丙烯酰胺树脂

实验4.5 丙烯酸钠—丙烯酰胺共聚高吸水树脂的合成与吸水率评价

一、实验目的

1.掌握一步法合成交联型吸水树脂的基本方法；

2.掌握吸水树脂吸水率的评价方法。

二、实基本原理

高吸水性树脂(Super Absorbent Resin)，简称SAR，又称超强吸水剂，是一种新型的功能高分子材料。具有不溶于水、在水中溶胀的具有交联结构的高分子。吸水量达平衡时，以干粉为基准的吸水率倍数与单体性质、交联密度以及水质情况有关，如是否含有无机盐以及无机盐浓度等因素有关。根据吸水量和用途的不同大致可分两大类：吸水量仅为干树脂量的百分之数十者，吸水后具有一定的机械强度，它们称之为水凝胶，可用作接触眼镜、医用修复材料、渗透膜等。另一类吸水量可达到树脂的数十倍，甚至高达上千倍，称之为高吸水性树脂。高吸水性树脂用途十分广泛，在石化、化工、建筑、农业、医疗以及日常生活中有着广泛的应用，如用作油气井堵水剂、建筑吸水材料、堵水材料、用于蔬菜栽培、吸水尿布等。

高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。

根据原料来源、亲水基团引入方式、交联方式等的不同，高吸水性树脂有许多品种。目前，习惯上按其制备时的原料来源分为有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)三大类，前两者是在天然高分子中引入亲水基团制成的，后者则是由亲水性单体的聚合或合成高分子化合物的化学改性制得的。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。目前世界高吸水树脂生产中，聚丙烯酸系占到80%左右。

一般地说，高吸水性树脂在结构上应具有以下特点。

1.分子中具有强亲水性基团，如羰基、羟基等。与水接触时，聚合物分子能与水多子迅速形成氢键或其他化学键，对水等强极性物质有一定的吸附能力。

2.聚合物通常为交联型结构，在溶剂中不溶，吸水后能迅速溶胀。由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络中，不易流失和挥发。

3.聚合物应具有一定的立体结构和较高的相对分子质量，吸水后能保持一定的机械强度。

高吸水树脂按照离子型亲水性单体（如丙烯酸）型高吸水性树脂吸水能力很强，但耐盐性差, 吸水后的凝胶强度较低；非离子型亲水性单体( 如丙烯酰胺) 型高吸水性树脂吸水能力较低, 但耐盐性较好, 吸水后凝胶强度较高。因此，采用丙烯酸—丙烯酰胺共聚合法合成高吸水性树脂能够同时具备两者有点，实现有一定抗盐能力的吸收树脂。

高吸水树脂的合成一般采用聚合物经过交联后形成，本实验采用溶液聚合法, 将耐盐性好的非离子性单体丙烯酰胺与离子型亲水性单体丙烯酸( 盐) 共聚, 同时在聚合时加入交联剂，让聚合形成高分子链的同时进行交联，以合成耐盐性和凝胶强度均较好的高吸水性树脂。

本实验采用丙烯酸经氢氧化钠等强碱物质处理，将—COOH转变为—COONa，再将其与少量N，N-亚甲基双丙烯酰胺共聚，形成适度交联的网络结构高分子，反应方程式如下：

CH2=CH

COONa +

CH2=CH

CONH

CH2

CH2=CH

CONH

CH2CH CH2CH

CONH

CH2

CH2CH

COONa

CH2CH

CONH

丙烯酸钠—丙烯酰胺共聚吸水树脂吸水前，高分子链相互靠拢缠绕在一起，彼此交联成网状结构。其高分子链上有强吸水基团—COONa，它在水中电离，由于—COO-基团吸附水分子的作用和基团间的静电排斥作用，可以使弯曲分子伸展，分子链间的距离增大，水分子更容易进入分子链间，使其体积膨胀。此外当—COONa发生电离后，在高分子网络结构内外产生离子浓度差，从而在网络结构内外产生渗透压，水分子在渗透压作用下向网络结构中渗透，使其体积进一步膨胀，所以丙烯酸钠—丙烯酰胺共聚吸水树脂具有高的吸水性和保水性。

三、仪器与试剂

超级恒温水浴、电动搅拌器、三口烧瓶、球形冷凝管、鼓风干燥箱、电子天平、真空泵、布氏漏斗、球形冷凝管、温度计、氮气发生器

丙烯酸、丙烯酰胺、过硫酸铵、N, N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、氢氧化钠、氯化钠。四、实验步骤

（一）高吸水树脂的合成

1. 用移液管取10mL丙烯酸到250mL的烧杯中,加入50mL纯水, 在冷水浴中边搅拌边缓慢逐滴加入5mol /L的NaOH 溶液, 中和到PH值7~8之间。

2.称取10g丙烯酰胺, 再加入50mL纯水配置成溶液。

3.分别称取MBA、(NH4)2S2O8各0.05g,分别在小烧杯中用10mL纯水充分溶解备用。

4.在安装有球形回流冷凝管、温度计的三口烧瓶中倒入以上两种溶液，充分搅拌，使反应体系恒温在55±2℃，向反应体系中通入适量氮气，置换体系中氧气。

5.将(NH4)2S2O8溶液加入到反应体系中，注意观察体系温度变化和粘度变化情况。

6.待体系出现粘度时将MBA溶液加入其中，注意边加入边搅拌，适当加大氮气的流量。然后分别再用纯水洗涤小烧杯，将其加入到反应体系中，将搅拌器转速调至100~120r/min。

7.在55±2℃下恒温反应, 观察现象。待整个反应体系粘度增大并出现爬杆现象后，立即停止通入氮气和搅拌，拆卸反应装置，用不锈钢钥匙将反应产物转移到250mL烧杯中，将其放入到65±2℃恒温水浴中继续静置反应4~5小时。

8.将反应产物取出后用医用剪刀剪碎。在真空干燥箱内80℃下干燥至恒重, 粉碎, 过筛, 即得一定粒度( 20～40目) 的丙烯酸-丙烯酰胺( PAAAM)共聚吸水树脂

（二）吸水率评价

1.称取几份0.5g已经干燥恒重的吸水树脂，分别放入500mL烧杯中，分别加入纯水和不同浓度的NaCl溶液各400mL以上，静置24小时。

2.利用布氏漏斗和滤纸，通过真空抽滤出自由水后称取每份已吸水树脂总总量，计算吸水率。

Q= (W2-W1) /W1

式中: W1—干树脂质量( g) ,

W2—吸水后树脂质量( g) ,

Q—吸水倍率( g/g) 。

五、思考与讨论