淀粉-丙烯酸接枝共聚物的制备

淀粉-丙烯酸接枝共聚物的

制备

及其吸水性能研究

实验人：

班级：

学号：

淀粉-丙烯酸接枝共聚物的制备及其吸水性能研究

一、实验目的

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；

了解吸水树脂的吸水原理；

学习并掌握吸水树脂的相关表征；接枝率、交联度、吸水率和保水率等测定方法；

学习并掌握参数改变法进行实验的设计与优化；明确树脂结构与吸水性能的关系

二、实验背景

高吸水性树脂是一种新型的功能高分子材料，具有高吸水性、高保水性等特点，广泛用于农林园艺、生理卫生用品、建筑、医药和化妆品等行业。经过众多研究者的努力，由高吸水性树脂与其他材料复合而成的密封胶，已用于建筑嵌缝、钢板桩和管接头等嵌缝密封，以替代密封和粘接材料。

丙烯酸盐聚合物被认为是最具发展前景的吸水性树脂，其生产成本低廉、制备工艺简便且产品质量稳定。清华大学高分子研究所开发的密封胶条用高吸水性聚丙烯酸类树脂，具有高吸水保水率及吸水速率快等优点，与橡胶相容性良好；将其引入密封胶条后，胶条仍保持应有的强度，并具有稳定的化学性质、光热性能且不易分解变质。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型材料。

三、实验原理

淀粉系高吸水性树脂是指淀粉与乙烯单体在引发剂的作用下或经辐射制得的吸水性淀粉接枝树脂。淀粉系吸水性树脂（SAR）的主链骨架为淀粉，在其主链或接枝侧脸上含有亲水性基团（-OH、-COOH、-CONH2等），经轻度交联形成一个有主链、支链和低交联度的三维空间网状结构。

淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂主要是淀粉接枝丙烯酸、甲基型丙烯酸或其它烯烃羧酸。其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，使淀粉自由基与其发生亲和连锁反应。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种方法。物理方法主要是用电子束或放射线性元素的射线照射淀粉自由基，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。

但有时自由基会在单体上形成，得到不含淀粉的单体聚合物，即为均聚物。实际上，淀粉接枝共聚物为接枝聚合物和均聚物的混合物，理想的接枝工艺要得到较高的接枝效率，使均聚物减少到最低程度，

树脂的吸水性主要与其化学结构及其化学结构及聚集态中极性基团的分布状态有关。为防止吸水性树脂在吸水时发生溶解，往往在合成时加入交联剂，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空间网络结构构成的高聚物，其吸水既有物理吸附，又有化学吸附和网络吸附。它是分子中含有亲水基团和疏水基团的交联型高分子电解质。吸水前，高分子网络是固态网束，未电离成电子对，当高分子遇水时，树脂亲水基团的进一步解离，阴离子数目增多，离子间的静电斥力使树脂网状扩张，产生网内外离子浓度差，从而造成网络内外产生渗透压，水分子通过渗透压的作用向网络内渗透，随着吸水量的增大，网络内外的渗透压趋于零，而随网络扩张其弹性收缩力也在增加，逐渐抵消了离子的静电斥力，最终达到吸水平衡。由此可见，树脂网络是吸水能力强大的结构因素，树脂网络的亲水基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做是通过水中的高分子电解质的离子电荷相斥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。链之间的强氢键发生在接枝的聚丙烯酸侧链和淀粉主链的羟基之间。氢键有可能对形成的网状结构有利，使体系保持更多的水分。

淀粉接枝丙烯酸类吸水剂在制备过程中有诸多影响因素，如引发剂的种类、引发剂的浓度、引发剂的加料方式、淀粉的类型、淀粉的接枝形态、淀粉糊化与否、淀粉与单体的配比、反应介质、pH值、接枝反应时间、接枝反应温度、反应后的产品处理方式等，

四、实验材料及仪器

实验试剂：可溶性淀粉，食品级；丙烯酸，A.R；氮气，普氮；蒸馏水；自来水；模拟尿[组成（w,%）：去离子水97.09，尿素，1.94，NaCl 0.80, MgSO4·7H2O 0.11，CaCl2 0.06];I2-KI 溶液（2.5x10-4 mol/L）

实验仪器：四口烧瓶、温度计（100）、索氏提取器、回流冷凝管、机械电动搅拌器、表面皿、烧杯、烘箱、解热水浴锅、100目筛网。

五、实验步骤

1、制备步骤

在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和导气管的四口瓶中加入2g淀粉和60g水，加热至90℃，通入氮气，进行搅拌糊化，糊化60min后，降温至50℃。用一小烧杯称取30g丙烯酸，然后加入39.4mL浓度为7.5mol/L的氢氧化钠（中和71%mol的丙烯酸），混合后加入圆底烧瓶中，加入0.48g过硫酸铵，在50度左右先加热5分钟，再加入0.004g 交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，在50—60℃水浴下搅拌加热，反应大概半小时后出现白色透明糊状产物。将产物冷却、剪成小块，用无水乙醇洗涤。

2、相关表征测定

将上述制备的产物分成三份，每份12g，一份放入120℃烘箱加热，备用。

剩下两份用丙酮洗涤。

（1）接枝共聚物的红外表征

纯接枝共聚物及其接枝侧链提取

将另外两份产物用丙酮洗涤，将洗涤后的白色半透明弹性物质剪碎，以乙醇为萃取剂，在Soxhlet提取器中抽取4小时左右，除去均聚丙烯酸，将抽取后的剩余物干燥至恒量，即得纯接枝共聚物M2，将其中一份放入烘箱中干燥，将其中另一份接枝共聚物按如下提取：

将2g提取后的纯接枝共聚物放入三口烧瓶中，加入100mL的1mol/L的盐酸回流3h，将淀粉彻底溶解，用I2-KI溶液检验，然后用1mol/L氢氧化钠中和，过滤，用蒸馏水洗涤至无Cl-,用AgNO3检验。所得不溶物即为接枝到淀粉上的高分子，即得到接枝侧链。将其在烘箱中恒重，准确称重

（2）接枝率和其他相关性能测定

a)接枝率测定：接枝率是指1g淀粉所接枝的聚丙烯酸的量。

G=m2/(m1-m2)

式中：G—接枝率，g/g; m1—纯接枝共聚物；m2—接枝侧链

b)吸水率测定：吸水率是指1g吸水树脂所吸收的去离子水的量

室温下，称取干树脂样品0.1g放入500mL烧杯中，加入200mL的蒸馏水，快速搅拌均匀，静置吸水饱和（静置过夜），用100目尼龙丝网过滤至无水滴落，称量吸水后树脂，计算树脂的吸水倍率。

Q=(m2-m1)/m1

式中：Q—吸水倍率，g/g; m1—树脂凝胶干燥质量，g; m2—树脂凝胶充分吸水后的质量，g。