聚丙烯酸钠吸水性树脂的粘附性能测试及表征

蒋 磊，黄红军，万国顺，李志广，王 康，张东升

（1. 军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2. 驻743厂军代室，山西 太原 030027； 3. 吉林预备役步兵第四十七师，吉林 吉林 132000）

聚丙烯酸钠吸水性树脂的粘附性能测试及表征

蒋 磊1，黄红军1，万国顺2，李志广1，王 康1，张东升3

（1. 军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003；2. 驻743厂军代室，山西 太原 030027； 3. 吉林预备役步兵第四十七师，吉林 吉林 132000）

为探讨聚丙烯酸钠吸水性树脂的粘附性能，设计了一种对其粘附性能的测定方法并进行了测试及表征，讨论了不同实验条件对树脂粘附性能的影响。结果表明，该吸水树脂的粘附性能随吸水量、初始压力和分离速率的增加具有一定的变化规律，并根据高分子结构理论、粘接的机械互锁理论和应力松弛等理论进行了解释。

聚丙烯酸钠；吸水树脂；粘附；测试方法

聚丙烯酸钠吸水性树脂是一种广泛应用的合成树脂类吸附树脂，其具有吸水、吸湿量大，吸水速度快，合成简便，成本较低等优点。在工业、农业、医学等方面有较广泛的应用[1-2]。

在制备聚丙烯酸钠吸水性树脂的过程中，我们发现在其聚合完毕后，具有一定含水量的树脂常常粘附在反应容器内壁，极难取出；在吸水树脂的使用过程中，由于吸水性树脂易吸水、吸湿，其就造成粉碎好的树脂由于粘附作用又发生了团聚，影响其使用效果。因此，有必要对其进行研究，探讨出控制该性能的方法。本文将通过对其粘附性能的讨论和表征，来探讨其变化规律。并希望该研究结果有助于拓展吸水性树脂的应用领域。

1 实验部分

1.1 聚丙烯酸钠树脂的制备

在磁力搅拌条件下，用NaOH水溶液中和滴定丙烯酸(AA)溶液至一定中和度，将混合溶液置于70℃烘箱中加热1h，然后在70 ℃条件下，加入定量的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾，进行聚合与交联反应，反应约5 h，然后在100℃条件下干燥，产品性状为白色固体粉末。

1.2 材料的粘附性能测定

对于材料的粘附性能测定，常采用的测试方法有拉伸剪切强度测定法和剥离强度测试法等，但对于本文所制树脂来说并不完全适用。本文所制吸水性树脂，在测定粘附性能时并无固化过程，且为几乎无流动性的固体颗粒，难以涂布。故本文根据材料特性、用途及现有条件，以探头法[3]为基础，设计了一种测试方法，测试装置如图1所示。

1.3 粘附性能测定方法

将制备好的干燥树脂过140目筛，并均匀撒于有机玻璃试片上（厚度约0.5 mm）,向试片表面喷水至表面润湿，然后在90% RH的恒湿箱中放置30 min，待其充分溶胀后称重，计算其吸水倍率。重复喷水-溶胀-称重过程直至树脂吸水至所需倍数时，将试片固定在推拉力测试机台上，使探头向下移动并与树脂充分接触至一定压力值，然后以一定速率升起探头，使之与材料和试片分离，并读出拉力最大值，即为粘附力测定值。

图1 粘附性能测试装置示意图Fig.1 Sketch of adhesion properties test equipment

在测定材料的粘附性能时，实验参数（初始压力、分离速率等）对粘附力测定值有很大影响；另外，材料的吸水量也是影响粘附作用的一个重要指标[4]。因此在本文中，将重点考查初始压力、分离速率以及吸水量对材料粘附力测定值的影响。

1.4 红外光谱分析

采用SHIMADZU公司的FTIR-8900型红外光谱仪，以KBr压片法对合成产物进行红外光谱分析。

1.5 扫描电镜分析

扫描电镜分析用日立公司的S-4800型场发射扫描电镜进行，样品先进行表面喷金处理，再在一定扫描电压下观察样品的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 材料的红外光谱分析

图2所示为中和度为70%的树脂材料的红外光谱图。

图2 材料的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of sodium polyacrylate resin

在图2中，3 448 cm-1处出现了-OH的伸缩振动峰，1 560 cm-1和1 637 cm-1处为-COO-的伸缩振动峰，1 406 cm-1处为-COOH的伸缩振动峰，在792 cm-1处出现了-CH2-的变形振动峰，上述特征峰表明了聚合物中-COOH和-COONa基团的存在，材料应为聚丙烯酸钠高聚物。

2.2 材料的扫描电镜分析

图3所示为材料表面的扫描电镜照片。从图3中可以清晰看到树脂的无规则交联三维网状结构，而且在聚合物产物的结构中有较多的沟壑和孔隙，这种交联结构和表面的孔洞，使PAANa树脂有较大的比表面积和孔容，从而对水分具有很强的吸收性和容纳能力。因此可以推断，材料表面的结构在吸水后会更加舒展，也容易与被粘物表面充分接触，产生较强的分子间作用，并有利于机械互锁效应的形成，从而提高材料的粘附性能。

图3 材料的扫描电镜照片Fig.3 SEM photograph of sodium polyacrylate resin

2.3 材料吸水量对粘附性能的影响

吸水量对材料的粘附性能有很大影响，图4即为制备出的聚丙烯酸钠吸水性树脂材料在不同吸水倍率下测得的粘附力值变化。

图4 材料的粘附力值与吸水倍率的变化关系Fig.4 Effect of water absorbency on adhesion properties

由图4可见，当材料的吸水量较少时，材料的粘附力测定值随吸水倍率的增大而增大，当吸水倍率为2倍时，材料的粘附力测定值又呈下降趋势。这是因为材料少量吸水后，水分子的进入使高分子链间距增大，链端伸展，更易于在被粘附物体表面铺展和充分接触，降低了界面的表面能；而当材料大量吸水后，由于绝大部分的粘附界面都已被水分子所占据，材料表面的极性基团密度减少，材料间的界面结合力下降，从而使粘附力随吸水量增加而不断减小。

2.4 探头初始压力对材料粘附性能的影响

图5所示为材料粘附力随探头施加的初始压力的变化曲线，从曲线中可以看出，材料的粘附力随探头初始压力的增大而增大。这是因为，随着初始压力的增大，树脂材料与试片和探头的接触更加紧密了。

图5 探头初始压力对材料粘附力的影响Fig.5 Effect of probe pressure on adhesion properties

机械互锁理论认为：任何即使是肉眼看来非常光滑的物体在微观下仍是遍布沟壑、充满孔隙的，当胶黏物与之充分接触，填充了这些沟壑和孔隙，脱出时就会受到被粘物的阻碍，表现出锁—钥效应，从而增加能量消耗，使粘附强度增加[5]。增大初始压力无疑会有助于材料与基材的充分接触，从而增加了机械互锁力；同时，充分接触的另一个好处是使两种材料的接触面积增大，增强了界面相互作用，也使材料的粘附力增大。

2.5 分离速率对材料粘附性能的影响

图6为材料的粘附力随探头分离速率的变化情况，从图中可以看出，粘附力随分离速率的增加而增大，这种情况可以用应力松弛来解释。

应力松弛[6]是指材料中的应力随时间衰减的过程，即应力衰减的依时过程。应力松弛是聚合物中一种普遍存在的现象。当突加的外力作用在聚合物上时，在聚合物内部就产生了应力和应变，应变使聚合物中的各级位置偏离了平衡位置，为了降低应力，就必然要朝着应力降低的方向运动，因此随着时间的推移，应力逐渐降低。

图6 分离速率对材料粘附性能的影响Fig.6 Effect of separation speed on adhesion properties

在本实验的整个分离过程中，粘附界面的应力增加和应力松弛效应同时作用，所以应力增加过程和应力松弛过程是同时进行的。当分离速率较低时，由于分离较慢，应力松弛过程较长，故最后测得的粘附力也较小；当分离速率增加时，应力松弛过程越来越短，应力下降减少，材料就表现出接近于弹性体的性质，就导致粘附力值的增大。

3 结 论

（1）设计了针对吸水性树脂的粘附性能测试方法和测试主要指标，并考察了测试过程中的粘附行为。

（2）用红外光谱仪和扫描电镜对材料的组成和表面形貌进行了表征，确定了材料的组成和结构。

（3）讨论了材料吸水倍率与粘附力的变化关系，发现当吸水倍率为2倍时，粘附力最高。

（4）讨论了初始压力和分离速率对材料粘附性能的影响，并用并用高分子结构、机械互锁理论和应力松弛理论进行了解释。

［1］邹新禧.超强吸水剂 [M].第二版.北京:化学工业出版社，2002.

［2］马斐，程冬炳，王颖，等.聚丙烯酸类高吸水树脂的合成及吸水机理研究进展[J].武汉工程大学学报，2011,33(1): 4-9.

［3］Creton C, Leibler L. How does tack depend on time of contact and contact pressure[J]. Journal of Polymer Science. 1996, 34(3):545-554.

［4］黄卫宁，贾春利，李先玉，等. 食品(面团)体系表面胶粘性的流变学机理及其表征[J]. 食品与生物技术学报，2006，25(2)：120-126.

［5］余先纯, 孙德林. 胶黏剂基础[M]. 北京: 化学工业出版社. 2010.

［6］阿方萨斯 V. 波丘斯. 粘接与胶黏剂技术导论[M].原著第二版.北京:化学工业出版社, 2005．

Test and Characterization on Adhesion Property of Poly（sodium acrylate）Absorption Resin

JIANG Lei1，HUANG Hong-jun1，WAN Guo-shun2，LI Zhi-guang1，WANG Kang1，ZHANG Dong-sheng3
（1. Advanced Material Institute , Ordnance Engineering College, Hebei Shijiazhuang 050003，China; 2. Military Representative Office in No.743 Factory, Shanxi Taiyuan 030027，China; 3. No.47 Reserve Infantry Division, Jilin Jilin 132000，China）

In order to study the adhesion property of poly(sodium acrylate) absorption resin, a new test technique for adhesion property in swollen state was designed. Then influencing factors of the resin's adhesion property were discussed. The results indicate that adhesion property have some variation with the increase of water absorption, initial pressure and separation rate, and the phenomenon can be explained by the theory of polymer structure, mechanical interlock and stress relaxation.

Poly(sodium acrylate); Super absorption resin; Adhesion; Test technique

TQ 325.7

A

1671-0460（2011）12-1231-03

2011-10-27

蒋磊（1986-），男，吉林长春人，硕士研究生，研究方向：从事新型功能材料的研究。E-mail：jlddd03@126.com。