结构中的亲水离子，使网络结构内外产生渗透压，水分子以渗透压作用向网络结构内渗透。在初开始吸水阶段，由于网络内几乎不存在水，因此内外的渗透压差很大，此时树脂的吸水速率很大；随着网络内水的富集，内外渗透压越来越小，其吸水速率也随之变小；最后网络内外渗透压处于一个动态的平衡，树脂的吸水量处于一个最大值。水中盐浓度增加，则渗透压下降，树脂的吸水能力降低。树脂颗粒在蒸馏水中的吸水倍率为593g·g-1，自来水吸水倍率为260g·g-1，0.9% 氯化钠中为 66.7g·g-1，具有较强的吸水性能。

3 结论

1）合成了一种聚丙烯酸盐类高吸水性树脂，最佳合成条件为：单体含量30%~40%、单体组成AM/(AM+AA) 0.05、引发剂用量0.01%、交联剂用量0.005%、合成温度50℃。

2）合成的高吸水性树脂吸蒸馏水倍率为593g·g-1，吸自来水倍率为260g·g-1，吸0.9%的氯化钠为 66.7g·g-1。

[1] 侯文顺.高吸水性树脂的合成与应用[J].辽宁化工，2005，34(1)：37-38.

[2] 胡涛，周苏闽，李登好，等.丙烯酸系高吸水树脂的改性与应用[J].胶体与聚合物，2006，24(2)：42-44.

[3] 王正辉，廖宗文.高吸水树脂的合成及在农业上的应用[J].广东化工，2005(1)：70-72.

[4] 郑延成，周爱莲.高吸水树脂及其在石油工业的应用[J].油田化学，2001，24(1)：82-85.

[5] 吕爱敏，唐红霞，朱轶飞.高吸水性树脂的研制[J].河北化工，2006，29(5)：12-14.

[6] 李云龙，林松柏，肖春妹.高吸水树脂吸水机理的探讨[J].材料导报，2004(18)：230-232.