水解度对聚丙烯酰胺树脂吸水性能的影响

刘宪红

（大庆应用技术研究院，黑龙江 大庆163000）

1 概述

高吸水性树脂又称超强吸水性聚合物，英文名Super Absorbent Polymer，简称SAP，它是一种低交联度新型高分子材料且具有三维网络结构的聚合物，因其自身具有（-SO3H、-COOH、-CONH2、-OH 等）强亲水基团，使其能够吸收相当于自身重量上百倍上千倍的水，吸水后形成无色透明凝胶[1-3]，具有强吸水能力的同时也有着强保水能力。现今多应用于日常生活、园林工艺、水土环境等方面。因为高吸水树脂含有很强的亲水基团，并且是具有一定交联密度的松散网状结构的高分子，所以能够吸收比自身重千百倍的水，吸水后便可形成一种透明胶状物，这种胶状物具有一定强度的保水性，其既不溶于水，也不溶于有机溶剂。可应用于卫生用品、农业和林业、医药和农药、建筑材料、防火灭火等方面[4-5]。聚丙烯酰胺是一种应用广泛的水溶性线性高分子聚合物，作为一种功能高分子材料，具有较强的吸水性和保水能力，能吸收比自身重数百甚至数千倍的水分。其应用市场非常巨大，在医疗卫生、农林、园艺、石油化工、日用工业、建筑等各个领域均得到广泛的应用。本研究探究不同的反应条件合成对吸水性树脂的性能的影响。对不同的影响性能的因素加以分析，并从其中找到合成PAM 吸水性树脂所能应用的最佳反应条件。

2 实验部分

2.1 实验仪器

表1 实验仪器

2.2 实验试剂

表2 实验试剂

2.3 聚丙烯酰胺吸水树脂的制备

采用溶液聚合法合成高吸水树脂。先配置一定量浓度的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合溶液，再将一定浓度的交联剂、引发剂加入其溶液中；加入交联剂后要通15分钟以上的氮气以便完全除去体系中的氧气，之后再利用注射器加入一定量的引发剂A 液（氧化剂）和B 液（还原剂）；再通氮气5 分钟，将其放置于恒温箱中进行引发聚合。将合成的丙烯酰胺吸水树脂搅碎，加入定量氢氧化钠颗粒进行水解，并放于干燥箱内80℃恒温干燥。将干燥后的高吸水树脂部分取出，并进行粉碎处理，得到最终产物。

2.4 合成原理

图1 高吸水性树脂合成原理

2.5 高吸水树脂吸水性能的测定

不同的反应条件下合成高吸水树脂，用剪刀和砂纸取其中相对较规整部分，称量其绝干质量,记M0,分别浸泡在200ml 蒸馏水、自来水、4500ppmNaCl 水溶液中，并记录不同时间下高吸水树脂吸水后的质量Mt1，按以下的公式计算吸水倍率。

2.6 傅立叶红外光谱分析

采用溴化钾压片法，用美国PE 公司spectrum400 傅里叶红外光谱仪对高吸水性树脂粉末进行红外光谱测定与分析。

3 实验结果与讨论

本研究在不同反应条件下合成的高吸水树脂的性能变化，在分别改变反应温度、交联剂用量等条件下采用水溶液聚合法合成高吸水性树脂，并测定其吸水倍率、保水率、红外表征等。

3.1 产品化学结构表征

图2 AM-AMPS 吸水树脂（含交联剂MBA）红外谱图

图3 前三个小时不同水环境吸水倍率点线图

3.2 不同水解程度对SAP 吸水倍率的影响

实验中保持AM 和AMPS 用量不变，改变水解时氢氧化钠的用量，在室温下引发聚合。三组过硫酸钾-氯化亚铁氧化还原体系如表3，两组过硫酸钾-亚硫酸氢钠氧化还原体系如表4。

图4 不同水环境整体吸水倍率点线图

图2 是AM-AMPS 吸水树脂（含交联剂MBA）红外谱图。在波数为3442cm-1和3198cm-1处存在酰胺基N-H 伸缩振动峰，2940cm-1处为烷基的C-H 伸缩振动峰，1321cm-1和1350cm-1处存在C-H 弯曲振动吸收峰，在990cm-1处存在C-H 面外弯曲振动吸收峰，1555cm-1和1407cm-1处分别存在羧基的C=O 伸缩振动峰和O-H 弯曲振动峰，1187cm-1到1042cm-1之间存在醚类特征峰。626cm-1和509cm-1处存在两个磺酸基特征峰。

表3 不同水解程度过硫酸钾-氯化亚铁体系

表4 不同水解程度过硫酸钾-亚硫酸氢钠体系

以上5 组实验得到产品分别编号为1、2、3、4、5，测量5 个产品在不同水环境下吸水倍率对比，结果如图3。

由图3 分析可知，在过硫酸钾-氯化亚铁氧化还原引发体系和过硫酸钾-亚硫酸氢钠氧化还原体系中，在一定水解程度范围内，水解程度越大吸水倍率增长越快，在蒸馏水中体现最为明显。随着溶液盐度的增大，吸水倍率数值增长趋势减小。

由图4 可知在过硫酸钾-氯化亚铁氧化还原引发体系中，水解度达到35.6%的吸水树脂吸水倍率最高。其在NaCl 溶液中吸水效果最高达到82.48 倍。在自来水水中吸水效果最高达到136.37 倍。在蒸馏水中的吸水效果达到697.34 倍。而在过硫酸钾-亚硫酸氢钠氧化还原体系中，吸水倍率最好的同样是水解度为35.6%的吸水树脂。其在NaCl 溶液中的吸水倍率最高达到79.23 倍。在自来水中的吸水倍率最高达到152.18 倍。在蒸馏水中的最高吸水倍率则达到737.28 倍。在蒸馏水中产品5 的吸水性一直优于产品3 的吸水性，在NaCl 溶液和自来水环境中两者吸水倍率均出现交叉现象。

造成上述结果的原因可能是：当后加入NaOH 部分水解时，使原有的部分酰胺基水解变成更具亲水性的羧酸基，随着水解程度的增加，共聚物中的羧酸基逐渐增加，其吸水倍率也有着明显的增长。

4 结论

本论文主要研究的是在不同水解度条件下合成的吸水性树脂在不同水环境下对吸水性能的影响，当改变水解程度时，在一定范围内水解程度越大，聚合物中的更强的亲水基团（羧基）含量越多，其在NaCl 溶液、自来水、蒸馏水中的吸水性能越好。