王向鵬，鄭云香，張春曉

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，山東 東營 257061)

顆粒粒徑對PAM吸水樹脂高溫下吸水性能的影響

王向鵬，鄭云香，張春曉

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，山東 東營 257061)

以丙烯酰胺為單體，四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，過硫酸銨為引發(fā)劑，制備了一種新型耐高溫吸水樹脂。對聚合條件進(jìn)行優(yōu)化并探討了顆粒粒徑對吸水樹脂在高溫下不同的溶液中吸水性能的影響。結(jié)果表明，最佳的聚合條件為：丙烯酰胺單體質(zhì)量.分?jǐn)?shù)為30%，過硫酸銨和四烯丙基氯化銨占單體丙烯酰胺的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別是0.12%、0.12%。在不同的溶液中，顆粒粒徑對吸水樹脂高溫下吸水性能的影響主要體現(xiàn)在吸水動力學(xué)方面，對吸水樹脂吸水平衡影響不大。此外，制備的新型耐高溫吸水樹脂表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽型能，150℃下在1 wt%的NaCl溶液中吸水倍率可達(dá)81g/g。

顆粒粒徑；吸水性能；耐高溫

吸水樹脂是一類非常重要的功能性高分子材料，與一般吸水材料相比，吸水樹脂可以吸收大量的水，在一定壓力下，吸收的水幾乎無法移動。由于其優(yōu)良的特性，被廣泛應(yīng)用于許多產(chǎn)品中，如一次性尿布、土壤、農(nóng)藝學(xué)和園藝、阻水帶、藥物輸送系統(tǒng)的藥物、吸水器等[1-3]。目前，關(guān)于吸水樹脂的研究大多是在常溫環(huán)境中，關(guān)于吸水樹脂在高溫環(huán)境下的應(yīng)用研究少之甚少，究其原因不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有吸水樹脂大多以N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑制備的，交聯(lián)酰胺鍵溫度較高時易水解。因此，研究一種耐高溫型吸水樹脂對于拓寬吸水樹脂的應(yīng)用范圍具有非常重要的意義。此外，吸水樹脂固體顆粒粒徑不同，對吸水樹脂的吸水性能也有很大影響，不同的使用環(huán)境對吸水樹脂固體顆粒粒徑的要求也不相同。研究粒徑對吸水樹脂吸水性能的影響對實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

本研究采用不含易水解化學(xué)鍵的四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，制備了一種適用于高溫環(huán)境的吸水樹脂。對聚合條件進(jìn)行優(yōu)化并重點(diǎn)探討了吸水樹脂顆粒粒徑對吸水樹脂在蒸餾水和NaCl溶液中的吸水性能，并對制備的新型耐高溫吸水樹脂進(jìn)行紅外結(jié)構(gòu)表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

丙烯酰胺(AM)、過硫酸銨(APS)、氯化鈉均為化學(xué)純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；四烯丙基氯化銨(TAAC)，分析純，山東魯岳化工有限公司。

1.2 吸水樹脂的制備

以其中一個聚合為例，將28.4g AM溶解在66.3g蒸餾水中，然后向混合體系中加入0.0256g APS和0.0341g TAAC，充分溶解后將混合溶液置于65℃水浴中，反應(yīng)3h后將將凝膠取出，108℃烘干并粉碎過不同目數(shù)標(biāo)準(zhǔn)篩，得到不同粒徑的吸水樹脂，備用。

1.3 性能測定

將一定質(zhì)量不同粒徑的吸水樹脂置于老化罐中，加入足量的蒸餾水或鹽溶液，密封后置于150℃下8h，然后冷卻至室溫，稱量凝膠質(zhì)量。

吸水樹脂吸水倍率Q=(凝膠質(zhì)量-吸水前固體質(zhì)量)/ 吸水前固體質(zhì)量

2 結(jié)果與討論

2.1 AM質(zhì)量濃度對吸水樹脂吸水性能的影響

在其他條件相同的條件下(m(APS)/m(AM)=0.12%、m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改變單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸水樹脂在蒸餾水中吸水性能的影響。AM加量較低時，吸水倍率較低。這是由于AM加入量過少，部分AM未參與交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致吸水樹脂中可溶性大分子較多，高溫下此部分全部溶于水，吸水倍率較低。當(dāng)AM加入量過大時，吸水樹脂自有網(wǎng)絡(luò)空間變小，大分子鏈彈性擴(kuò)張力變小，吸水樹脂吸水倍率也相應(yīng)降低[4]。

2.2 引發(fā)劑濃度對吸水樹脂吸水性能的影響

圖2是在其他聚合條件相同的情況下(單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，m(TAAC)/m(AM)=0.12%)，改變引發(fā)劑加量對吸水樹脂150℃下在蒸餾水中吸水性能的影響。從圖2中可觀察到，吸水樹脂吸水倍率隨引發(fā)劑加量的增大先變大后減小。當(dāng)引發(fā)劑濃度過小時，聚合體系中產(chǎn)生的活性自由基數(shù)目較少，吸水樹脂形成的有效三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較少，吸水倍率較低。反之，當(dāng)過多的APS加入聚合體系時，活性自由位點(diǎn)過多，一方面容易發(fā)生爆聚，另一方面，聚合速度過快時生成的聚合物分子量變小，吸水樹脂在高溫時部分表現(xiàn)出水溶性，吸水倍率降低[5-6]。

圖1 AM質(zhì)量濃度對吸水樹脂150℃下吸水性能的影響

圖2 APS加量對吸水樹脂150℃下吸水性能的影響

2.3 交聯(lián)劑濃度對吸水樹脂吸水性能的影響

圖3 TAAC加量對吸水樹脂℃下吸水性能的影響

圖3是在其他聚合條件一定的前提下(單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，m(APS)/m(AM)=0.12%)，加入不同劑量的TAAC對吸水樹脂吸水性能的影響。從圖中可以看出，交聯(lián)劑濃度對吸水樹脂吸水倍率的影響非常大。交聯(lián)劑加量太少，聚合時不能形成真正有效的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高溫環(huán)境下溶于水；當(dāng)TAAC加量過大時，交聯(lián)密度增加，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的自由空間變小，吸水倍率降低[7-8]。此外，本文所采用的TAAC交聯(lián)劑也是所制備的吸水樹脂耐高溫的主要原因，TAAC中沒有易水解的交聯(lián)化學(xué)鍵。

2.4 顆粒粒徑對吸水樹脂在150℃下在蒸餾水中吸水性能的影響

圖4是不同粒徑的吸水樹脂150℃下在蒸餾水中吸水倍率隨時間的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，吸水樹脂顆粒粒徑越小，吸水速率越快。顆粒粒徑較小時，吸水樹脂顆粒的表面積增大，與水接觸的面積變大，因此膨脹速度較快。此外，對于不同粒徑的吸水樹脂，雖然前期膨脹速率不同，但在吸水膨脹70min時均可達(dá)到最大膨脹倍率。因此，顆粒粒徑主要影響吸水樹脂吸水動力學(xué)，并不影響吸水樹脂吸水平衡。

圖4 不同粒徑吸水樹脂在150℃蒸餾水中的吸水倍率

2.5 不同粒徑吸水樹脂在1%的NaCl溶液中的吸水性能

圖5是不同粒徑吸水樹脂在150℃1% NaCl溶液中的吸水性能，吸水樹脂吸水倍率的變化規(guī)律與在蒸餾水中類似。顆粒粒徑越小，吸水速率越快，達(dá)到吸水溶脹平衡的時間越短。但與在蒸餾水中相比，吸水樹脂達(dá)到吸水平衡時吸水倍率降低較為明顯。這主要是由于樹脂與NaCl溶液的滲透壓比樹脂在蒸餾水中變小，吸水倍率下降。但所制備的吸水樹脂仍表現(xiàn)出良好的耐鹽性能，吸水倍率為81g/g。

圖5 不同粒徑吸水樹脂在150℃1%NaCl溶液中的吸水性能

2.6 紅外光譜

圖6是所制備的吸水樹脂的紅外譜圖，從譜圖中可以看出，945和1460 cm-1位置的峰是吸水樹脂中-CH2振動產(chǎn)生的，1619 cm-1位置的強(qiáng)吸收峰是由于酰胺鍵中的-C=O振動吸收造成的。此外，從聚合物光譜圖中觀察不到-C=C-的吸收峰，說明丙烯酰胺單體成功發(fā)生聚合反應(yīng)。

圖6 吸水樹脂紅外光譜

3 結(jié)論

(1)以丙烯酰胺為單體，四烯丙基氯化銨為交聯(lián)劑，成功制備了一種耐高溫型吸水樹脂。對聚合條件進(jìn)行優(yōu)化，最佳聚合條件如下：單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，過硫酸銨和四烯丙基氯化銨占單體丙烯酰胺的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別是0.12%、0.12%。150℃在蒸餾水中的吸水倍率為221g/g。

(2)吸水樹脂顆粒粒徑越小，吸水速度越快。顆粒粒徑影響吸水樹脂吸水動力學(xué)，但不影響吸水樹脂吸水平衡。

(3)所制備的吸水樹脂耐鹽型能優(yōu)良，150℃下在1%的NaCl溶液中吸水倍率可達(dá)81g/g。

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TheEffectofParticleSizeonWaterAbsorptionPropertiesofPAMAbsorbentResinatHighTemperature

WangXiangpeng，ZhengYunxiang，ZhangChunxiao

(College of Chemical Engineering， Shengli College， China University of Petroleum， Dongying 257061,China)

A novel high temperature resistant superabsorbent was prepared based on acrylamide，using tetraallylammonium chloride as crosslinker, ammonium persulphate as initiator. The synthesis conditions were optimized and the effect of particle diameter on water absorbency at different solutions was studied. Results showed that the best synthesis conditions were：the monomer mass concentration was 30%，the mass ratios of ammonium persulphate to acrylamide，tetraallylammonium chloride to acrylamide were 0.12%，0.12%，respectively. In different solutions, the influence of particle size on the water absorption properties was mainly reflected in the hydrokinetics, which had little effect on the absorption balance of the absorbent resin. In addition, the above superabsorbent showed the excellent salt resistance. The swelling ratio could reach 81g/g in 1 wt% NaCl solution at 150 ℃.

particle size; absorption;high temperature resistant

2017-09-30

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201713386033)

王向鵬(1989—)，山東東營人，助教，獲碩士學(xué)位，主要從事功能高分子材料相關(guān)研究。

TB34

A

1008-021X(2017)22-0027-02

(本文文獻(xiàn)格式：王向鵬，鄭云香，張春曉.顆粒粒徑對PAM吸水樹脂高溫下吸水性能的影響[J].山東化工，2017，46(22)：27-28,30.)