颗粒粒径对PAM吸水树脂高温下吸水性能的影响

王向鹏，郑云香，张春晓

(中国石油大学胜利学院 应用化学系，山东 东营 257061)

颗粒粒径对PAM吸水树脂高温下吸水性能的影响

王向鹏，郑云香，张春晓

(中国石油大学胜利学院 应用化学系，山东 东营 257061)

以丙烯酰胺为单体，四烯丙基氯化铵为交联剂，过硫酸铵为引发剂，制备了一种新型耐高温吸水树脂。对聚合条件进行优化并探讨了颗粒粒径对吸水树脂在高温下不同的溶液中吸水性能的影响。结果表明，最佳的聚合条件为：丙烯酰胺单体质量.分数为30%，过硫酸铵和四烯丙基氯化铵占单体丙烯酰胺的质量百分数分别是0.12%、0.12%。在不同的溶液中，颗粒粒径对吸水树脂高温下吸水性能的影响主要体现在吸水动力学方面，对吸水树脂吸水平衡影响不大。此外，制备的新型耐高温吸水树脂表现出优异的耐盐型能，150℃下在1 wt%的NaCl溶液中吸水倍率可达81g/g。

颗粒粒径；吸水性能；耐高温

吸水树脂是一类非常重要的功能性高分子材料，与一般吸水材料相比，吸水树脂可以吸收大量的水，在一定压力下，吸收的水几乎无法移动。由于其优良的特性，被广泛应用于许多产品中，如一次性尿布、土壤、农艺学和园艺、阻水带、药物输送系统的药物、吸水器等[1-3]。目前，关于吸水树脂的研究大多是在常温环境中，关于吸水树脂在高温环境下的应用研究少之甚少，究其原因不难发现现有吸水树脂大多以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂制备的，交联酰胺键温度较高时易水解。因此，研究一种耐高温型吸水树脂对于拓宽吸水树脂的应用范围具有非常重要的意义。此外，吸水树脂固体颗粒粒径不同，对吸水树脂的吸水性能也有很大影响，不同的使用环境对吸水树脂固体颗粒粒径的要求也不相同。研究粒径对吸水树脂吸水性能的影响对实际应用具有一定的指导作用。

本研究采用不含易水解化学键的四烯丙基氯化铵为交联剂，制备了一种适用于高温环境的吸水树脂。对聚合条件进行优化并重点探讨了吸水树脂颗粒粒径对吸水树脂在蒸馏水和NaCl溶液中的吸水性能，并对制备的新型耐高温吸水树脂进行红外结构表征。

1 实验部分

1.1 实验试剂

丙烯酰胺(AM)、过硫酸铵(APS)、氯化钠均为化学纯，购自国药集团化学试剂有限公司；四烯丙基氯化铵(TAAC)，分析纯，山东鲁岳化工有限公司。

1.2 吸水树脂的制备

以其中一个聚合为例，将28.4g AM溶解在66.3g蒸馏水中，然后向混合体系中加入0.0256g APS和0.0341g TAAC，充分溶解后将混合溶液置于65℃水浴中，反应3h后将将凝胶取出，108℃烘干并粉碎过不同目数标准筛，得到不同粒径的吸水树脂，备用。

1.3 性能测定

将一定质量不同粒径的吸水树脂置于老化罐中，加入足量的蒸馏水或盐溶液，密封后置于150℃下8h，然后冷却至室温，称量凝胶质量。

吸水树脂吸水倍率Q=(凝胶质量-吸水前固体质量)/ 吸水前固体质量

2 结果与讨论

2.1 AM质量浓度对吸水树脂吸水性能的影响

在其他条件相同的条件下(m(APS)/m(AM)=0.12%、m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改变单体质量分数对吸水树脂在蒸馏水中吸水性能的影响。AM加量较低时，吸水倍率较低。这是由于AM加入量过少，部分AM未参与交联反应，导致吸水树脂中可溶性大分子较多，高温下此部分全部溶于水，吸水倍率较低。当AM加入量过大时，吸水树脂自有网络空间变小，大分子链弹性扩张力变小，吸水树脂吸水倍率也相应降低[4]。

2.2 引发剂浓度对吸水树脂吸水性能的影响

图2是在其他聚合条件相同的情况下(单体质量分数为30%，m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改变引发剂加量对吸水树脂150℃下在蒸馏水中吸水性能的影响。从图2中可观察到，吸水树脂吸水倍率随引发剂加量的增大先变大后减小。当引发剂浓度过小时，聚合体系中产生的活性自由基数目较少，吸水树脂形成的有效三维网络结构较少，吸水倍率较低。反之，当过多的APS加入聚合体系时，活性自由位点过多，一方面容易发生爆聚，另一方面，聚合速度过快时生成的聚合物分子量变小，吸水树脂在高温时部分表现出水溶性，吸水倍率降低[5-6]。

图1 AM质量浓度对吸水树脂150℃下吸水性能的影响

图2 APS加量对吸水树脂150℃下吸水性能的影响

2.3 交联剂浓度对吸水树脂吸水性能的影响

图3 TAAC加量对吸水树脂℃下吸水性能的影响

图3是在其他聚合条件一定的前提下(单体质量分数为30%，m(APS)/m(AM)=0.12%)，加入不同剂量的TAAC对吸水树脂吸水性能的影响。从图中可以看出，交联剂浓度对吸水树脂吸水倍率的影响非常大。交联剂加量太少，聚合时不能形成真正有效的三维网络结构，高温环境下溶于水；当TAAC加量过大时，交联密度增加，三维网络结构中的自由空间变小，吸水倍率降低[7-8]。此外，本文所采用的TAAC交联剂也是所制备的吸水树脂耐高温的主要原因，TAAC中没有易水解的交联化学键。

2.4 颗粒粒径对吸水树脂在150℃下在蒸馏水中吸水性能的影响

图4是不同粒径的吸水树脂150℃下在蒸馏水中吸水倍率随时间的变化关系图。从图中可以看出，吸水树脂颗粒粒径越小，吸水速率越快。颗粒粒径较小时，吸水树脂颗粒的表面积增大，与水接触的面积变大，因此膨胀速度较快。此外，对于不同粒径的吸水树脂，虽然前期膨胀速率不同，但在吸水膨胀70min时均可达到最大膨胀倍率。因此，颗粒粒径主要影响吸水树脂吸水动力学，并不影响吸水树脂吸水平衡。

图4 不同粒径吸水树脂在150℃蒸馏水中的吸水倍率

2.5 不同粒径吸水树脂在1%的NaCl溶液中的吸水性能

图5是不同粒径吸水树脂在150℃1% NaCl溶液中的吸水性能，吸水树脂吸水倍率的变化规律与在蒸馏水中类似。颗粒粒径越小，吸水速率越快，达到吸水溶胀平衡的时间越短。但与在蒸馏水中相比，吸水树脂达到吸水平衡时吸水倍率降低较为明显。这主要是由于树脂与NaCl溶液的渗透压比树脂在蒸馏水中变小，吸水倍率下降。但所制备的吸水树脂仍表现出良好的耐盐性能，吸水倍率为81g/g。

图5 不同粒径吸水树脂在150℃1%NaCl溶液中的吸水性能

2.6 红外光谱

图6是所制备的吸水树脂的红外谱图，从谱图中可以看出，945和1460 cm-1位置的峰是吸水树脂中-CH2振动产生的，1619 cm-1位置的强吸收峰是由于酰胺键中的-C=O振动吸收造成的。此外，从聚合物光谱图中观察不到-C=C-的吸收峰，说明丙烯酰胺单体成功发生聚合反应。

图6 吸水树脂红外光谱

3 结论

(1)以丙烯酰胺为单体，四烯丙基氯化铵为交联剂，成功制备了一种耐高温型吸水树脂。对聚合条件进行优化，最佳聚合条件如下：单体质量分数为30%，过硫酸铵和四烯丙基氯化铵占单体丙烯酰胺的质量百分数分别是0.12%、0.12%。150℃在蒸馏水中的吸水倍率为221g/g。

(2)吸水树脂颗粒粒径越小，吸水速度越快。颗粒粒径影响吸水树脂吸水动力学，但不影响吸水树脂吸水平衡。

(3)所制备的吸水树脂耐盐型能优良，150℃下在1%的NaCl溶液中吸水倍率可达81g/g。

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TheEffectofParticleSizeonWaterAbsorptionPropertiesofPAMAbsorbentResinatHighTemperature

WangXiangpeng，ZhengYunxiang，ZhangChunxiao

(College of Chemical Engineering， Shengli College， China University of Petroleum， Dongying 257061,China)

A novel high temperature resistant superabsorbent was prepared based on acrylamide，using tetraallylammonium chloride as crosslinker, ammonium persulphate as initiator. The synthesis conditions were optimized and the effect of particle diameter on water absorbency at different solutions was studied. Results showed that the best synthesis conditions were：the monomer mass concentration was 30%，the mass ratios of ammonium persulphate to acrylamide，tetraallylammonium chloride to acrylamide were 0.12%，0.12%，respectively. In different solutions, the influence of particle size on the water absorption properties was mainly reflected in the hydrokinetics, which had little effect on the absorption balance of the absorbent resin. In addition, the above superabsorbent showed the excellent salt resistance. The swelling ratio could reach 81g/g in 1 wt% NaCl solution at 150 ℃.

particle size; absorption;high temperature resistant

2017-09-30

大学生创新创业训练计划项目(201713386033)

王向鹏(1989—)，山东东营人，助教，获硕士学位，主要从事功能高分子材料相关研究。

TB34

A

1008-021X(2017)22-0027-02

(本文文献格式：王向鹏，郑云香，张春晓.颗粒粒径对PAM吸水树脂高温下吸水性能的影响[J].山东化工，2017，46(22)：27-28,30.)