高吸水性樹脂的結構設計與性能研究.pdf

1、應用分子結構設計理論，以丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、蒙脫石(MMT)和海藻酸鈉(SA)等為主要原料，設計并用反相懸浮聚合法合成了PAA/MMT、PAA/AMPS/MMT和PAA/SA高吸水性樹脂，探討了影響高吸水性樹脂性能的各種因素，研究了高吸水性樹脂的吸水性能、保水性能、耐鹽性能、熱穩(wěn)定性能、生物降解性能和結構。 采用二次插層法使蒙脫石先后與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)和十六烷基三甲基

2、溴化銨(CTAB)反應制得有機蒙脫石，使蒙脫石層間距從1.26nm增大至3.07nm，有利于MMT與PAA的插層復合反應，證明二次插層法是一種較好的制備有機蒙脫石的方法。 實驗結果證明反相懸浮法是一種較好的合成高吸水性樹脂的方法，可避免聚合產(chǎn)物吸收大量的水，產(chǎn)品呈小顆粒狀，有利于聚合反應進行和產(chǎn)物后處理?？疾炝朔稚⒔橘|種類和油水體積比，分散劑種類和用量等反應條件對吸水性能的影響。實驗結果表明：宜采用環(huán)己烷為分散介質，環(huán)己烷和水的

3、油水體積比為3∶1；Span-60和Tween-80為分散劑，Span-60和Tween-80質量比為2∶1。 系統(tǒng)研究了各種反應條件對高吸水性樹脂的吸水性能的影響，優(yōu)化了合成工藝條件，結果如下： PAA/MMT高吸水性樹脂：相對于環(huán)己烷，分散劑的質量分數(shù)為2﹪；相對于丙烯酸單體，交聯(lián)劑(NMBA)、引發(fā)劑(KPS)和蒙脫石的質量分數(shù)分別為0.1﹪、2﹪和10﹪；丙烯酸中和度為70﹪；聚合反應溫度為70℃。在此條件下合成

4、的PAA/MMT高吸水性樹脂，吸水率為783g/g，吸鹽水(0.9﹪NaCl水溶液)率為86g/g。 PAA/AMPS/MMT高吸水性樹脂：相對于環(huán)己烷，分散劑的質量分數(shù)為2﹪；相對于AA和AMPS，NMBA、KPS、MMT和AMPS的質量分數(shù)分別為0.1﹪、2﹪、10﹪、30﹪；丙烯酸中和度為75﹪；聚合反應溫度為70℃。在此條件下合成的PAA/AMPS/MMT高吸水性樹脂，吸水率為857g/g，吸鹽水率為129g/g。

5、 PAA/SA高吸水性樹脂：相對于環(huán)己烷，分散劑的質量分數(shù)為3﹪；相對于反應單體AA和SA，NMBA、KPS和SA的質量分數(shù)分別為0.1﹪、1.0﹪和1.5﹪；丙烯酸中和度65﹪；聚合反應溫度70℃。在此條件下合成的PAA/SA高吸水性樹脂，吸水率為814g/g，吸鹽水率為79g/g。 研究了PAA/MMT、PAA/AMPS/MMT、PAA/SA高吸水性樹脂的吸水保水性能和吸水速率和凝膠強度。結果表明：PAA/MMT和PAA/

6、AMPS/MMT高吸水性樹脂的吸水率隨MMT質量分數(shù)的增加而降低；在一定范圍內(nèi)，吸鹽水率和吸水速率則隨MMT質量分數(shù)的增加而升高。與PAA高吸水性樹脂相比，MMT質量分數(shù)為10﹪的PAA/MMT高吸水性樹脂吸鹽水率提高了約20﹪，吸水速度則幾乎提高了1倍。AMPS和MMT質量分數(shù)分別為30﹪和10﹪的PAA/AMPS/MMT高吸水性樹脂與MMT質量分數(shù)為10﹪的PAA/MMT高吸水性樹脂相比，吸水速率和吸水率又有不同程度的提高，而吸鹽水

7、率(0.9﹪NaCl水溶液)則提高了50﹪。三種高吸水性樹脂均具有較好的保水性能，在自然狀態(tài)下放置8周，保水率保持在60﹪以上；在0.25MPa壓力下，保水率保持在80﹪以上。溫度對保水性能影響很大，保水率隨溫度升高而顯著降低。MMT的加入使樹脂吸水后的凝膠強度有很大影響，從13.6MPa(PAA)提高到49MPa(PAA/MMT)和55MPa(PAA/AMPS/MMT)。 通過對所合成的高吸水性樹脂在電解質溶液及不同PH值溶液

8、中的吸水能力的研究發(fā)現(xiàn)，所合成的高吸水性樹脂的膨脹現(xiàn)象可用Flory膨脹理論來解釋。在各種電解質溶液中，溶液濃度增加，吸水能力下降，對于同一種陰離子或陽離子，吸水能力隨著反離子電荷數(shù)的增加而減小，且溶液中離子的電荷數(shù)越多，對樹脂吸水性能的影響也就越大。在不同PH值溶液中，PH=7時具有最大的吸水能力，酸性條件對吸水率的影響較大，而堿性條件的影響較小。 紅外光譜分析表明在所合成的高吸水性樹脂中，聚丙烯酸鹽與蒙脫石或海藻酸鈉產(chǎn)生了接

9、枝共聚反應，并非簡單的加合。XRD分析表明蒙脫石的片層已經(jīng)被完全撐開，均勻地分散在聚合物基體中。TEM分析表明蒙脫石的加入對樹脂顆粒的大小和形狀有較大的影響。SEM分析表明PAA/SA高吸水性樹脂表面為層狀結構，并且表面有孔洞，這對改善高吸水性樹脂的吸水保水性能是有利的。 研究了PAA/SA高吸水性樹脂的生物降解性能。結果表明：PAA/SA高吸水性樹脂具有良好的生物降解性能，可被黑曲霉菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽苞桿菌和大腸桿菌等

10、微生物以及土壤、活性污泥降解。海藻酸鈉質量分數(shù)為10﹪的PAA/SA高吸水性樹脂，在土壤中掩埋60d能被降解37.6﹪，在枯草芽苞桿菌培養(yǎng)液中60d能被降解52.2﹪，而在活性污泥中15d就能降解超過50﹪。海藻酸鈉質量分數(shù)對PAA/SA高吸水性樹脂的降解性能有較大影響。隨著海藻酸鈉質量分數(shù)的增加，PAA/SA高吸水性樹脂的生物降解性能提高，但吸水性能下降。因此，可根據(jù)需要，通過控制海藻酸鈉的質量分數(shù)來調節(jié)PAA/SA高吸水性樹脂的吸水