高吸水树脂的研究与制备

长江大学工程技术学院实验报告课程名称基础化学综合设计实验系部化学工程系专业班级应化60901班学生姓名吴冬姣班级序号25指导教师邓世英老师苏铁军老师时间2012.9.4~2012.9.251高吸水树脂的研究与制备1.选题背景现在对功能性高分子材料的研究和开发方兴未艾，这是由于功能性高分子材料具有独特的优良性能，极易在竞争中占领市场，高吸水树脂（SuperAbsorbentPolymer,SAP）就是其中的一种。传统的吸水材料如棉花、纸张、海绵、泡沫塑料等吸水倍率有限，一般只是自身重量的二十倍，且稍加挤压，极易失去水分，与之相比，高吸水树脂则具有独特的优势。它是一种含有羧基、羟基等强亲水性基因，并具有一定交联度网络结构的高分子聚合物，是一种特殊功能材料。它不溶于水，也不溶于有机溶剂，并具有独特的性能，通过水合作用能迅速地吸收几十倍乃至上千倍自身重量的水，也能吸收几十倍至100倍的食盐水、血液和尿液等液体，同时具有较强的保水能力，且吸水速率快，保水性能好，即使加压也很难把水分离出来。因此，高吸水树脂在石油、化工、轻工、建筑、医药卫生和农业等部门有着广泛的用途。例如用作堵水剂、脱水机、增粘剂、速凝剂、土壤改良剂、结露防止剂、保水剂、保鲜剂和防臭剂等，加入到纸浆和布中还可做纸尿布、纸餐巾、卫生巾等卫生材料。高吸水树脂的开发时间还不长，在理论研究、生产技术和经济效益方面，还需要进一步改进、提高和发展。例如：一般高吸水树脂有大约10％的可溶性成分，这是在使用中很不希望有的，需要改进，还需要合成更多新品种的高吸水树脂，扩大应用范围，降低生产成本，简化工艺流程，提高吸水能力，对于一些有希望的应用领域，应积累应用经验，使其达到实用化程度。在日本、美国、西欧等先进国家，高吸水树脂已有了十几年的应用历史。1978年日本实现了高吸水树脂的工业化生产，随后，美国Chemdal公司、日本住友精化、触媒化学公司、德国Stockhause、日本三洋化成、Dowchemica等数十家公司先后投产，1980年世界生产能力均为5kt，1990年生产能力增强到210kt，1998年已发展850kt，而到2000年，世界高吸水树脂生产能力迅速增加到1200kt左右。目前主要生产地区包括美国、日本、西欧，随着亚洲市场的扩大，有些公司在亚洲也建厂并投产，东南亚也将成为第四大生产区。我国从20世纪八十年代初开始了对高吸水树脂的研究工作，先后有40多个单位从事过高吸水树脂的研究，专利报道有几十项。目前我国高吸水树脂的生产能力在30kt/a左右，生产2企业近30家，但规模都不大，生产能力在1kt以上的仅7家。其中年产5kt的有：陕西华光实业有限公司、青海新型高分子材料有限公司、江苏国达高分子材料有限公司；3kt/a的有：保定科翰科技发展有限公司、唐山博亚科技发展有限公司、无锡佳宝卫生材料厂。我国人口众多，地域广泛，随着人民生活水平的提高和社会生活节奏的加快，高吸水树脂是一类很有前途的化工产品。这类新颖的功能性高分子材料，正在逐渐地充分显示出它广泛的发展前景。2.方案论证制备高吸水性树脂的方法有许多，如以淀粉、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸羟乙酯为原料接枝共聚来制备可降解型高吸水性树脂，或以淀粉接枝丙烯腈类或丙烯酸类，或用顺丁烯二酸酐作交联剂来制备聚乙烯醇类高吸水性树脂，或采用聚丙烯酸与高岭土杂化来制备，或采用反相悬浮聚合法来制备聚丙烯酸类吸水性树脂等。但由于反应时间、操作方便、实验室条件、绿色环保等角度考虑，我们选择用丙烯酸与丙烯酰胺共聚反应来制备聚（丙烯酸-丙烯酰胺)共聚物高吸水性树脂，该类聚合物除了具备高吸水性能外，其还具有生产成本低，工艺简单，产品质量稳定，长时间储存不会变质等特点，因此成为高吸水树脂产品的主流。具体方案如下：丙烯酸（AA）与丙烯酰胺（AM），用碳酸氢钠进行中和，N，N′—亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）作交联剂，用过硫酸钾作引发剂，进行溶液聚合生成聚（丙烯酸-丙烯酰胺)共聚物高吸水性树脂。其实引发剂可选用无机过氧类引发剂即过硫酸钾或水溶性氧化-还原引发体系即硫代硫酸钠-过硫酸钾，由于后者作为引发剂，在较低温度（5℃-7℃）下就能进行剧烈反应，不易控制，而使用过硫酸钾作为引发剂，在60℃-80℃下引发反应进行，易于控制，故选用无机过氧类引发剂即过硫酸钾作为引发剂。3.过程论述3.1仪器与试剂3.1.1药品丙烯酸、丙烯酰胺、过硫酸钾、N，N′—亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）、蒸馏水、碳酸氢钠。3.1.2仪器3DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、恒温水浴锅、电热鼓风干燥箱、电子分析天平（精确到0.0001）、烧杯、量筒、三口烧瓶、球形冷凝管、玻璃棒、剪刀、60目尼龙筛网等。3.2实验方法3.2.1制备方法在三口烧瓶中先加入1mL的丙烯酸，再加入45mL的蒸馏水，用0.6g的碳酸氢钠进行中和，再加入5g的丙烯酰胺，然后加入0.02gN，N′—亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）、0.25g过硫酸钾，搅拌均匀，反应体系升温到70℃，恒温不断搅拌，观察实验现象，如果三口烧瓶内液体有黏度或变浓稠，则需停止加热，取出产品冷却，用剪刀剪碎，放进真空干燥箱干燥，得高吸水树脂。3.2.2性能评价将合成并进行真空干燥的树脂，称取少量，放入烧杯中，加入一定量蒸馏水，过一段时间后，测其吸水陪率，吸水率高的则其性能好。3.3吸水倍率的计算吸水率(g/g)=（湿树脂量-干树脂量）/干树脂量4.结果分析用单因素试验法和正交试验法来确定最佳聚合条件，并通过测定产品的吸水倍率来表征。要确定的聚合条件有：投料比AA/AM（质量比）、引发剂用量、交联剂用量、反应温度、反应的中合度（碳酸氢钠与丙烯酸的摩尔比），及产品在表征时吸水时间与吸水倍率的关系。4.1投料比对树脂吸水倍率的影响4.1.1实验数据记录表一改变投料比序号AA/AM投料比(g/g)干树脂/g湿树脂/g吸水倍率/g10.21.4875.6450.1120.41.53102.5666.0331.01.51107.1969.7941.51.50244.27161.3752.01.54152.59152.594附：丙烯酰胺5g、交联剂0.02g、引发剂0.25g、中和度49.02％、反应温度70℃、蒸馏水45mL均保持不变，改变丙烯酸的量。4.1.2实验数据处理4.1.3数据分析及结论由图知，随着丙烯酸用量的增加，树脂的吸水倍率增大，这是因为羧基的吸水性大于酰胺基，随羧基的增多，吸水上升。实验结果表明投料比在3:2时树脂的吸水倍率较高，且丙烯酸用量增大，聚合反应易发生爆聚。4.2引发剂用量对树脂吸水倍率的影响4.2.1实验数据记录表二改变引发剂用量序号过硫酸钾/g干树脂/g湿树脂/g吸水倍率g/g10.151.5571.2845.1320.201.9395.0248.2330.251.4875.6450.1140.271.2862.2947.66附：丙烯酸1mL、丙烯酰胺5g、交联剂0.02g、碳酸氢钠0.6g（中和度49.02％）、蒸馏水45mL、反应温度70℃均保持不变，改变过硫酸钾的量。4.2.2实验数据处理54.2.3数据分析及结论由图知，随着引发剂用量的增加，树脂的吸水倍率先增加后减少。这是因为引发剂用量直接影响聚合反应速度和聚合物分子量，引发剂用量较少时，引发剂分解速度低，聚合反应速度低，单体转化率低，所以产物吸水倍率低；引发剂用量过多时，体系容易发生爆聚，使产物发生局部自交联，且生成低分子量聚合物较多，使树脂溶解性增大，吸水倍率下降。实验结果表明引发剂用量在0.25g时树脂的吸水倍率较高。4.3交联剂用量对吸水倍率的影响4.3.1实验数据记录表三改变交联剂用量序号交联剂/g干树脂/g湿树脂/g吸水倍率(g/g)10.0151.5274.6448.0220.0201.4875.6450.1130.0251.5281.6052.6640.0301.5187.1056.7250.0351.5288.7357.38附:丙烯酸1mL、丙烯酰胺5g、引发剂0.25g、碳酸氢钠0.6g（中和度49.02％）、蒸馏水45mL、反应温度70℃均保持不变，改变交联剂的用量。4.3.2实验数据处理64.3.3数据分析及结论由图知，随着交联剂用量的增加，树脂的吸水速率先增加后基本有减小的趋势。因为交联剂的用量直接影响聚合物交联度，影响高分子网络容积，导致吸水倍率改变，当交联剂用量增加很少时，交联度小，从而形成的网络结构易膨胀，吸水倍率增大。但当交联剂用量过少时，交联点密度大，网络点间的分子量小，溶胀时不易扩张，吸水倍率小。由于吸水性树脂是一种网络的含有吸水性基团的聚合物，只有分子量足够大的聚合物才能形成大小合适的分子网络。实验结果表明交联剂用量在0.03g时，树脂的吸水倍率较高。4.4聚合温度对树脂的吸水倍率的影响4.4.1实验数据记录表四改变聚合反应温度序号温度/℃干树脂/g湿树脂/g吸水倍率(g/g)1601.5454.1334.242651.4356.5338.673701.4875.6450.114751.2489.2571.095801.5476.5661.62附：丙烯酸1mL、丙烯酰胺5g、交联剂0.02g、引发剂0.25g、碳酸氢钠0.6g（中和度49.02％）、蒸馏水45mL保持不变，改变反应温度。4.4.2实验数据处理74.4.3数据分析及结论由图知，树脂的吸水倍率随着温度的上升先增加后下降。这是因为当温度上升时，聚合反应速度增大，但温度太高，易引起爆聚，导致产品中低聚物含量增加，可溶性组分增多，树脂的吸水倍率下降。不过，反应温度过低，聚合反应速度小，单体转化率低，产品可溶性组分增多，吸水倍率较低。实验结果表明反应温度在75℃时，树脂的吸水倍率较高。4.5中和度对树脂吸水倍率的影响4.5.1实验数据记录表五改变反应中和度序号碳酸氢钠/g中和度％干树脂/g湿树脂/g吸水倍率(g/g)10.6732551.5495.8661.2520.7344601.52119.4077.5530.7956651.0788.4081.6240.8568701.5196.0562.6150.6000751.4875.6450.11附：丙烯酸1mL、丙烯酰胺5g、引发剂0.25g、交联剂0.02g、蒸馏水45mL、反应温度70℃均保持不变，改变反应的中和度。4.5.2实验数据处理84.5.3数据分析及结论由图知，中和度增大，树脂的吸水倍率先增大后减少。因为中和度过低时，丙烯酸的含量高，聚合速度快，反应不易控制，易形成高度交联的聚合物，同时，低分子量的聚合物增多，使聚合物溶解性增大，高分子网络静电斥力和渗透压变小，故树脂的吸水倍率较低。但中和度过高时，聚合物中离子浓度增加，反应引发慢，增加树脂水溶性，导致吸水倍率下降。实验结果表明反应中和度在65％时，树脂的吸水倍率较高。4.6吸水时间与吸水倍率的关系4.6.1实验数据记录表六改变吸水时间序号时间/h干树脂/g湿树脂/g吸水倍率(g/g)11.01.0715.8713.8322.01.0525.6723.4534.01.0737.2633.8245.61.0761.3956.37517.31.0788.4081.62621.21.0588.9183.68724.71.0589.2183.96附：丙烯酸1mL、丙烯酰胺5g、引发剂0.25g、交联剂0.02g、中和度49.02％、蒸馏水45mL、反应温度70℃均保持不变，改变产品的吸水时间。94.6.2实验数据处理4.6.3数据分析及结论由图可知，产品表征时吸水时间能影响产品的吸水倍率，所以在表征产品时要保持各组的吸水时间相等。吸水倍率随着吸水时间的增加而增大，最后保持不变，为了更好的对产品进行表征，我们可以选择吸水时间在10h-18h，对产品进行测吸水倍率较好。5．总结5.1归纳和小结采用溶液聚合法，以丙烯酸、丙烯酰胺为原料，过硫酸钾为引发剂，N，N′—亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂，蒸馏水为溶剂，用碳酸氢钠来调节中和度，制得聚(丙烯酸-丙烯酰胺)共聚物