聚丙烯酸型高吸水树脂的合成及其吸水动力学研究

摘要

高吸水性树脂(SAP)是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度三维网状结构的水溶胀型功能高分子材料，由于其特有的高吸水性和保水性，高吸水性树脂已被广泛地应用于各个领域。本文以丙烯酸为单体，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵-亚硫酸钠氧化还原体系为引发剂，采用水溶液聚合法制备高吸水率的吸水树脂。以甘油为表面交联剂对制备的高吸水性树脂进行表面改性以增强其加压下吸盐水率以及吸水后的凝胶强度。研究了丙稀酸中和度、引发剂及交联剂用量对树脂吸蒸馏水和生理盐水性能的影响。研究结果表明，树脂的最高吸蒸馏水率为620.7g/g，相应的合成工艺条件为:丙烯酸中和度为0.74，氧化剂过硫酸铵与丙烯酸的质量比为0.2％，还原剂亚硫酸钠与过硫酸铵的质量比为1∶1，交联剂亚甲基双丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为0.013％。当丙烯酸中和度为0.74～0.78，交联剂与丙烯酸的质量比为0.013％～0.023％，过硫酸铵与丙烯酸的质量比为0.2％～0.3％，亚硫酸钠与过硫酸铵的质量比为1∶1时，制备的高吸水性树脂在常压和加压下同时达到较高的吸盐水率。 利用傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)对合成树脂的结构进行表征，利用热重分析(TGA)研究树脂的热稳定性和组份。研究结果表明，以丙烯酸（钠）为单体制备的吸水树脂是由丙烯酸聚合形成高分子链，高分子链通过交联剂连接而形成网状结构的高分子材料。材料中存在的组分有:水，残留单体丙烯酸，丙烯酸低聚物，低交联度的丙烯酸聚合物，高交联度的丙烯酸聚合物，其中交联的丙烯酸（钠）聚合物占产物总质量的比例约为80.77wt％，交联的丙烯酸聚合物从318℃开始分解。 基于Voigt-Kelvin粘弹性模型和Van't Hoff渗透压方程提出一个新的树脂吸水过程动力学模型。通过实验研究了温度，离子强度和交联度对树脂吸水动力学的影响;采用非线性拟合的方法，利用建立的吸水动力学模型对实验结果进行了回归，获得了树脂吸水率达到饱和吸水率95％所需的吸水时间τ95，水凝胶网络伸展抵抗能力即吸水势能参数p和水渗透抵抗能力即速率参数r。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 概述

1．2 高吸水性树脂的结构

1．3 高吸水性树脂的类型

1．3．1 天然聚合物系列

1．3．2 合成系列

1．4 高吸水性树脂合成方法

1．4．1 丙烯酸二聚体的影响

1．4．2 溶液聚合法

1．4．3 反相悬浮液聚合法

1．4．4 反相乳液聚合法

1．5 高吸水性树脂的性能改进

1．5．1 吸水速率和防潮性能

1．5．2 耐盐性

1．5．3 吸水后的凝胶强度

1．5．4 生物可降解性

1．5．5 单体残余量控制

1．6 高吸水性树脂的应用

1．7 高吸水性树脂的吸水理论

1．7．1 溶液热力学理论

1．7．2 Flory理论

1．7．3 凝胶相转变理论

1．8 高吸水性树脂吸水过程动力学研究

1．9 课题的提出与研究意义

第二章 高吸水性树脂的合成和表征

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 高吸水性树脂的合成方法

2．4 高吸水性树脂的表面改性实验

2．5 高吸水性树脂的性能测试

2．5．1 吸蒸馏水率(WD)的测定

2．5．2 常压下吸盐水率(Wp0)的测定

2．5．3 加压下吸盐水率(Wp)的测定

2．5．4 树脂保水率(WR)的测定

2．6 高吸水性树脂表征

2．6．1 红外光谱分析

2．6．2 热重分析

第三章 实验结果与讨论

3．1 工艺条件研究

3．1．1 反应条件对树脂吸蒸馏水率(WD)的影响

3．1．2 反应条件对树脂吸盐水率影响

3．2 吸水树脂的表面改性

3．3 高吸水性树脂的结构表征

3．3．1 红外光谱分析

3．3．2 热重分析

3．4 本章小结

第四章 吸水过程动力学研究

4．1 动力学模型的建立

4．1．1 Voigt-Kelvin粘壶模型

4．1．2 模型的改进

4．2 吸水动力学实验研究

4．3 吸水过程动力学研究结果

4．3．1 离子强度对吸水动力学的影响

4．3．2 温度对吸水动力学的影响

4．3．3 交联度对吸水动力学的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

硕士期间的科研成果

致谢