聚丙烯酸水凝胶的合成及基本性能的测定

综合实验报告题目:聚丙烯酸水凝胶的合成及基本性能的测定
A1组
聚丙烯酸水凝胶的合成及基本性能测定
摘要:交联聚丙烯酸系高分子合成时，先用氢氧化钠碱溶液使丙烯酸部分中和。

再加入引发剂，得到反应液。

并测定吸水率、溶解度等性能，
关键词：交联聚丙烯酸系高分子；吸水效率;高吸水性；水凝胶
1.前言
1.1实验目的
通过交联丙烯酸钠高吸水性的合成，掌握其合成方法。

根据对其性能测试，了解影响高吸水树脂的性能因素。

1.2实验原理
水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。

凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。

交联聚丙烯酸系高分子的合成主要以丙烯酸或丙烯酸酯为单体进行聚合,后者还需在聚合后进行水解,也可以上述单体与丙烯酰胺,丙烯酸酯或醋酸乙烯酯等非离子性单体进行共聚,以调节网络中的亲水和疏水部分。

本实验采用溶液聚合法,通过较高浓度的部分中和的丙烯酸钠自交联.用氧化还原引发剂,合成具有一定交联度的聚丙烯酸钠。

中和度一般控制在50-90%，PH3-9。

单体浓度则必须高于40%，否则无法完成交联；但过高会引起散热问题，易于爆聚。

反映温度过低，难于发生自交联，严重影响性能；而过高则聚合物分子量低且分布宽；一般控制于80-250℃。

1.3性能指标
高吸水树脂的性能主要表现在：⑴吸水率及吸水速度；⑵保水性；⑶稳定性；⑷机械强度；⑸增粘性；⑹安全性
吸水率是高吸水性树脂的最基本性能指标，即单位重量树脂的饱和吸水量。

除取决于吸水树脂的组成，结构，形态，分子量及交联度外，还受到被吸液体的组成，性质等不同程度的影响，特别是液体中的电解质盐类及PH值的影响很大。

溶液中含有无机盐，或酸（碱）性较强，都使吸水能力显著降低。

因此对于含盐的血液，尿液等的吸水率都比吸纯水率降低。

因为血，尿等含盐类0.9%，故高吸水树脂对0.9%-1%的生理盐水的吸收能力基本可反映对血液及尿的吸收能力，也成为一个重要吸收性能指标。

吸水速度也是一个表示吸水能力的重要性能指标，即单位重量吸水剂在单位时间内吸收的液体体积或重量，可用吸水量与吸水时间的关系曲线来描述。

吸水率,吸水速度的测定多用自然过滤法或纸袋法.前者秤取一份或数份样品,分别在液体中浸泡不同时间乃至饱和,然后用筛网滤去多余液体后称量,后者是将一定量的吸水剂放入纸袋中后浸入液体,每隔一段时间或待饱和后取出称重.
保水性是指高吸水树脂吸水后,在自然状态下或在一定压力等条件下水分仍不流失,这是由于吸水后的水凝胶在空气中表面干燥而形成膜,抑制了内部水分进一步分散,同时高吸水树脂吸收的水分与高分子形成的是氢键,蒸发消耗能量比自由水高,因而干燥速度明显下降,可将一定量树脂吸水饱和后的水凝胶放置在一定湿度的大气环境中,通过测定不同时间的重量而得到.
高吸水树脂在水中分散后因吸水而形成水凝胶,表观粘度明显增加,可用粘度计测定
溶解度的测定可按下述方法进行:将一定量干燥树脂加入一定量纯水中,在50℃下搅拌8小时,过滤得到液体a和水凝胶,用适量丙酮凝集水凝胶后再过滤,得到液体b.将a,b干燥后称重,即为初始树脂样品中可溶部分的重量,与初始树脂样品总重量的百分比即为溶解度
高吸水树脂用于医疗卫生及食品包装时,其生物相容性及安全性非常重要.
1.4应用及其展望
聚丙烯酸系高分子（包含其碱金属盐）由于其骨架上含有大量活性羟基，因而具有亲水性。

其中线型或支链型产物是一种水溶性高分子，可用作聚电解质及絮凝剂，在水处理、土壤改良、石油开采、电化学等领域有所应用；而具有不同交联度的交联型聚丙烯酸系，吸水后不会溶解，而是溶胀成水凝胶，除了用作高分子催化剂（固体酸）、离子交换树脂、吸附性树脂、螯合性树脂，在有机合成、化学分析、物质分离、食品加工及制药等领域广泛应用之外，更因其优越的吸水性能而成为应用最多的合成高吸水性材料，在农林园艺、医疗卫生、建筑装饰、食品及日化等行业都获得了普遍应用。

其中作为应用较多的生物医用材料之一，交联聚丙烯酸系水凝胶可以具有与生理组织相接近的水分含量，聚合所引入的残余单体、引发剂等易于洗去，具有良好的生物相容性，在制造软性接触眼睛、药物释放载体、生物粘附剂、湿布药用基材、软组织相容材料、医疗器械等方面都有良好发展前景。

2.实验材料及方法
2.1仪器及原材料
2.1.1仪器
2.1.2试剂
表２试剂
2.2实验用量计算
丙烯酸C3H4O2 m =60g M=72.06 n1=m/M=60/72.06=0.83mol
因为单体浓度=55% m1＊055=60g 所以m1=109g 由此得出配丙烯酸所用的水的质量=109-60=49g V1水=49ml
氢氧化钠n= n1＊40%=0.332mol m= n* M= 0.332＊40=13.28g
因为单体浓度=35% m=13.28/0.35=37.9g m水=37.9-13.28=24.62g V2水=24.62ml
2.3合成过程
⑴.天平称取氢氧化钠13.3克。

加入42克水，制成氢氧化钠水溶液。

⑵.称取0.14克过硫酸铵和0.01克亚硫酸钠，分别用少量水溶解。

⑶.在烧杯中称取丙烯酸60克，开动搅拌，滴加
⑷.将上述溶液放入大烧杯中，加入甘油2.5毫升。

⑸.升温到40℃后滴加过硫酸铵，亚硫酸钠，随反应体系黏度增大，搅拌困难时停止搅拌。

当反应混合物由白色浑浊凝胶状变成透明时，停止反应。

从聚合开始至3小时反应温度升至70℃。

⑹.将反应物至于烘箱中，180℃干燥2h。

⑺.将干燥树脂研磨成粉末后，用80目筛网过筛，得到两种粉末，颗粒较细的样品为A，另一样品为B，均置于干燥器中保存。

2.4性能测定
2.4.1测吸水率，吸水速度。

⑴.将6张筛网标号后测量重量。

⑵.称取6分，每份0.3克左右树脂粉末A样品。

⑶.分别在纯水中浸泡 2. 5. 10. 20. 40min，乃至饱和。

用筛网过滤掉多于水分后
称重。

⑷．用B样品重复上面操作，并记录，绘制吸水量-时间关系曲线。

2.4.2.测吸盐水率、吸盐水速度
配置0.9%浓度的氯化钠水溶液，代替纯水重复（1）~（3）测定过程。

2.4.
3.测吸热水率
用样品组份多的组，分别用37℃的纯水和0.9%浓度的氯化钠水溶液代替纯水，重复（1）~（3）的测定过程。

2.4.4测溶解度
（1）称取一定重量的B组样品加入一定量纯水中，在50℃下搅拌8小时，过滤得到液体a和水凝胶。

（2）用适量丙酮凝集水凝胶后再过滤，得到液体b。

（3）将a,b干燥后称重，计算两个重量之和。

其与样品初始重量的百分比即为溶解度。

3.实验结果与分析
3.1合成过程
合成配方如图3
合成现象如图4
产物为浅黄色凝胶块
产品内部存在气泡，可能由于加热过高
3.2性能测定及影响因素
3.2.1吸水率，吸水速度
根据图1可以分析出，样品在前2分钟的吸水率迅速达到高值，2分钟到20分钟吸水率有所下降，可能由于本次试验取样量过少，在筛网过滤水凝胶的过程中水凝胶损失的比例便相对较大，影响到2分钟到20分钟的试验结果，但从2分钟到饱和，曲线基本稳定。

说明80目聚丙烯酸钠树脂会很快吸收大量水分之后，吸水率便会保持稳定不变。

3.2.2测吸盐水率,吸盐水速度(0.9℃浓度的氯化钠水溶液25℃)
根据图1可以分析出，样品同样在前2分钟内稀盐水率迅速达到高值，2分钟到饱和基本保持稳定。

根据图1和图2综合，吸盐水率高于吸纯水率，可能由于测盐水速率时，是第二次使用筛网，筛网沾水面积比第一次更大，而且样品取样过少，导致残留的水对于实验结果影响过高，误差过大。

最后形成吸盐水率比吸纯水率高。

实际应该吸盐水率明显降低，因为盐中离子破坏分子交联结构影响吸水性。

3.2.3样品在37℃水和37℃盐水中的吸收量
根据图3可以分析出，37℃时，吸纯水率和吸盐水率对比25℃时都有所上升，所以实验结果表明温度是影响聚丙烯酸钠树脂的影响因素，并且吸水率随温度的增加而增加
3.2.4样品的溶解度
总a b
溶解度=10.34/0.757=1366%
由数据可知：b溶体的干重比a溶体干重大很多
可知，a的溶解度大于b溶体溶解度，树脂B的吸水性比丙酮凝集水凝胶大。

3.2.5单体浓度对吸水性能的影响
根据图4可分析出，有三条曲线都是随单体浓度的增加而吸水率逐渐减小，25℃吸盐水率在65%单体浓度我达到最大值，和其它3条线趋势明显不同，可能是由于实验误差造成走势图不同，所以忽略，同时3条曲线在单体浓度达到65%的时候吸水率不再快速下降，而是趋于平缓。

这说明单体浓度在55%的时候吸水率随单体浓度的增加而逐渐减小，当达到65%的单体浓度时，吸水率趋于平缓，基本保持不变，说明单体浓度是影响吸水率的因素。

3.2.6中和度对吸水性能的影响
根据图5可以分析出，4条曲线都在中和度在50%到60%之间时，吸水率出现最大值，说明在一定范围内，吸水率是随中和度的增加而增加的，当达到最大值之后，吸水率随中和度的增加而减小，说明中和度同样是影响吸水率的一个因素。

4．总结
⑴聚丙烯酸水凝胶吸水率随温度的增加而增加
⑵⑴聚丙烯酸水凝胶吸盐水率比吸纯水率明显降低，因为盐中离子破坏分子交联结构影响吸水性
⑶聚丙烯酸水凝胶单体浓度在55%的时候吸水率随单体浓度的增加而逐渐减小，当达到65%的单体浓度时，吸水率趋于平缓，基本保持不变
⑷聚丙烯酸水凝胶在一定范围内，吸水率是随中和度的增加而增加的，当达到最大值之后，吸水率随中和度的增加而减小
⑸温度，氯化钠，单体浓度，中和度都是影响聚丙烯酸水凝胶吸水率的影响因素
参考文献
[1] 邹新禧. 超级吸水剂. 化工出版社,1991。