保水性聚丙烯酰胺增稠剂的合成及评价

保水性聚丙烯酰胺增稠剂的合成及评价

陶蓉，崔伟，杨华，李瑞海

(四川大学高分子科学与工程学院，成都610065)

摘要：以高相对分子质量聚丙烯酰胺(PAM)和自制的低相对分子质量PAM进行复配实验，制备了具有优异保水性能的增稠剂，并研究了组分对其保水性能的影响规律。实验结果表明：采用非离子型高相对分子质量PAM和低相对分子质量PAM复配，随低相对分子质量PAM中丙烯酸(AA)含量增加，保水性能逐渐提高，达到40%左右时保水效果最佳。且其最适宜使用pH值为8左右。

关键词：保水性；增稠剂；聚丙烯酰胺；保水性测试

0引言

涂料的保水性是涂料的固有属性，指涂料施涂于一定介质表面保持其中游离水分不逸去的能力，其直接影响着施工操作的难易，以及施工墙面的质量。涂料的保水性来源于涂料对游离水的亲和能力。涂料中游离水分比较自由，易受外界因素影响而发生迁移，与墙面接触后，界面上的水分差异导致涂料水向墙面扩散，干燥时使游离水分子热运动加剧并使扩散速度加快，这些作用的结果都使游离水从涂料中逸去[1]。为此，涂料的施工过程中往往需加入适量的保水剂。保水剂是一种高分子电解质，在水或极性溶剂中电离产生许多离子基团，水分子进入网状结构后与这些离子以氢键键合而被吸附、牢固在网络内，由于网络具有弹性，因而可容纳大量水分子[2-4]。目前市场上常用的保水剂主要有羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇等，但这些保水剂价格昂贵。聚丙烯酰胺(PAM)是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚而得聚合物的统称，工业上凡含有50%以上丙烯酰胺(AM)单体的聚合物都泛称PAM，它是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一[5]。由于PAM结构单元中含有酰胺基，易形成水分子内和分子间氢键[6]，使PAM水溶液具有很高的黏度，很好的增稠、絮凝和流变调节的作用，以及使水性颜料体系的颜料取向优化，使得PAM成为目前建筑行业用涂料中性能优良的增稠剂。但由于其与粘土表面的吸附是氢键和范德华力，在粘土上的吸附力较弱，保水性能受到一定的限制；而且单独的高相对分子质量PAM，泥浆的失水量不容易被控制住，粘土表面水化膜也太薄。而低相对分子质量的产品则能更快速地被吸附于粘土表面上，尤其是细颗粒的表面上。若低相对分子质量PAM本身具有羧基，能增强粘土表面的负电性与水化膜厚度，从而能达到更好的保水作用[7]。本文通过合成含有大量羧酸基的低相对分子质量PAM，与高相对分子质量PAM复配使用，使得PAM水溶液在原有良好的增稠效果的基础上，保水性也达到了其他保水

剂的功效，大大降低了成本。

1实验

1.1原材料与仪器设备

1.1.1原材料

建筑滑石粉：325目；丙烯酰胺(AM)、高相对分子质量PAM：分析纯，成都科龙化工试剂厂；丙烯酸(AA)：分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

1.1.2实验仪器

三口瓶、分析天平(精确度01001g)、恒温槽、电动搅拌器；定性滤纸(规格直径15cm)、PVC 塑料环、游标卡尺、搅拌容器(200mL)、搅拌棒、刮刀。

1.2实验过程

1.2.1低相对分子质量PAM的制备

采用自由基水溶液聚合，首先按一定比例称取一定量的丙烯酰胺和丙烯酸于三口瓶内，加入适量的水后，将三口瓶置于恒温槽中，在电动搅拌器的搅拌下升温至70℃，加入质量分数为10%的氢氧化钠溶液进行pH值调节，使体系的pH值在9.0～10.0的范围内，再加入所需引发剂，保温1h，关闭搅拌器和保温装置，使体系缓慢冷却到室温，即可取样。

1.2.2保水性能测试与表征

(1)按照一定比例将聚合而得的PAM溶液A与高相对分子质量PAM溶液B进行混合，再将混合液稀释成固含量为0.5%的溶液C；

(2)将上述溶液C中按质量比1.75∶1加入滑石粉，配成一系列浆料D；

(3)测试步骤：

在干净玻璃板上平放10层定性滤纸(光面朝上，毛面朝下)，将塑料环擦净，表面尽量不带任何水分；并在塑料环的一侧蒙上纱布，使得浆料中的自由水能被吸走，而不会带出泥浆；

称取滑石粉50g左右按标准稠度需水量(使PAM溶液的固含量为0.5%)，倒入搅拌容器中，将称取的适量PAM类溶液也倒入搅拌容器中，同时开始计时，停约30s开始搅拌，搅拌30s后，倒入塑料环内。扶塑料环，用玻璃棒捣几下，使其装满塑料环，然后用刮刀将多余料浆刮去。并将装满泥浆的塑料环放在一个玻璃盘中用分析天平准确测定其质量ma；将准备好的塑料环垂直放于定性滤纸之上，分别在10s、20s、1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min

时用分析天平测得其准确质量mb。则泥浆损失的水分质量为(mb-ma)；重复上述实验，分别测定不同比例配成的PAM类溶液泥浆的保水性能，并根据所测数据，以横坐标为时间，纵坐标为泥浆损失的水分质量作图，通过它们的曲线来进行保水性能的比较。最后选择其中保水性最好的PAM类溶液，通过改变其pH值，找出最适合使用的pH值条件。测试过程中保持温度为25℃，并且每次称量完后将塑料环重新放在滤纸的相同位置上。

2结果与讨论

2.1高相对分子质量PAM对保水性能的影响

由文献可知：阳离子PAM与阴离子型聚合物混合，会破坏稳定性，易发生聚沉[8]，由于本实验的低相对分子质量PAM为阴离子型电解质，因此实验中不应采用阳离子型PAM。在相同的泥浆配比(质量比1.75)下，pH值为8～9时，按上述方法对采用不同类型高相对分子质量PAM所配泥浆的保水性能进行了探讨，实验结果如图1所示。

图1不同类型高相对分子质量PAM的浆料随时间变化的失水量

图1不同类型高相对分子质量PAM的浆料随时间变化的失水量

由图1可知，相同时间间隔内高相对分子质量阴离子型PAM，其保水效果明显不如非离子型PAM。这是因为虽然阴离子基团具有很强的水化作用，使得聚合物大分子链得以伸展，并能将自由水变成束缚水，在大分子链周围形成溶剂化层，同时在粘土表面形成大而厚的吸附水化膜，这种水化膜因具有高弹性而起到降阻的作用[9]。而在本实验中，低相对分子质量的PAM也带有大量的羧基，当羧基含量过高时，则分子柔性减弱，同时由于酰胺基比例减少，反而减弱了对粘土的吸附。因为羧酸基这个负电荷基团又会与粘土上的负电荷相斥，阻碍它们互相靠近，自然也就不利于