一种聚丙烯酸类超强吸水剂的制备和性能测试

李春香

摘要：以丙烯酸和聚乙二醇为原料，在对甲苯磺酸的催化下、氢醌为阻聚剂，利用二元醇与羧酸的酯化反应制得纯度较高的交联剂（聚乙二醇二丙烯酸酯），产率为74.37%。之后利用自由基引发的链式聚合反应制得丙烯酸-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物（即超强吸水剂）。经吸水试验测得所合成超强吸水剂对自来水的吸水倍率为85.19。

关键词：聚丙烯酸；交联剂；超强吸水剂；吸水倍率

1.引言

超强吸水剂指的是能迅速吸收重于其自身多倍的液态水而呈凝胶状的高分子功能材料，其保水性能非常好，即便是在高压的状态下它所吸收的水分也不会溢出。超强吸水剂是近些年以研发出来的一种高分子材料，它不仅不溶于水，而且它也不溶于其他有机溶剂，并且，还能将它重复利用，吸收氨、尿液、血液等[1-6]。超强吸水纸在已经广泛应用于医疗等方面，在农林[7]、园艺[8]、石油开采、矿山开采、日用化工、环境保护和食品加工等领域显示出广阔的应用前景[9]。

目前超强吸水剂主要有淀粉、纤维素和合成树脂（以聚丙烯酸为代表）等系列。其中，聚丙烯酸类超强吸水刺以其制备工艺简单、吸液性能优良而成为超强吸水剂中的主导产品。本文以丙烯酸、聚乙二醇为主要原料首先制备聚乙二醇二丙烯酸酯，然后以之为交联剂与丙烯酸共聚制备聚丙烯酸类超强吸水剂。

2.结果与讨论

2.1交联剂的合成与表征

2.1.1合成产率

制得的交联剂为浅棕色油状液体，25.98g，产率74.37%。分水得到约2.6mL水（理论分水量约为2.5mL，但由于分水器中的水层比较浑浊，说明其中含有苯）。

2.1.2交联剂的红外吸收光谱

利用红外吸收光谱对所制交联剂（聚乙二醇二丙烯酸酯）进行表征，如图1。

主要红外吸收峰有：2870.18cm-1（-C-H伸缩振动），1724.39cm-1（C=O伸缩振动），1636.01cm-1（C=C伸缩振动），1194.66cm-1（C-O-C不对称伸缩振动）。

图1为聚乙二醇二丙烯酸酯的红外光谱图，对比聚乙二醇的IR图谱可看出：合成的酯的红外光谱吸收中羟基的特征吸收已明显减小，在1730cm-1左右处出现新峰为酯羰基的伸缩振动所引起的特征吸收谱带，在1640cm-1左右处出现了C=C的特征吸收峰，在990cm-1左右处出现的峰为端烯烃的面外弯曲振动峰，在810cm-1处出现的峰为烯氢键的变性振动吸收峰。1283-1185cm-1左右处–C-O-C-反对称和对称伸缩振动峰没有变化，说明聚乙二醇的内部结构没有被破坏[3]。

分析结果表明：聚乙二醇与丙烯酸发生了酯化反应，生成了聚乙二醇二丙烯酸酯，转化率较高。

2.2超强吸水剂的吸收倍率

称取0.21g完全干燥的超强吸水剂，置于250ml水中，溶胀7天后，得到吸水后的超强吸水剂质量为18.10g。吸水倍率Q=85.19，结果表明制得的超强吸水剂的吸水性不好。

对于超强吸水剂的性能测试，共做了两次吸水实验。第一次是在超强吸水剂干燥4天时，吸水倍率为27.63；第二次是干燥11天时，吸水倍率为85.19。分析吸水倍率比较低，且前后不同的原因如下：

超强吸水剂的吸水性能与交联度息息相关：交联度过低，则未能形成足够多有效的网络结构，对水的容纳量自然少；交联度过高，导致聚合物网络空间变小，溶胀性变差，吸水率也随之减小。

影响吸水性能的因素主要有引发剂、交联剂用量、交联剂的分子量、反应温度、中和度、单体浓度等，其中引发剂、交联剂和反应温度对吸水性能影响较显著。综合各种影响因素，结合本实验过程和操作，分析吸水倍率低的原因可能有两个：一是单体浓度偏低，导致单体浓度偏低的原因可能是旋蒸并未完全除去苯，苯的残留量过大。二是前后干燥程度不同导致吸水倍率不同，同时可以得出，在一定范围内，干燥的时间越长，吸水倍率越好。

3.结论

本文通过酸催化下的酯化反应成功制得聚乙二醇二丙烯酸酯，产率为54.42%，并用红外吸收光谱表征，再以之为交联剂与被碱适度中和的丙烯酸在水溶液中共聚，合成了一种聚丙烯酸类超强吸水剂，吸水试验测得其吸水倍率为85.19。

4.实验部分

4.1丙烯酸的精馏

采用减压蒸馏的方法纯化丙烯酸（含氢醌阻聚剂），水浴加热，冰水浴收集32-36℃/3mmHg的馏分，放置冰箱中备用。

4.2交联剂（聚乙二醇二丙烯酸酯）的合成

在100ml三口瓶中分别装置氮气导入管、分水器、温度计，在分水器的上方依次装置冷凝管、氮气导出管及液封装置。

原料为聚乙二醇（27.5g）和丙烯酸（12.8g），对甲苯磺酸（4.5g）和氯化铜（32mg）作为反应催化剂，氢醌（99mg）作为丙烯酸的阻聚剂以防止丙烯酸自聚，另外加入34mL苯与水生成共沸物以降低水的沸点。同时，在分水器中加入适量的苯。

投料完毕后，通N2气保护，磁力搅拌，用电热套加热使体系温度在83-93℃，反应至无水分出（约2.5h）。结束反应，记录此时分出水的体积，约为2.6mL。再将反应液移至分液漏斗中，依次用20%NaCl溶液、5%NaOH和15%NaCl混合溶液、20%NaCl溶液各50mL洗涤3次。最后水层无色且显中性。再将溶液倒入干燥的锥形瓶内，加入4g无水MgSO4干燥过夜。滤去MgSO4，用旋转蒸发仪除去苯，得到交联剂。

4.3超强吸水剂（丙烯酸-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物）的制备

在100ml广口瓶中分别装置氮气导入管、温度计、氮气导出管及液封装置。

在一小烧杯中加入9.52mL丙烯酸、30g水，再加入碱（15mL7mol/mL氢氧化钠溶液，冰水浴冷却）中和。

往广口瓶中加入0.3g的交联剂-聚乙二醇二丙烯酸酯，再加入上述配好的混合液。通氮气30分钟后，用注射器加入水溶性引发剂（0.6mL的1%（NH4）2S2O8和0.3mL1%NaHSO3溶液），混匀。水浴加热，在40分钟内使体系温度上升至70℃，待体系粘度明显增大，则停止通氮气，密闭反应体系，继续在70℃反应至凝胶生成，最终得到透明凝胶状聚合体。取出，将其剪成细小块状，干燥至恒重，得到细小块状吸水剂。

4.4超强吸水剂吸收倍率的测定

準确称取一定量（0.21g）干燥的吸水剂，置于250mL自来水中，待溶胀至吸水饱和后，称取吸水后的吸水剂的重量。准确计算吸水剂的吸水倍率。（作者单位：北京师范大学化学学院）

参考文献

[1]Journal of Natural Gas Chemistry 251.

[2]Mining Science and Technology 864.

[3]Agricultural Sciences in China 2007，338.

[4]Yu，F；Sun，N；Guo，W.Zhang，J.Pei，M.Wang，Y.Wang，S.Shan Dong，Ji Nan；p 1.

[5]Yu，Z；Lei，J.Zhao，L.-q.Yun Nan，Kun Ming；p 6.

[6]Li，J；Ding，C.X.Luan，C；Qu，P.F.Ma，L.F.Journal of Beijing Institute of Technology 2007，98.