聚丙烯酸吸水树脂改性方法的探究

杨梦晶 丁杰 陈晓蕾 李镇伯(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730124)

0 引言

吸水树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)，即吸水剂，是一种新型功能高分子材料，具备超强的吸水性和保水性，是当今社会钻研的热门话题。水凝胶便是一个很好的例子，是由吸水剂吸水膨胀后得到的，一旦吸水就很难分离出来，即便加压也很难做到。“吸水剂”这个定义于1950年在美国提出，自1960年至今，世界上多个国家和地区已对新型高分子吸水材料投入了大量的科学研究工作，并取得了相应的成效，聚丙烯酸类吸水树脂是目前最常用的一类吸水剂。吸水剂作为一种环保节能型材料已在农林业，工业，医药，食品包装等领域中大量的应用。如今已发现了许多高分子吸水树脂的制备工艺，譬如接枝共聚，交联，嵌段共聚，乳液聚合以及悬浮聚合等。但传统的聚丙烯酸吸水树脂同样存在很多不足之处，如耐盐性差，吸水后的凝胶强度不够，保水性能不够好，降解性能差等缺点[1]。因而，对聚丙烯酸类吸水树脂进行改性成为材料科学研究的热门。

1 传统聚丙烯酸吸水树脂的制备

王中华等[2]采用水溶液聚合法，以丙烯酸为单体，过硫酸钾为引发剂，N,N-二甲基双丙烯酰胺为交联剂，制备出聚丙烯酸吸水树脂(表1)。

表1 聚丙烯酸吸水树脂的最佳合成条件及成效

2 常用的聚丙烯酸类吸水树脂的改性方法

2.1 蒙脱土改性聚丙烯酸类吸水树脂

蒙脱土，即我们所熟悉的“万能材料”矿物组分很多，同时具有诸多优良的性质，主要用于医药化工领域。李廷希等[3]采用水溶液聚合法，以丙烯酸，有机蒙脱土(OMMT)为单体，加入氢氧化钠，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸钾为引发剂，制得蒙脱土/丙烯酸高吸水性树脂。对产物进行结构表征(红外光谱，扫描电镜法)，探究了原料的配比对产品吸水性能的影响，优化了合成条件，结果显示当原料配比适当时，吸水率最高可达到727g/g。刘平生等[4]则采用插层法，将丙烯酸插入到蒙脱土片层中，使片层分离，加入引发剂和交联剂，以此制得纳米分级高吸水性树脂。对产物进行结构表征(傅里叶变换红外，X 射线衍射)，结果如表2 所示，其吸水率和吸盐率分别能达到1200g/g 和121g/g。

表2 蒙脱土改性聚丙烯酸类吸水树脂的最佳合成条件及成效

2.2 高岭土改性聚丙烯酸类吸水树脂

高岭土是一种非金属矿产，其诸多优良的性质决定了它在造纸，陶瓷，化工，国防等领域的广泛应用。张小红等[5]采用反向悬浮聚合法，以丙烯酸为单体，高岭土为填充剂，加入适量引发剂和交联剂，制备得到聚丙烯酸钠/高岭土复合高吸水性树脂，探究了聚合条件对产物性能得影响，结果如表3 所示，该复合吸水剂在吸水性和耐盐性方面都有很大的提高。李杰[6]采用了水溶液聚合法，以丙烯酸为单体，加入适量高岭土，引发剂和交联剂，制得高岭土/丙烯酸盐复合高吸水树脂，对其进行结构表征(红外光谱，扫描电镜，X 射线衍射，热重分析)探究合成条件对产品性能得影响，结果表明在高岭土添加量为丙烯酸质量的10%的条件下，丙烯酸单体浓度为35%,交联剂用量为单体质量的0.015%,引发剂用量为单体质量的0.25%，中和度为80%时，如表3 所示，其最高吸水倍率可达到728g/g，吸0.9%NaCl 溶液70.2g/g。

表3 高岭土改性聚丙烯酸类吸水树脂的最佳合成条件及成效

2.3 硅藻土改性聚丙烯酸类吸水树脂

硅藻土(硅岩石)其主要的组成部分是古代的硅藻遗骸。硅藻土分布范围广，储量丰富，提纯方法繁多，并且具有优良的吸水性，这一点可以很好的用于高分子吸水树脂的改性。同时硅藻土具有许多其它优良的性质，比如无毒，较好的悬浮性，吸附性，可调节湿度等。正是由于这些优良的性质，使其在城市污水处理，工业填料，农药业，室内装修等方面广泛应用。王永鹏等[7]采用水溶液聚合法，以丙烯酸和硅藻土为单体，在合成过程中加入适量的引发剂和交联剂，制备得到聚丙烯酸硅藻土复合高吸水性树脂，并测定其在盐溶液中的吸水率，以及在不同温度，不同时间下的保水率，结果如表4 所示。聚丙烯酸硅藻土复合高吸水性树脂在盐溶液中的吸水率和保水率都有所提高，但保水率会受到温度和时间的影响。

表4 聚丙烯酸硅藻土复合高吸水性树脂在盐溶液中的性能参数

2.4 淀粉接枝共聚改性聚丙烯酸类吸水树脂

淀粉是高分子碳水化合物，属于均多糖，物理性质繁多，其化学性质与葡萄糖没有太大区别，淀粉的应用十分广泛，在生活中也很常见，利用其优良的物理和化学性质，在聚丙烯酸类吸水树脂的改性方面取得了重大突破。张荣明等[8]在聚丙烯酸类吸水树脂的合成方法之上在单体中加入非离子以及阳离子单体进行接枝共聚，制备得到耐盐性树脂，并与普通树脂比较，结果表明，耐盐树脂在不同盐溶液中的吸水量比普通树脂好很多，而且当丙烯酸中和度控制在70%～80%时，吸水率最大，并且有较好的耐酸性，耐碱性和耐盐性，同时还提高土壤的吸水和保湿性能，降低了土壤容重，调节空气及热量的分布。廖列文等[9]摒弃以往常用的淀粉与丙烯酸钠接枝共聚的方法，以玉米淀粉和丙烯酸为单体，选择过硫酸铵为引发剂，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用聚合与干燥一步合成淀粉接枝丙烯酸钠超强吸水剂，通过一系列的性能测试，最终结果表明其生理盐水加压保水率可高达75%～90%，远大于传统聚丙烯酸吸水树脂。

3 结语

聚丙烯酸吸水树脂的改性仍是当今社会一大热门的研究话题，经蒙脱土，高岭土，硅藻土和淀粉改性后的复合吸水树脂在吸水性，保水性，耐盐性等方面都有了很大的提高，除此以外还有秸秆，聚天冬氨酸等对聚丙烯酸吸水树脂的改性，正是这些改性方法合成了各种复合吸水剂，弥补了传统聚丙烯酸吸水树脂诸多性能上的缺点，使其能够更为广泛的应用于各大领域。但或多或少还是存在一些问题，还有很多改性方面的问题值得我们研究，提升空间很大，应用前景也很广阔，相信在今后，聚丙烯酸类吸水树脂会更加广泛的应用于各个领域，为人类的生产生活创造更多便利。