P(AA-AMPS)/PVA复合吸水树脂的制备

2016-11-27谢杰余巧玲张艳霞梁婉兴徐晓燕

橡塑技术与装备 2016年16期

谢杰，余巧玲，张艳霞，梁婉兴，徐晓燕

(1.广州市增城质量技术监督检测所，广东广州 511300；2.广州质量监督检测研究院，广东广州 510110；3.四川效率源信息安全技术股份有限责任公司，四川成都 610000；4.数据恢复四川省重点实验室，四川成都 610500；5.西南石油大学，四川成都 610500)

Preparation of P (AA-AMPS) /PVA composite water absorbent resin

谢杰1，余巧玲2,5*，张艳霞3,4,5，梁婉兴2，徐晓燕2

以丙烯酸(AA)、聚乙烯醇(PVA)为主要原料，通过正交试验确定了PAA/PVA互穿网络高吸水树脂最佳合成工艺，在此基础上以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为第三种原料对其进行复合化改性，通过溶液聚合法制备了P（AA-AMPS）/ PVA复合吸水树脂，用红外光谱仪(FTIR)、X-射线衍射分析仪（XRD）和扫描电镜（SEM）对其结构进行表征。结果表明：n(AA)/n(PVA)为4.5，引发剂用量为0.35%，交联剂用量为0.1%，中和度为55%，反应温度为70℃，w(AMPS)为3% 时P （AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂吸水率最佳。FTIR、XRD和SEM结果表明AA、AMPS和PVA已经聚合，得到目标结构。

正交试验；复合化改性；溶液聚合；吸水树脂；结构

复合吸水树脂在农业、工业以及日常生活中得到广泛的应用，研究人员通过多样化亲水性基团来提高树脂的性能[1～5]。聚乙烯醇(PVA)是水溶性高分子聚合物，带有丰富的亲水性基团，绿色环保[6]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的分子结构中具有不饱和乙烯基双键、强亲水的阴离子性磺酸基团，使得AMPS具有极高的反应活性以及抗盐性能[7]。本工作通过溶液聚合法制备了P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂，通过正交试验确定了最佳合成工艺，并对其进行了表征。

1 实验部分

1.1 原料

AMPS，山东联盟化工集团有限公司；AA，PVA，NaOH，引发剂过硫酸钾，交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，均为分析纯，成都科龙化工试剂厂生产。

1.2 主要仪器

傅里叶变换红外光谱仪：NICOLET 6700型（美国Thermo Fisher公司）

X-射线衍射仪：DX-2000（中国丹东方园仪器有限公司）

环境扫描电镜:Quanta 450型(美国FEI公司)

1.3 树脂制备

量取一定量AA于广口瓶，加30 mL蒸馏水搅匀，用质量分数为40% 的NaOH中和AA，加入PVA和AMPS，搅匀后加交联剂，置于恒温水浴锅中，使广口瓶中溶液处于反应温度，加引发剂，静置反应5 h。产物用质量分数为70%乙醇浸泡，然后干燥，粉碎。

1.4 正交试验

以n(AA)/n(PVA)、引发剂用量、交联剂用量、中和度、反应温度这5因素进行5因素4水平筛选，采用L16(45)正交表设计试验。正交试验设计如表1所示。

表1 正交试验设计表

1.5 性能测试

吸水率测定：吸水率是指1 g吸水树脂干样品吸收液体的量，单位为 [g/g]，常用方法有茶叶袋法、自然过滤法、吸滤法、量筒法等，本工作采用茶叶袋法[8]，以蒸馏水、盐水（0.9%NaCl溶液）为吸收液体。吸水率按式（1）计算[1]。

1.6 样品检测

（1）红外光谱（FTIR）测试

制样方式：KBr压片；检测器：；检测范围：4 000～500 cm-1；分辨率：4 cm-1：扫描次数：32次。

（2）X-射线衍射（XRD）测试

管电压：35 kV；管电流：25 mA；角度范围：5～40°，狭缝系统：1deg&1deg&0.2 mm；扫描方式：连续扫描。

（3）扫描电镜（SEM）测试

用胶带固定样品，将其表面进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 正交试验制备PAA/PVA互穿网络高吸水树脂

表2为正交试验L16(45)结果表。

表2 正交试验结果表

由表3的极差分析可知，5因素对树脂吸蒸馏水率影响程度为B>C>E>D>A,较好组合为A3B4C2D1E2，即引发剂用量对树脂吸蒸馏水率影响最大，单体配比影响最小。按照上述的合成工艺制得复合吸水树脂的吸蒸馏水率为1 250 g/g，吸盐水率为44 g/g。

表3 吸蒸馏水率影响分析表

由表4的极差分析可知，5因素对树脂吸盐水率影响程度依次为：C>E>A>B>D,较好组合为A4B4C2D1E2，即交联剂用量对树脂吸盐水率影响最大，中和度影响最小。按照上述的合成工艺制得复合吸水树脂的吸蒸馏水率为1 103 g/g，吸盐水率为71 g/g。

表4 吸盐水率影响分析表

综合考虑吸蒸馏水率和吸盐水率的分析，选取合成工艺为n(AA)/n(PVA)=4.5:1，引发剂用量0.35%，交联剂用量0.1%，中和度55%，反应温度70℃。

2.2 AMPS用量对P(AA-AMPS）/PVA吸水树脂吸水率的影响

在n(AA)/n(PVA)=4.5:1，引发剂用量0.35%，交联剂用量0.1%，中和度55%，反应温度70℃ 的条件下，改变AMPS的加入量，测定吸水树脂的吸蒸馏水率和吸盐水率，结果如图1所示。

图1 AMPS用量对吸水率的影响

由图1可知，当AMPS用量为3%时吸水性能最佳。三维网络中阴离子数目伴随着AMPS用量的增加而增加，离子浓度的加大使网络内外的渗透压增大，水分子利用压力差很容易进入三维网络中，提高树脂吸水率。当AMPS用量超过3%时，复合吸水树脂的交联密度不断加大，网络容积变小，吸水性基团可吸附的水分受限，树脂吸水率不断下降。

2.3 FTIR分析

图2为P（AA-AMPS）/PVA红外谱图。由图可知2 929 cm-1为AMPS酰胺基团中-NH的特征吸收峰，1 656 cm-1为AMPS酰胺基团中—C==O的伸缩振动吸收峰，1 287 cm-1为AMPS酰胺基团中—CN的特征吸收峰，1 191 cm-1是磺酸基团对称伸缩振动吸收峰，1 046c m-1是磺酸基团不对称伸缩振动吸收峰， 1 724 cm-1是P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂中羰基振动吸收峰，1 560 cm-1和1 406 cm-1是羧基钠振动吸收峰。由此可见复合吸水树脂在聚合过程中未发现新基团生成，含有目标结构。

2.4 XRD分析

图3为P（AA-AMPS）/PVA的XRD谱图。由图可知PVA有一个较为明显的特征衍射峰（衍射角2θ值为20°），但是此峰在P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂的XRD曲线中消失了，并且P（AAAMPS）/PVA展现出两个峰（相对宽化的“隆峰”和不尖锐的衍射峰），这表明通过溶液聚合反应后，PVA的晶态结构遭到破坏，其在P（AA-AMPS）/PVA中晶相结构不完整，因此说明了PVA在聚合物网络中穿插，复合吸水树脂中形成互穿网络结构。

图2 P（AA-AMPS）/PVA红外谱图

图3 XRD谱图

2.5 SEM分析

图4为P（AA-AMPS）/PVA的扫描电镜图。由图可知P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂的表面呈现粗糙状，形成鳞片状结构，比表面积大，使其有较好的吸水性能。

图4 P（AA-AMPS）/PVA扫描电镜图

3 结论

（1）以AA，PVA，AMPS为原料，采用溶液聚合法制备了P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂。最佳反应条件：n(AA)/n(PVA)为4.5，引发剂质量分数为0.35%，交联剂质量分数为0.1%，中和度为55%，反应温度为70℃，w(AMPS)为3%。在此条件下，吸水树脂的吸蒸馏水倍率为2 149 g/g，吸盐水倍率为96 g/g。

（2）通过IR对P（AA-AMPS）/PVA复合吸水树脂进行表征，从结果可以看出AA、AMPS和PVA已经聚合；XRD分析表明PVA在聚合物网络中穿插，复合吸水树脂中形成互穿网络结构；SEM分析表明树脂表面越粗糙，比表面积越大，吸水性能越佳。

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（R-03）

TQ323.5

1009-797X(2016)16-0067-03

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.018

谢杰（1988-），男，本科，助理工程师，从事计量检定工作。

*通讯联系人

2016-07-15