吸水性树脂的论文.docx

目 录1.前言-2.高分子吸水性树脂的发展及吸水机制-21 高吸水性树脂的发展史-22 高吸水性树脂的吸水机制-22.1 吸水机制的研究-22.2 高吸水性树脂的交联网络与水的作用-3.实验部分3.1 主要试剂-3.2 主要仪器-3.3 IPN的制备-3.4 IPN的吸水性能测试-4.结果与讨论4.1 优化结果条件的确定-5.2 IPN吸水率变化分析-4.3 MBA对吸水倍率的影响-6.结论-7.总结-8.参考文献-9.设计评语表-10.课程设计评分表-改性聚乙烯醇高吸水性树脂的制备1.前言超强吸水树脂是三维网络结构的高分子材料 1,它不溶于水而大量吸收水膨胀形成高含水凝胶。吸水树脂能够吸收具有自身数十倍乃至数千倍的水溶液, 它的吸液能力取决于自身性能以及溶液的性质。离子型吸水树脂比非离子型吸水树脂的吸水性能及保水性能显著提高,实用性也好,但耐盐性差。单一网络的树脂受单体结构的局限, 性能也相对较差,吸盐率较低。如何改善其结构的局限性提高其耐盐性能和吸水性能 2是目前该领域研究的重点。目前，高吸水性树脂已在工业、农业、林业、卫生用品等领域中得到广泛应用，并显示出更为广阔的发展前景。本次实验以聚乙烯醇 ( PVA ), 丙烯酸 (AA )和丙烯酰胺( AM )为原料, 通过水溶液聚合,合成综合性能优良的 PVA - P( AA - AM )三元体系共聚物。其结构为 PVA作为一种长链大分子贯穿于AA - AM 共聚物( CPAA )的交联网络中, 形成性能优良的互穿网络高吸水树脂(简称 IPN )。2 高吸水性树脂的发展及吸水机制2.1高吸水性树脂的发展史高吸水性树脂作为一种具有特殊功能的高分子化合物，它的起源在高分子化合物出现以后。1961年美国农业部北方研究中心从淀粉接枝丙烯腈首先开始研究，其后Fanta等人在前人研究工作的基础上开始继续进行了淀粉接枝丙烯腈的研究，发现接枝产物加碱水解后生成的产物具有优良的吸水性能，并于1966年首先发表了淀粉改性物质具有优越的吸水能力的论文，指出淀粉衍生物具有优越的吸水能力，吸水后形成的凝胶的保水性很强。首次开发成功后，世界各国对高吸水性树脂在体系、种类、制备方法、性能改进、应用领域等方面进行了大量的研究工作，并取得了一系列的 研究成果。1978年，日本三洋化成公司考虑到丙烯腈单体残留在聚合物中有毒性，卫生上不安全，所以提出了不痛的方法来制备高吸水性树脂，提出了淀粉丙烯酸，交联性的单体接枝共聚反应的合成方法，并于1979年在日本名古屋投产。我国高吸水性树脂的研究从20世纪80年代初开始，如湖南湘潭大学自1981年开展了合成吸水剂的研究，先后对淀粉系、纤维系、合成系的吸水剂性能和合成方法进行了研究，制备了淀粉接枝共聚丙烯腈皂化水解物、纤维素接枝丙烯酸盐、聚乙烯醇变性物，都具有优越的性能。2.2高吸水性树脂的吸水机制2.2.1吸水机制的研究吸水机制可分为两类：一类是物理吸附类，像传统的吸水性材料如棉花等，其吸水机制主要是毛细血管吸附原理，所以这类物质的吸水能力不高，只能吸收自重的几十倍的水，且一旦施压，所吸收的水分就逸出，保水性能差。另一类是化学吸附类，通过化学键的方式把水和亲水物质结合在一起成为一个整体。此种吸附结合很牢，加压也不易失去所吸收的水分。高吸水性树脂是具有三维空间网络结构的高聚物，所吸收的水分既有物理吸附，又有化学吸附。因此具有神奇的吸水能力，可吸收成百上千倍的水。当水与高聚物表面接触时，有三种相互作用：一是水分子与高分子中电负性强的氧原子间的氢键作用；二是水分子与疏水基团间的相互作用；三是水分子与亲水基团间的相互作用。高吸水性树脂处于凝胶状态时，胶体内外存在有三种状态的水，即结合水、束缚水、自由水。结合水被束缚在高分子凝胶网络中，不易脱离网络而去，因此，高吸水性树脂有很高分保水性。2.2.2 高吸水性树脂的交联网络与水的作用高吸水性树脂在结构上是轻度交联的空间网络结构，由化学交联和树脂分子链间的相互缠绕的物理交联构成。吸水前，高分子长链相互靠拢缠在一起，彼此交联形成网状结构，从而达到整体上的紧固程度。高吸水性树脂的吸水过程是一个很复杂的过程。吸水前，高分子网络是固态网束，未电离成离子对。当遇水时，亲水基与水分子的水合作用使高分子网束张展，产生网络内外离子浓度差。如高分子网络结构中有一定数量的亲水离子，就会在网络结构内外产生渗透压，水分子因渗透压作用向网络结构内渗透。同理，被吸附水中含有盐时，渗透压降低，吸水能力随之下降。由此可见，高分子网结构的亲水基离子是不可缺德。亲水离子对高吸水性树脂能够完成吸水全过程得动力因素。高分子网结构持有大量的水和离子，是影响高吸水性树脂吸水能力，加快吸水速度的另一个因素。吸收原理类成吸水机了大量的研究工作，并取得了一系列得树脂在体系，4444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444443.实验部分3.1 主要试剂AM；氢氧化钠；聚乙烯醇( PVA-124) ； N,N -亚甲基双丙稀酰胺(MBA )；过硫酸铵 (APS)；亚硫酸氢钠；以上试剂均为分析纯。AA,工业纯。3.2主要仪器三口瓶，冷凝管，烧杯，温度计，搅拌器等3.3 IPN的制备丙烯酸AA【20g(280mmol)】先用氢氧化钠水溶液部分中和（中和程度75%）后，按照设计的比例加入PVA及适量的丙烯酰胺AM及交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺MBA，于80加入过硫酸钠Na2S2O8及亚硫酸氢钠引发反应，保持聚合交联2h。将反应物转移到盘中放入干燥箱于105继续反应，干燥后取出凝胶减切后粉碎40目筛分备用。（目：单位面积上的方格数，一般是每平方英寸，1平方英寸=6.4516平方厘米）不加PVA，总单体质量浓度【总单体=m总单体g:m水L】25%,AM的摩尔分数【XAM=nAM:n总单体】1.5%,MBA的摩尔分数【XMBA=nMBA:n总单体】0.6%,其余反应条件同上，制备对照样品CPAA。3.4 IPN吸水性能测试采用茶袋法测试IPN在25的吸水量。用分析天平精确称取0.1g的干燥样品放入200目得滤布中，在搅拌的条件下加入定量体积的液体（蒸馏水或生理盐水），在不同时间间隔将茶袋提起，悬挂静置5min后称量。吸水（盐）率（gg）按下式计算：式中：Qeq为吸液平衡是的吸水率，Meq为吸液平衡后凝胶质量，M0为干燥树脂样品质量。（注释：茶袋法即将一定量的树脂放入茶袋中，浸入溶液，待吸液饱和后，测出吸液4 结果与讨论4.1优化结果条件的确定以IPN的吸水率为考察目标,总单体 /% ( A ),w PVA /% ( B) ,XAM /% ( C ) ,XM BA /% ( D )为考察因素,优化合成IPN的反应条件。固定 AA 20 g ( 280 mmol) , 其余反应条件同1.2,实验结果见表 1。由表1可见，各因素对IPN吸水性能的影响顺序为: D B C A; 合成IPN的优化反应条件为 D1B2C3A2。表1中无D1B2 C3A2组合, 由于总单体对IPN的吸水率影响较小, 故选择INP-3(吸蒸馏水148gg)。表1 正交试验结果*IPNA%总单体B%PVAC%XAMD%XMBA吸水率gg-1IPN-1A1(15)B3(20)C2 (1.0)D1（0.6）115IPN-2A2(20)B1(10)C1（0.5）D1142IPN-3A3(25)B2(15)C3（1.5）D3148IPN-4A1B2C1D2（0.8）125IPN-5A2B3C3D2123IPN-9A3B3C1D375AA 20 g(280 mmol)4.2 IPN吸水率变化分析由表 1可见, IPN的平衡吸水率随着交联剂用量的增加而降低,交联剂用量增大使得树脂交联密度加大,交联网络更为密集,使得共聚物链段减小所致 5。PVA从 10%增加到 15 % , IPN的吸水率略微提升, 但是当PVA增大到 20 %时, 吸水率下降迅速, PVA作为一种长链大分子贯穿于 CPAA的交联网络中, 形成半互穿聚合物网络 6, 存在两种亲水基团羧基和羟基的协同作用, 有利于改善树脂的吸水性能。但由于羟基的亲水性要弱于羧基,而且各种氢键的作用也受 PVA的影响,所以当 PVA达到一定程度时, 羟基的氢容易与亲水性羧基形成网络内氢键,使树脂亲水性下降,从而引起IPN吸水率下降。在不同总单体下,随 AM的增加, IPN的吸水率先增后减。当AM过高时, CPAA链不能达到完全伸展, 且酰胺基亲水性不如羧酸的特性也表现出来,使 I PN的吸水率下降。此外,各基团的协同作用、 各种氢键作用的相互影响都可能是这种现象产生的原因。当 总单体为 20 %时 IPN的吸水率较高; 总单体过低, 反应难以顺利进行或反应进行不完全,吸水率降低; 总单体过高,丙烯酸容易发生自交联反应,使交联密度增大,吸水率降低。4.3 MBA 含量对吸水倍率的影响下图显示了随着交联剂 MBA 浓度的变化,PVA-P( AM-AA)互穿网络树脂试样吸水倍率的变化。当交联剂 MBA 浓度从 2.0 *10- 3mol/ L 增加至6.2 *10- 3mol/ L 时,吸水倍率达到最大值; 继续增加MBA 浓度,则吸水倍率下降。这可能是由于随着交联剂浓度的增加,共聚物链段之间的距离减小所导致的, 故本实验中交联剂 MBA 浓度选择在6. 2 *10- 3mo l / L。 5结论对于合成的PVA-P(AA-AM)三元体系的半互穿网络高吸水性树脂IPN，PVAJ及交联剂浓度对IPN的吸水性能影响较大，实验结果还表明，加入适量的PVA，大大提高了树脂的吸水率。6.总结 为期两周的实验几乎是在失败中过完了。虽然做出来了成品，但是吸水效率相比预期的差了很多。不和那些做得特好的相比，就自己边上的同学，有的做出来的吸水率达到了300多倍，比我们的好了不止一倍。结果是让我们倍受打击。我们能做的可以做的都做了，我们的药品没有错误，量也没错，反应温度也控制得不差，可是实验就是不成功。越到后面越烦躁。夹杂了很多因素，实验不成功，又忙着准备期末考试。有时候实验失败了，真的是再做下去的想法都没有了。可是没得办法。和老师开玩笑的时候说我们这一组是悲剧组合，以前大大小小的实验不知道做了多少，可是成功了的基本上没多少。这次依然没有逃脱厄运。虽然结果不够理想，但是还是收获颇多吧。首先耐心得到了锻炼。面对一次一次的失败，我们的耐心几乎被耗尽。面对一次一次的失败，我们同组的同学彼此埋怨，对成功的坚持成了我们唯一的动力。其次，动手能力也得到了提高。我和另一个同学是一组，以前做实验很多时候都是在打酱油，但是这次我们向老师申请了两套仪器，我们分开独立做。我自己搭装置，自己称量药品，自己关注实验的进程。以前自己动手完整的搭一个装置都很少，但是这次我独立了，尽管实验是失败的。仔细想想，这才两个星期，明年的毕业实验动辄一个月甚至更长时间，我该怎么熬过去？那样的实验肯定不是一做就会成功的。所以更得做好心理准备。这次实验之前我以为会很容易的。只要按着步骤来，一定会做出成果来的，结果是一如既往的悲剧。不过，我相信，只要以后我们能一如既往的坚持，能够耐下心，静下心来做实验，历经失败以后我们一定能成功。两个星期的时间感触颇多，其实实验还是让我觉得有点恐惧的。自己的动手能力实在是不怎么行。不过以后我会更加努力，更加耐心的。最后，非常感谢几位老师对我们的耐心指导。感谢你们这两周时间一直和我们在一起，帮我们解决问题，不遗余力的对我们进行指导！7.参考文献 1 邹新禧. 超强吸水剂 M . 北京: 化学工业出版社，1991 .2 王正辉， 高琼芝. 高吸水树脂 P( AAAMG MA )的合成 J.合成化学， 2006 ， 14( 1): 77- 79 .3 邹俊，周海骏，郭伟杰. 互穿网络高吸水性树脂的合成及性能 J .化工新型材料，2005 ，33( 12): 54- 56 .4 马松梅，柳明珠，陈振斌. 氧化铝交联的耐盐性高吸水树脂的合成及性能 J. 应用化学，2004，21( 4): 388- 391 .5 褚建云. 半互穿网络聚丙烯酸高吸水树脂的合成