淀粉丙烯酸接枝共聚物

开放性设计实验

实

验

报

告

实验名称：淀粉-丙烯酸接枝共聚物的制备及其吸水性能研究实验人：

学号：

指导老师：

实验日期：第 2 周

实验背景

由于具有较好的吸水性和保水性，高吸水性树脂在工业、农业和医疗卫生领域都具有广泛的应用，越来越受到人们的重视。高吸水性树脂按原料一般可分为淀粉类、纤维素类和合成树脂类。淀粉类特别是淀粉接枝丙烯酸高吸水性树脂由于易生物降解和吸水率大，近年来研究较多，淀粉接枝共聚物在日化、纺织、农业、印染、油田等领域有着广泛的应用前景。淀粉接枝高吸水性树脂不仅吸水量大，而且是可生物降解的环保产品，在纺织上浆方面目前大量使用的聚乙烯醇（PVA）因为不能生物降解在国外已经停止使用，因此，淀粉丙烯酸类单体的共聚物有可能在日后完全取代 PVA。另外，淀粉丙烯酸接枝共聚物用于印花具有得色量高，轮廓清晰，色泽丰满的优点，而且价格相对较便宜；用于油田则可以提高回收率，同时它的生物降解的特性也让它在石油化工领域有着相当的发展空间。

1.实验部分

1.1实验设计思路

1.2实验目的

1 学习并掌握淀粉接枝聚丙烯酸吸水树脂的制备原理和方法；

2 了解吸水树脂的吸水机理；

3 学习并掌握吸水树脂的相关表征：接枝率、吸水率和保水率的测定方法；

4 学习并掌握参数改变法进行实验设计与优化；明确树脂结构与吸水性能的关系。

1.3实验原理

淀粉系高吸水性树脂是之淀粉与乙烯基单体在引发剂的作用下经辐射制得吸水性淀粉接枝共聚树脂。淀粉系吸水性树脂（SAR）的主链骨架是淀粉，在其主链上或接枝侧链上含有亲水性基团（-OH-COOH-CONH2 等），经轻度交联形成一个具有主链、支链和低交联度的三维空间网络结构。淀粉系 SAR 除具有一般SAR 的吸水容量大、吸水速度快、保水能力强等优点外还具有生物可降解性。被认为是一种环境友好材料。

淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂主要是淀粉接枝丙烯酸、甲基丙烯酸或其他烯烃羧酸。它的制备原理包括离子型接枝共聚和自由基型接枝共聚。淀粉与乙烯基单体接枝共聚物的制备，一般采用自由基引发，即通过一定的方式，先在淀粉的大分子上产生初级自由基，然后引发接枝具有不饱和键的单体，使淀粉的大分子上产生初级自由基，然后引发接枝具有不饱和键的单体，使淀粉自由基与其发生亲核连锁反应。引发淀粉成为自由基的手段主要有物理方法和化学方法两大类。物理法主要是用电子束或放射线性元素的射线照射淀粉成自由基，再与乙烯基单体反应；化学法是指利用氧化还原反应等引发淀粉成自由基，再与具有不饱和键的单体反应。例如利用引发剂，使淀粉分子叔碳上的H被夺走而产生自由基，然后引发单体形成淀粉-单体自由基，继续与单体进行链增长聚合，最后链终止。

反应过程示意图如下：

有时自由基会在单体上形成，得到不含淀粉的单体聚合，即均聚物。实验中，淀粉接枝共聚物为接枝聚合物和均聚物的混合物，越高的接枝率使得均聚物越少。

树脂的吸水性主要与其化学结构及聚集态中极性基团的分布状态有关。交联剂的作用：防止吸水性树脂在吸水时发生溶解，使分子链之间发生交联，形成交联化合物。高吸水性树脂是由三维网络结构构成的高聚物，其吸水既有物理，又有化学吸附和网络吸附。它是分子中既含有亲水基团又含有疏水基团的交联型高分子电解质。脂网络是吸水能力强大的结构因素，树脂网络的亲水集团是其吸水的动力因素。淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂的吸水能力可以看成是通过水中的高分子电解质的离子电荷相斥而引起的伸展和由交联结构及氢键而引起的阻止扩张的相互作用所产生的结果。

本实验利用糊化的淀粉进行接枝，其原因是糊化的淀粉接枝效果比原淀粉好，由于淀粉糊化后，分子链在水中得到充分的舒展，便于催化剂和单体与其各部位接触而发生接枝反应。交联剂是控制网络结构的关键，其用量对超强吸水剂的吸水性能有很大的影响。交联剂浓度高，交联度高，吸水率大大下降；交联剂浓度低，交联度低，产品溶解度加大，且保水性能差，理想的交联度应该是控制产品恰好不溶解于水所需的最低交联度。

1.4实验仪器与试剂

1.4.1试剂

可溶性淀粉，丙烯酸，氢氧化钠，浓盐酸，过硫酸铵，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，氮气，蒸馏水，模拟尿，NaCl溶液（50%）。

1.4.2仪器

四颈烧瓶，回流冷凝管，温度计，导气管，索氏提取器，机械电动搅拌器，表面皿，长颈漏斗，干燥箱，加热水浴锅，100目筛网。

1.5实验步骤

1.5.1制备过程

①在装有搅拌器，回流冷凝管、温度计和导气管的四颈瓶中一边通入氮气（N

）,一边加入2g淀粉和60g水，加热至90℃，进行搅拌糊化，糊化60min 2

后，降温至50℃。

实验现象：体系由溶液状变成糊状的特性溶液；

保护下现象解释：由于氧气是阻聚剂，为防止引发剂失活，所以需要在N

2

加入各个反应物。淀粉在常温下不溶于水，但当水温至53℃以上时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液。

②用量筒量取38.1mL（40g）的丙烯酸至洁净的小烧杯，然后用浓度为

7.5mol/L的氢氧化钠溶液中和掉71%的丙烯酸（约加入52.6mL）。冷却至室温后，加入引发剂过硫酸铵1.140g和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.005g溶解。

实验现象：缓慢加入氢氧化钠后，溶液中有气泡产生，并且烧杯壁发烫，溶液变成浅红色；

现象解释：丙烯酸和氢氧化钠酸碱中和反应为放热反应，丙烯酸中一般含有阻聚剂1，4—对苯二酚，可能是由于对苯二酚在碱性条件下形成了醌式结构而显色。

气保护下再加入到四颈瓶中，搅拌，在65℃下反应1.5个小时。

③在N

2

实验现象：体系不断变稠，成为凝胶状，搅拌变困难，有微弱的攀爬现象；

现象解释：由引发剂引发开始体系的接枝共聚以及聚丙烯单体的均聚，聚合过程有攀爬现象产生。

④将反应瓶取下，趁热倒入无水乙醇，用止血夹夹出，将产物剪碎在无水乙醇中充分洗涤后干燥，产物为白色半透明状弹性物质，将产物剪碎，分别称取10g，一份放入烘箱内干燥至恒重，另外两份放入实验柜中保存。

现象解释：反应物反应结束后体系粘度很大，传热比较慢，用手将共聚物取出时比较烫，用乙醇洗涤的目的是将未反应的单体丙烯酸引发剂洗去。

1.5.2相关表征及性能测试

（1）接枝高聚物的红外光谱表征

A.纯接枝高聚物及其接枝侧链的提取

①将上述制备的两份洗涤后的10g的白色半透明状物质充分剪碎，用滤纸包好，加入到索氏提取器中，以乙醇为提取剂，在索氏提取器中抽提3个小时左右，以除去均聚丙烯酸，将抽提后的剩余物干燥至恒重，即得纯接枝高聚物。

②将其中一份纯的接枝高聚物加入三颈瓶中，再加入300mL的1mol/L的HCl，