丙烯酸系高吸水树脂的高性能化研究

摘要

本文根据丙烯酸系高吸水树脂原料来源广泛、价格低廉、合成工艺简单、但容易老化、防潮性能较差等特点，提出丙烯酸系高吸水树脂的高性能化研究，研究了丙烯酸系高吸水树脂的成分与结构设计原则，并研究了丙烯酸系高吸水树脂的耐候性以及腐植酸对丙烯酸系高吸水树脂的改性作用和丙烯酸系高吸水树脂的核壳结构设计。 采用柔性大分子链理论探索吸水过程中高吸水树脂三维交联网络的变化及其与高吸水树脂相关性能之间的内在联系。高吸水树脂的吸水能力和凝胶强度取决于大分子链的柔性。高吸水树脂的交联密度越低，大分子链的柔性越强，其构象变化越容易，有效链长相应较大，吸水能力越强，但克服大分子链构象变化所需要的外部能量也越小，高吸水树脂的凝胶强度越低。高吸水树脂的颗粒形状对其吸水速度存在重要影响，溶液聚合法合成的高吸水树脂为不规则颗粒，吸水速度较慢；反相悬浮聚合法合成的高吸水树脂为均匀的球形颗粒，吸水速度较快。 提出采用N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂的丙烯酸系高吸水树脂的老化机理在于交联剂在紫外线的作用下水解，导致高吸水树脂的交联结构解体而失去吸水、保水性能；提出采用一定实验条件下的失重率作为高吸水树脂耐候性的评价指标，采用紫外光辐射法研究高吸水树脂的耐候性。丙烯酸系高吸水树脂的紫外线分解动力学研究表明，在紫外线强度较低的情况下，分解速度受紫外线强度控制，而在紫外线强度较高的情况下，分解速度受热反应控制。 研究了丙烯酸/丙烯酰胺共聚物高吸水树脂的耐候性。结果表明，增大交联剂用量、以及增大丙烯酰胺在丙烯酸/丙烯酰胺共聚物高吸水树脂中的含量、提高丙烯酸的中和度，可以改善丙烯酸/丙烯酰胺共聚物高吸水树脂的耐候性；引发剂和单体浓度对高吸水树脂的耐候性无明显影响。 研究了丙烯酸(钠)与甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)共聚制备高吸水树脂的吸水性能及其耐候性。结果表明.以过硫酸钾为引发剂，丙烯酸(钠)与甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)进行溶液共聚制备高吸水树脂，反应温度65～75℃，丙烯酸中和度为80﹪，反应时间4小时，引发剂用量0.04～0.06﹪，高吸水树脂具有较高的吸水能力；随HEMA以及交联剂用量增大，高吸水树脂的吸水能力下降。随反应温度升高、反应时间延长、丙烯酸中和度增大、HEMA用量以及交联剂用量增大、反应单体浓度升高，丙烯酸(钠)与甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)共聚物高吸水树脂的耐候性明显增强。 研究了过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂，丙烯酸(钠)与甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)共聚制备高吸水树脂的反应动力学行为。结果表明，丙烯酸(钠)的竟聚率(r1)为1.511，HEMA的竟聚率(r2)为8.348，单体的总反应级数为2，引发剂BPO的反应分级数为0.7434，共聚反应的表观活化能为86.86kJ/mol。 研究了腐植酸对丙烯酸系高吸水树脂的表面接枝及体内接枝改性作用，结果表明，腐植酸接枝改性可以改善高吸水树脂的耐盐性，腐植酸用量为7.5﹪时改性高吸水树脂的吸液倍率最高，腐植酸表面接技改性的高吸水树脂颗粒表面产生了层状膜，其防潮性能和吸水速度明显提高，而体内接枝改性的效果不明显。 丙烯酸(AA)-丙烯酰胺(AM)-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠(AMPS)三元共聚，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，SiO2为成核剂，采用反相悬浮和分步交联技术制备了具有核壳结构的高吸水树脂，结果表明，反应过程不结块，不粘壁，高吸水树脂颗粒均匀，在制备过程中采用先低温后高温的办法，可以有效地控制聚合反应。控制一定的成“壳”反应速度，使成“壳”反应的单体溶液在部分渗透进入“核”、但未能完全进入“核”之前完成反应，是形成核壳结构的关键。这种核壳结构的高吸水树脂，其防潮性能和吸水速度明显提高。

目录

文摘

英文文摘

论文的创新与贡献

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第1章 绪论

1.1研究背景及选题意义

1.2高吸水树脂的分类与应用

1.2.1高吸水树脂的分类

1.2.2高吸水树脂的应用领域及其对性能的要求

1.3高吸水树脂的吸水机理

1.3.1高吸水树脂的吸水热力学

1.3.2高吸水树脂的吸水动力学

1.4高吸水树脂的高性能化

1.4.1高吸水树脂的凝胶强度

1.4.2高吸水树脂的降解性

1.4.3高吸水树脂的耐盐性

1.4.4高吸水树脂的稳定性

1.4.5高吸水树脂的吸水速度

1.5存在的问题及论文研究目标与研究内容

1.5.1高吸水树脂研究中存在的问题

1.5.2研究目标

1.5.3主要研究内容

1.5.4课题来源

本章小结

第2章 高吸水树脂的成分与结构对其性能的影响

2.1前言

2.2大分子链的柔性及其对高吸水树脂设计的指导意义

2.3合成高吸水树脂的单体

2.4高吸水树脂的结构对其性能的影响

2.5实验结果与讨论

2.6高吸水树脂的吸水动力学

2.7本章小结

第3章 丙烯酸与丙烯酰胺共聚物高吸水树脂的耐候性研究

3.1前言

3.2理论部分

3.2.1丙烯酸系高吸水树脂的老化机理

3.2.2丙烯酸系高吸水树脂的紫外线分解动力学模型

3.3实验

3.3.1试剂及仪器

3.3.2高吸水树脂的制备

3.3.3高吸水树脂的耐候性测试

3.4结果与讨论

3.4.1丙烯酸系高吸水树脂的紫外线分解动力学特征

3.4.2辐射时间的影响

3.4.3单体配比的影响

3.4.4交联剂的影响

3.4.5引发剂的影响

3.4.6丙烯酸中和度的影响

3.4.7单体总浓度的影响

3.5本章小结

第4章 丙烯酸与HEMA共聚制备高吸水树脂及其耐候性研究

4.1前言

4.2实验

4.2.1试剂与仪器

4.2.2丙烯酸与HEMA共聚制备高吸水树脂

4.2.3丙烯酸与HEMA共聚反应动力学

4.3结果与讨论

4.3.1反应温度的影响

4.3.2反应时间的影响

4.3.3引发剂的影响

4.3.4丙烯酸中和度的影响

4.3.5单体配比的影响

4.3.6单体浓度的影响

4.3.7交联剂的影响

4.4结论

4.5丙烯酸与HEMA共聚制备高吸水树脂的反应动力学行为

4.5.1竟聚率的计算

4.5.2单体配比对总转化率的影响

4.5.3单体总反应级数

4.5.4引发剂的影响

4.5.5共聚反应的活化能

本章小结

第5章 腐植酸接枝对丙烯酸系高吸水树脂的改性作用

5.1前言

5.2实验

5.2.1试剂与仪器

5.2.2腐植酸表面接枝改性丙烯酸系高吸水树脂的合成

5.2.3腐植酸体内接枝改性丙烯酸系高吸水树脂的合成

5.2.4性能测试

5.2.5结构表征

5.2.6安息角的测定

5.3结果与讨论

5.3.1腐植酸的结构与性能

5.3.2腐植酸不同接枝方式对丙烯酸系高吸水树脂吸液能力的影响

5.3.3吸水时间对腐植酸改性丙烯酸系高吸水树脂吸水量的影响

5.3.4腐植酸接枝改性对丙烯酸系高吸水树脂吸湿性的影响

5.3.5腐植酸接枝改性对丙烯酸系高吸水树脂安息角的影响

5.3.6红外光谱

5.3.7外观形态

5.3.8腐植酸对丙烯酸系高吸水树脂的接枝改性机理

5.3.9腐植酸改性丙烯酸系高吸水树脂与同类产品的性能比较

5.4本章小结

第6章 高吸水树脂的核壳结构设计

6.1前言

6.2高吸水树脂核壳结构设计的理论基础

6.3实验

6.3.1试剂

6.3.2核壳结构高吸水树脂的制备

6.3.3测试方法

6.4结果与讨论

6.4.1单体组成的影响

6.4.2反应温度的影响

6.4.3丙烯酸中和度的影响

6.4.4 SiO2的影响

6.4.5红外光谱

6.4.6外观形态

6.4.7高吸水树脂核壳结构的形成机理与控制方法

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的发明专利

致谢