聚丙烯酸高吸水树脂的合成及性能研究

（泰州职业技术学院药学院，泰州225300）

高吸水树脂是一种具有三维交联网状结构的新型功能高分子材料，带有羧基、羟基等大量亲水基团，通过渗透压和静电作用，能吸收相当于自身重量几百倍甚至几千倍的水，并有很强的保水能力。因其优良的吸水、保水性能，高吸水树脂的开发应用得到了极大的重视，已在工业、农业、建筑业、食品、日用化学品、医疗卫生等领域得到广泛应用，并成为国内外研究的热点。聚丙烯酸类高吸水性树脂因吸水倍数高、安全性能较好、产品质稳不腐败且合成工艺简单等优点，被研究和应用的最广泛。聚丙烯酸高吸水树脂的制备方法主要有溶液聚合法、反相乳液聚合法、反相悬浮聚合法、辐射聚合法等，其中溶液聚合法具有工艺简单、操作方便等优点，是目前常用的方法之一。

本文以丙烯酸为单体、N,N,-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸钾为引发剂，采用溶液聚合法合成聚丙烯酸高吸水树脂，重点研究各种合成条件对树脂吸水性能的影响，考察树脂的保水性能及重复吸水能力，以期为聚丙烯酸高吸水树脂的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 原料及仪器

原料：丙烯酸（AA）（化学纯，国药集团化学试剂有限公司）；N,N-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）（分析纯，上海麦克林生化有限公司）；过硫酸钾（KSP）（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；氢氧化钠（分析纯，西陇化工股份有限公司）。

仪器：FA1604N型电子天平（南京信展科技有限公司）；烘箱（上海精宏实验设备有限公司）；搅拌器（河南省予华仪器有限公司）；HKG-100A高速粉碎机（姜堰市新康医疗器械有限公司）；目筛（浙江上虞市道墟张兴纱筛网）；水浴锅（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）。

1.2 聚丙烯酸高吸水树脂的合成

按不同中和度称取一定量的氢氧化钠固体置于烧杯中，加入40mL蒸馏水溶解，再加入丙烯酸溶液20mL，搅拌均匀后，加入一定量的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾（与聚丙烯酸单体的质量比），将烧杯口封好，置于75℃水浴锅中，搅拌直至变成凝胶状。在水浴锅中保温放置3h，取出放入烘箱中95℃烘干，粉碎、过100～200目筛，得粉状高吸水性树脂。

1.3 聚丙烯酸高吸水树脂的性能研究

1.3.1 吸水倍率测定

吸水能力是判断高吸水性树脂的根本指标，常用吸水倍率表示。称取树脂粉末约0.3g，记作m0，倒入装有150mL蒸馏水的烧杯中，将烧杯放置于20℃水浴锅中恒温吸水一定时间后，将吸水后的树脂倒置于200目的筛网上，筛网重量记作m1，静置一段时间等水沥干后称重，记作m2，则树脂的吸水倍率 Q=（m2-m1-m0）/m0。

1.3.2 保水性能测试

保水性能是指吸水材料在充分吸水饱和后，当所处环境变化（如温度）时，仍可以保持一定的水分。称取树脂约0.3g至装有150mL蒸馏水的烧杯中浸泡30min，倒入筛网，待水沥干后称重，测其吸水倍率。将筛网放置于60℃烘箱中，每隔1h取出称重一次。

保水率计算式为

式中：R——保水率，%；

m3——筛网的质量，g；

m4——某一时间段高吸水性树脂和筛网的质量和，g；

m5——吸水饱和的高吸水性树脂和筛网的质量和，g。

用一定时间内保水率的变化情况来表示高吸水树脂的保水性能。

1.3.3 重复吸水能力测试

称取高吸水树脂约0.9g至加有450mL蒸馏水的烧杯中，吸水30min，倒入筛网中将水沥干，称重，测定吸水倍率。将吸水后的树脂60℃烘干至恒重后，称取一定量树脂，按树脂质量与水体积比1:500进行重复吸水实验，重复数次，测其吸水倍率。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯酸高吸水树脂的吸水性能测试

图1为交联剂用量为0.1%，中和度80%，引发剂用量为1.5%条件下合成的高吸水树脂在不同时间的吸水倍率变化曲线。由图1可知，吸水时间为30min时吸水倍率最高，吸水效果最好，30min后吸水倍率开始降低。树脂中含有大量羧基，亲水性较强，因此能很快吸收周围的水分，当吸水充分后，部分树脂开始溶胀破裂，失去吸水性能，从而使吸水倍率下降。

图1 聚丙烯酸高吸水树脂的吸水性能

2.2 正交试验

为了进一步研究交联剂用量A、中和度B、引发剂用量C等3个因素对聚丙烯酸高吸水树脂吸水倍率的影响，得到优化的合成条件，选择3因素3水平进行正交试验，3个因素选择的具体数值见表1。

将表1中的所对应的水平代入正交表L9(34)中，正交试验结果如表2所示。K1、K2、K3分别表示各因素水平对吸水倍率的总影响，k1、k2、k3分别表示各因素水平对吸水倍率的平均影响，R反映了正交试验下的因素水平波动时，吸水倍率的变动幅度。

表1 正交试验因素及水平

根据正交试验，该高吸水性树脂合成的优化水平为A1B3C3，即交联剂用量为0.1%、中和度80%、引发剂用量为1.5%，此条件下合成的高吸水树脂的吸水倍率可达416.72g/g。R的大小可以判断因素的主次顺序，3因素对试验组合中吸水倍率影响顺序由大到小为A>B>C。

表2 正交试验结果

2.3 保水性能测试

图2为交联剂用量为0.1%，中和度80%，引发剂用量为1.5%条件下合成的聚丙烯酸高吸水树脂60℃时的保水率变化曲线。从图2可以看出，树脂保水率随时间延长逐渐下降，7h保水率为 37.42%，12h下降至 10.95%，15h保水率为3.26%。树脂表层含有较多自由水，容易蒸发，7h前保水率下降较快；树脂内部的结合水由于受高分子网状结构及化学键作用，结合牢固，较难失去，7h后保水率下降速率逐渐变慢。总的来说，聚丙烯酸高吸水树脂60℃可持续保水约15h。

2.4 重复吸水能力测试

图2 聚丙烯酸高吸水树脂的保水性能

图3 聚丙烯酸高吸水树脂的重复吸水能力

图3为交联剂用量为0.1%，中和度80%，引发剂用量为1.5%下合成的聚丙烯酸高吸水树脂重复吸水4次的吸水倍率变化情况。由图3可知；随着使用次数的增加，树脂的吸水性能逐渐下降，重复吸水时树脂网络容易断裂，产生一定损耗，导致吸水倍率下降。但随着吸水次数的增加吸水倍率下降并不明显，这表明树脂具有良好的重复吸水能力，能够被循环利用，具有较好的实际应用价值。

3 结论

本研究以丙烯酸为单体、N,N,-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸钾为引发剂，采用溶液聚合法合成了具有较高吸水性能的聚丙烯酸高吸水树脂。在交联剂用量（与单体的质量比）为0.1%，中和度为80%，引发剂用量（与单体的质量比）为1.5%时，该树脂最大吸水倍率可达416.72g/g。影响高吸水树脂吸水性能的因素排序为交联剂用量>中和度>引发剂用量。聚丙烯酸高吸水树脂具有较好的保水和重复吸水性能。