耐盐性吸水性聚丙烯酸盐树脂的制备和研究

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(南京林业大学理学院高分子材料与工程专业；南京林业大学理学院材料化学专业)

一、机理阐述

聚丙烯酸盐树脂是交联型的聚电解质，这类电解质溶于极性溶剂中时，就会产生离解，产生羧基负离子和很多无机离子。羧基负离子则与大分子链相连，难以扩散到水中，导致主链均为带有负电荷的羧基负离子。不过，其间产生的排斥力会扩张网络结构。钠离子在水中自由移动，但因为受到网络骨架上相反电荷的束缚、吸引，使得离子只能存在于骨架之中，这样网络内部的离子浓度会大于外部阳离子浓度，导致离子内外产生渗透压，再加上聚电解质本身水合能力强，水会在很短的时间里大量地进入网络中。

高吸水性树脂的吸水能力可用Flory公式定量表示：

吸水能力主要与树脂的亲水性、电解质浓度及交联度有关。吸收盐水时，网络内外的渗透压降低，同时考虑同离子效应、盐效应及外部离子的存在，抑制了离子基团的离解，网络结构由扩展态转变为蜷曲态。非离子型的高吸水性树脂的吸水性对盐环境的抵抗性较强，故吸水速度更快，可利用纳米纤维素制备纳米复合型聚丙烯酸盐，使亲水离子多样化，提高吸水性树脂的耐盐性。

二、实验流程

1.纳米纤维素的碱化处理

首先，称取纳米纤维素；其次，将纳米纤维素在超声仪中充分震荡均匀；最后，将纳米纤维素与氢氧化钠在低温的条件下反应30min，生成碱纤维素

2.聚丙烯酸盐树脂的制备

首先，称取一定量的丙烯酸；其次，将碱化后的纳米纤维素与一定量的过硫酸铵及N，N′—亚甲基双丙酰胺加入丙烯酸中；最后，将上述混合液滴加到石英槽中，置于紫外光辐照聚合装置中进行光照，产物取出后无需任何处理，得条状凝胶，密封封存

3.测试

取产品试样0.1g，加入到1000mL的烧杯中，放入500ml的去离子水，再静置，每隔1小时，用尼龙筛网，滤沥15min，以除去未吸附的水，按照下式计算试样的吸水率，当其吸水率维持不变时，停止测试，用同样的方法，换去离子水为生理盐水，求吸液率。

三、结果分析

1.引发剂用量对凝胶吸水性能的影响

(1)步骤。首先，取九份质量相同的0.4000g的碱化后的纳米纤维素放入烧杯中，均匀搅拌各加入3mL的AA，再分别加入纳米纤维素与引发剂的比例为：5、10、15、20、25、30、35、40、45的过硫酸铵，再加入0.019g的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，最后滴加到石英槽中，在紫外光照下反应3小时。将产物置于100℃的电热鼓风干燥箱中烘干至恒重。之后，测量每块水凝胶的吸水率(均吸水9小时)。

(2)结果分析。此种树脂的吸水率随着引发剂用量的增大，先减少后增加，有一极大值。由实验结果可得，在纳米纤维素与引发剂的比例在30时可合成吸水率较高的吸水性树脂。

2.交联剂用量对水凝胶吸水性能的影响

步骤：取五份相同质量0.400g的碱化的纳米纤维素放入烧杯中，加入20mL的蒸馏水，搅拌均匀，均加入3mL的AA，再加入0.0140g的过硫酸铵；依次加入交联剂的用量是丙烯酸的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺；最后滴加到石英槽中，在紫外光照下反应3小时；反应结束后，测量每块水凝胶的吸水率。

在一定的范围内交联剂用量有一最佳值，当交联剂含量为AA的0.6%时吸水率达到最大。当交联剂用量少时，交联不完全，交联的密度低，形成聚合的网络结构对水的吸收能力较差，导致吸水能力下降，故吸水率低。当交联剂用量增加时，水凝胶的交联程度增大，可以形成网络结构，水分子可以进入网络结构中，故吸水能力增强。但超过最佳交联剂用量时，交联密度过大反而使水凝胶的吸水能力降低。

3.吸水性和吸盐水性

实验表明，反应9小时，聚丙烯酸盐吸水树脂会达到饱和吸水率(400%)，11小时达到饱和吸盐水率(210%)。经过纳米纤维素复合后的聚丙烯酸盐树脂，对盐水具有了一定的吸收能力，具有较好的耐盐性。

四、结论

通过对纳米纤维素晶体的表面改性，能过改善其耐盐性。由实验可得最佳比例：纳米纤维素/AA=1/9(质量比)、纳米纤维素/引发剂=30、交联剂为AA的0.6%。