水溶液法制備丙烯酸樹脂學習

1、水溶液法制備丙烯酸樹脂專業(yè)方向課程設計（合成工藝設計）題目:水溶液法制備丙烯酸類吸水性樹脂課程設計任務書課程設計題目：水溶液法制備丙烯酸類吸水性樹脂一?課程設計內容及設計要求:1 .查閱文獻資料，了解丙烯酸類吸水性樹脂水溶液法的制備，設計實驗方案；2 .研究交聯(lián)劑對吸水樹脂吸液倍率的影響；3 .研究引發(fā)劑對吸水樹脂吸液倍率的影響；4 .研究中和度對吸水樹脂吸液倍率的影響；5 .研究淀粉接枝反應對吸水樹脂洗液倍率的影響；6 .歸納、分析總結實驗研究數(shù)據(jù)，撰寫課程設計報告。三?課程設計時間安排：3月11日至3月22日3月11日-3月13日上午查閱文獻，設計實驗方案，指導老師檢查方案的合理性;3月1

2、3日下午-3月20日實驗研究；3月21-22日實驗結果分析、討論、撰寫設計報告。四?主要參考資料：1韓枚江，改性聚丙烯酸類吸水性樹脂性能比較及在植物種植中的應用研究J.化工新型材料）20172韋愛芬，朱其虎.淀粉基高吸水性樹脂的制備及性能研究J.輕工科技，2017目錄水溶液法制備丙烯酸類吸水性樹脂1 .前言：41.1 高吸水性樹脂簡介41.2 淀粉基高吸水性樹脂42 實驗部分62.1 實驗試劑與儀器62.1.1 實驗試劑62.1.2 實驗儀器62.2 實驗過程62.2.1 丙烯酸高吸水性樹脂的制備62.2.2 淀粉基丙烯酸高吸水性樹脂的制備62.3 吸水倍率的測定73 結果及討論73.1 交聯(lián)

3、劑用量對樹脂吸水倍率的影響73.2 引發(fā)劑用量對樹脂吸水倍率的影響83.3 中和度對樹脂吸水倍率的影響93.4 淀粉用量對接枝樹脂吸水倍率的影響104 結論11參考文獻11水溶液法制備丙烯酸類吸水性樹脂摘要：本實驗運用溶液聚合法，采用丙烯酸，氫氧化鈉作為主要反應試劑？并添加過硫酸鏤（引發(fā)劑）；N,N-亞甲基雙丙烯酸酰胺（交聯(lián)劑）制取丙烯酸類高吸水性樹脂,并研究了引發(fā)劑用M、交聯(lián)劑用M、中和度、淀粉接枝，這四個因素，進行組測定自來水吸水速率的實驗，找出最優(yōu)條件。關鍵詞：丙烯酸系高吸水性樹脂；溶液聚合法；淀粉接枝；吸水倍率；1.刖言：1.1高吸水性樹脂簡介高吸水樹脂是一類含有親水基團和交聯(lián)結構的大

4、分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得。按原料劃分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纖維素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等）幾大類。其中聚丙烯酸系高吸水樹脂較淀粉系及纖維素系相比，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、吸水能力強、產(chǎn)品保質期長等一系列優(yōu)點，成為當前該領域的研究熱點。目前世界高吸水樹脂生產(chǎn)中，聚丙烯酸系占到80%高吸水聚合物是上世紀60年代末發(fā)展起來的。1961年美國農(nóng)業(yè)部首次將淀粉接枝于丙烯腈，制成一種超過傳統(tǒng)吸水材料的HSPAN淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本率先將高吸水聚合物用于一次性尿布，從此引起了世界各國

5、科學工作者的高度重視。上世紀70年代末，美國提出用放射線處理交聯(lián)各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型高吸水聚合物，其吸水能力達到2000倍，從而打開了合成非離子型高吸水聚合物的大門。1983年，日本又采用丙烯酸鉀在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下，進行聚合制取高吸水聚合物。之后，又連續(xù)制成了各種改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系。上世紀末，各國科學家又相繼進行開發(fā)，使高吸水聚合物在世界各國迅速發(fā)展。聚合方法主要有：本體聚合法、溶液聚合法和反相懸浮聚合法等。本體聚合法由于反應熱難以排除，加上聚合物出料難，用于實驗室合成偏多。反相懸浮法以溶劑（油相）為分散介質，水溶性單體在懸浮劑和強烈攪

6、拌作用下，分散成懸浮水相液滴，引發(fā)劑溶解在水相液滴中而進行的聚合反應?溶液聚合法反應單體和引發(fā)劑等在適當?shù)娜軇┲羞M行聚合，聚合工藝簡單，單體轉化率高，吸水能力和保水能力強，最主要是制備工藝具有物耗低、能耗低、污染小的特點，是一種符合環(huán)保節(jié)能的制備方法，特別適合于工業(yè)化生產(chǎn)。本實驗主要采用溶液聚合法來合成丙烯酸系高吸水性樹脂。1.2 淀粉基高吸水性樹脂淀粉系高吸水性樹脂是之淀粉與乙烯基單體在引發(fā)劑的作用下經(jīng)輻射制得吸水性淀粉接枝共聚樹脂。淀粉系吸水性樹脂（SAR的主鏈骨架是淀粉，在其主鏈上或接枝側鏈上含有親水性基團（-OH,-COOH,-CONH等），經(jīng)輕度交聯(lián)形成一個具有主鏈、支鏈和低交聯(lián)度的

7、三維空間網(wǎng)絡結構。淀粉系SAR除具有一般SAR勺吸水容M大、吸水速度快、保水能力強等優(yōu)點外還具有生物可降解性。，被認為是一種環(huán)境友好材料。淀粉接枝丙烯酸類吸水性樹脂主要是淀粉接枝丙烯酸、甲基丙烯酸或其他烯脛竣酸。它的制備原理包括離子型接枝共聚和自由基型接枝共聚。淀粉與乙烯基單體接枝共聚物的制備，一般米用自由基引發(fā)，即通過一定的方式，先在淀粉的大分子上產(chǎn)生初級自由基，然后引發(fā)接枝具有不飽和鍵的單體，使淀粉的大分子上產(chǎn)生初級自由基，然后引發(fā)接枝具有不飽和鍵的單體，使淀粉自由基與其發(fā)生親核連鎖反應。引發(fā)淀粉成為自由基的手段主要有物理方法和化學方法兩大類。物理法主要是用電子HjC=CH-COONaHj

8、C=Cfl COQti束或放射線性元素的射線照射淀粉成自由基，再與乙烯基單體反應；化學法是指利用氧化還原反應等引發(fā)淀粉成自由基，再與具有不飽和鍵的單體反應。淀粉接枝聚丙烯酸的反應過程如：CH2OHCOCHCOONaCOOH淀粉接樹脂的吸是吸水能力強有時自由基會在單體上形成，得到不含淀粉的單體聚合，即均聚物。實驗中,枝共聚物為接枝聚合物和均聚物的混合物，越高的接枝率使得均聚物越少。水性主要與其化學結構及聚集態(tài)中極性基團的分布狀態(tài)有關。為防止吸水性樹脂在吸水時發(fā)生溶解，往往在合成時加入交聯(lián)劑，使分子鏈之間發(fā)生交聯(lián)反應。樹脂網(wǎng)絡大的結構因素，樹脂網(wǎng)絡的親水集團是其吸水的動力因素。淀粉接枝丙烯酸類吸水

9、性樹脂的吸水能力可以看成是通過水中的高分子電解質的離子電荷相斥而引起的伸展和由交聯(lián)結構及氫鍵而引起的阻止擴張的相互作用所產(chǎn)生的結果。1.3 高吸水性樹脂吸水原理高吸水性樹脂的吸水原理：高吸水性樹脂一般為含有親水基團和交聯(lián)結構的高分子電解質。吸水前，高分子鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結構，從而達到整體上的緊固。與水接觸時，因為吸水樹脂上含有多個親水基團，故首先進行水潤濕，然后水分子通過毛細作用及擴散作用滲透到樹脂中，鏈上的電離基團在水中電離。由于鏈上同離子之間的靜電斥力而使高分子鏈伸展溶脹。由于電中性要求，反離子不能遷移到樹脂外部，樹脂內外部溶液間的離子濃度差形成反滲透壓。水在反滲透壓的作

10、用下進一步進入樹脂中，形成水凝膠。同時，樹脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結構及氫鍵作用，又限制了凝膠的無限膨脹。高吸水樹脂的吸水性受多種因素制約，歸納起來主要有結構因素、形態(tài)因素和外界因素三個方面。結構因素包括親水基的性質、數(shù)M、交聯(lián)劑種類和交聯(lián)密度，樹脂分子主鏈的性質等，樹脂的結構與生產(chǎn)原料、制備方法有關。交聯(lián)劑的影響：交聯(lián)劑用M越大，樹脂交聯(lián)密度越大，樹脂不能充分地吸水膨脹；交聯(lián)劑用M太低時，樹脂交聯(lián)不完全，部分樹脂溶解于水中而使吸水率下降。吸水力與水解度的關系：當水解度在6085%寸，吸收M較大；水解度太大，吸收M下降，其原因是隨著水解度的增加，盡管親水的竣酸基增多，但交聯(lián)劑也發(fā)生了部分水解，使交聯(lián)網(wǎng)

11、絡被破壞。形態(tài)因素主要指高吸水性樹脂的主品形態(tài)。增大樹脂主品的表面，有利于在較短時間內吸收較多的水，達到較高吸水率，因而將樹脂制成多孔狀或鱗片可保證其吸水性。外界因素主要指吸收時間和吸收液的性質。隨著吸收時間的延長，水分由表面向樹脂產(chǎn)品內部擴散，宜至達到飽和。高吸水樹脂多為高分子電解質，其吸水性受吸收液性質，特別是離子種類和濃度的制約。在純水中吸收能力最高；鹽類物質的存在，會產(chǎn)生同離子效應，從而顯著影響樹脂的吸收能力；遇到酸性或堿性物質，吸水能力也會降低。電解質濃度增大，樹脂的吸收能力下降。2型驗部分2.1 實驗試劑與儀器2.1.1 實驗試劑表1實驗試劑藥品規(guī)格生產(chǎn)廠家過二硫酸鉀AR西隴化工股

12、份有限公司N,N亞甲基雙丙烯酰胺AR天津市光復精細化工研究所可溶性淀粉AR永大化學試劑有限公司氫氧化鈉AR永大化學試劑有限公司丙烯酸AR大茂化學試劑廠2.1.2 實驗儀器表2實驗儀器儀器型號生產(chǎn)廠家電子天平CP213奧豪斯儀器（上海）有限公司恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S鞏義市予華一起有限責任公司2.2 實驗過程221丙烯酸高吸水性樹脂的制備丙烯酸樹脂：取35mL蒸儲水、10mL丙烯酸于100mL燒杯中，取4g氫氧化鈉用適M水溶解逐滴緩慢滴加至丙烯酸溶液中，使其中和度為75%,加入0.24g交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，0.2g過硫酸鉀引發(fā)劑，不斷攪拌宜至溶解完全，然后將燒杯放入溫度65C

13、的恒溫水浴中，1h后停止反應；取小塊反應產(chǎn)品粉碎干燥。2.2.2淀粉基丙烯酸高吸水性樹脂的制備淀粉基吸水性樹脂：稱取淀粉1g置于100mL小燒杯中，加入純水10mL調成淀粉乳，邊攪拌邊加入4gNaOH與6mL配置而成的溶液，使淀粉完全糊化溶解取35mL蒸儲水、10mL丙烯酸于100mL燒杯中，逐滴加入淀粉氫氧化鈉溶液，使其中和度為75%,加入0.24gN,N-亞甲基雙丙烯酰胺，0.2g過硫酸鉀，不斷攪拌宜至溶解完全，然后將燒杯放入溫度65E的恒溫水浴中，1h后停止反應；取小塊反應產(chǎn)品粉碎干燥。2.3 吸水倍率的測定本實驗采用自然過濾法，取0.2g完全干燥后的樣品，放入過M的水中，靜置8h,使樣

14、品完全吸水，用紗布過濾出多余的水，稱重。Q=(W2-W1/W1W1一干凝膠質M(g),W2吸水后凝膠質M(g),Q吸水倍率(g/g)3結果及討論3.1交聯(lián)劑用量對樹脂吸水倍率的影響本組探討交聯(lián)劑用M對樹脂吸水倍率的影響，在中和度為75%引發(fā)劑用M為2%本體質M的條件下，改變交聯(lián)劑用得出如下表格:、吸液倍率丙烯酸(g)交聯(lián)劑用量(衿吸前m1(g)吸后m2(g)(g/g)103.531.04918.55收集于網(wǎng)絡，如有侵權請聯(lián)系管理員刪除2010 0.00.51.01.52.02.53.0交聯(lián)劑用量（%3.54.0。 O 。 。 O 。8 7 6 5 4 3 吸液倍率75%交聯(lián)劑用M不同的產(chǎn)品，測

15、102.991.10625.9122.43102.421.19144.436.28101.411.22567.7154.27100.511.22788.4871.1100.291.49124.96182.87100.151.4912079.54表3-1交聯(lián)劑用M與吸液倍率數(shù)據(jù)由圖3-2中可以看出，隨著交聯(lián)劑用M的增加，所得產(chǎn)品的吸水性先增加且在交聯(lián)劑用M為本體3%寸達到峰值而后減少，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因為當體系不加交聯(lián)劑時，聚合物是線性分子，不能新橙三圍空間網(wǎng)絡結構，樹脂的交聯(lián)密度增大，逐漸形成有效的吸水網(wǎng)絡結構，樹脂的吸水率也相應的增加并達到最大值；當交聯(lián)劑用M過多時，交聯(lián)密度打打增加，教

16、練點之劍的網(wǎng)鏈變短，形成的網(wǎng)絡微孔變小，使得水分子難以進去其中，樹脂分子的伸展收到閱知，從而導致吸水率開始下降。90圖3-2交聯(lián)劑用M對樹脂吸水倍率的影響3.2 引發(fā)劑用量對樹脂吸水倍率的影響本組試驗探討引發(fā)劑用M對樹脂吸水倍率的影響，在中和度為為2.4%的本體質M的條件下，改變引發(fā)劑用從而得到引發(fā)劑用M吸水倍率得數(shù)據(jù)表格:丙烯酸（g）引發(fā)劑用量（%）吸前m1（g）吸后m2（g）101.081.03944.6741.99101.511.03345.1542.71101.751.08948.343.35101.991.10148.1142.70102.591.11647.2141.30103.0

17、71.10445.8640.54表3-3引發(fā)劑用M與吸液倍率數(shù)據(jù)由上數(shù)據(jù)繪制引發(fā)劑和吸液倍率線形圖3-4,由圖標可知，隨著引發(fā)劑用M的上升，所得吸水樹脂的吸水性先增大，而后減少，且在引發(fā)劑用M為本體的1.75%時到吸水性最佳，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因為當引發(fā)劑M小時，引發(fā)活性中心少，反應不完全，導致吸水率低，隨著引發(fā)劑的用M的增加，分子鏈上的引發(fā)活性中心增多，反應效率變高，所以產(chǎn)物的吸液率也隨之增加，但是過M的引發(fā)劑也會誘導但體檢的均聚反應的反應，均聚程度的增加會導致吸液率下降，從圖3-2中可以看出，引發(fā)劑與單體的最佳質M比為1.75%43.5率倍液吸1.03.01.52.02.5弓I發(fā)劑用量(

18、%O 43.42O 42.5 14O T- 4400.53.5圖3-4引發(fā)劑用M對樹脂吸水倍率的影響3.3 中和度對樹脂吸水倍率的影響本組探討中和度對樹脂吸水倍率的影響，在中和度為75%引發(fā)劑用M為本體2%交聯(lián)劑用M為本體2.4%的條件下，改變中和度，得出如下表格：中和度(吸前ml(g)吸后m2(g)吸液倍率(g/g651.03544.5542.04701.12950.2743.53751.04845.6742.58801.19749.3440.22851.06742.7239.04圖3-5中和度用M對樹脂吸水倍率實驗數(shù)據(jù)由圖上可知，在其它條件不變的情況下，中和度為70%寸，產(chǎn)物的吸水性最佳作

19、為合成吸水性樹脂的單體聚丙烯酸，未中和時其酸性較強，聚合速度快，聚合反應不易控制，而且由于其pH值較低，吸水性樹脂在水中難以溶脹，不能產(chǎn)生良好的吸水性能，因此聚合之前需用堿液中和處理，將一COO基團變?yōu)橐籆OO-Na+這樣得到的吸水性樹脂與水接觸時，離子型的親水基團一COO-Na發(fā)生電離，一COO固定與分子鏈上，Na+成為動離子，前者間的靜電斥力使網(wǎng)絡結構發(fā)生擴張，而為了維持電中性Na+不能向外部溶劑擴散，導致Na4樹脂網(wǎng)絡內外的濃度差，由此產(chǎn)生滲透壓使水分子進一步滲入，這樣就可以吸收大M的水，其次，由于離解后網(wǎng)絡中的一COO之間與Na+之間同性離子濃度的增加，產(chǎn)生斥力使高分子網(wǎng)絡溶脹能力被加

20、強，同時網(wǎng)絡中的親水基團一COO-Na+、一OH都可以和水形成相互作用，因此具有較高的吸水性能。隨著網(wǎng)絡的擴張，其彈性收縮力也增加，逐漸抵消陰離子間的靜電斥力，而且交聯(lián)的網(wǎng)狀結構和聚合物內部的氫鍵抑制高分子鏈的無限擴張，最終達到吸水平衡。44率倍液吸396570758085O中和度（%圖3-6中和度對樹脂吸水倍率的影響3.4淀粉用量對接枝樹脂吸水倍率的影響本組探討中和度對樹脂吸水倍率的影響，在中和度為75%引發(fā)劑用M為本體2%交聯(lián)劑用M為本體2.4%的條件下，探討淀粉用M接枝后樹脂的吸水性，得出如下表格：淀粉用量(力)吸前ml吸后m2 (g)吸液倍率(g/g)(g)1.1862.1151.64

21、9101.361.3872.1675.7752.0653.9111121.31.4169.7965.2152.6845.25圖3-7淀粉用M對樹脂吸水倍率實驗數(shù)據(jù)由上圖可得，在一定范圍內使用淀粉做接枝反應的吸水性均好于普通聚合的產(chǎn)物，這是由于淀粉大分子鏈是由葡萄糖?；貜蛦卧B接構成，每個葡萄糖?；杏?個羥基，由于羥基較多，增加了分子內和分子間形成氫鍵的可能性，致使淀粉較易出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象。接枝支鏈的引入，消耗了一部分羥基。另外，接枝支鏈使淀粉大分子排列松散，增大了大分子鏈間的距離，使得分子鏈的空間結構打打增加，且淀粉中存在大M親水基團，使得吸水性進一步加強。52率倍液吸48464489101112淀粉用量（圖3-8淀粉用量對樹脂吸水性的影響4結論本研究就水溶液法合成丙烯酸系高吸水性樹脂的影響因素進行了探索，對合成高吸水性樹脂進一步研究有著十分重要的意義。此方法合成的產(chǎn)品活性高，耐鹽性好，制作簡單。產(chǎn)品使用后長期置于空氣中能夠自行降解，綠色環(huán)保，無毒。產(chǎn)品有廣泛用途，并且市場前景好。通過實驗確定了采用水溶液法用淀粉、丙烯酸合成高吸水性樹脂的最優(yōu)工藝條件：丙烯酸與淀粉作為主要反應試劑，氫氧化鈉作為助劑，并添加過硫酸鏤（引發(fā)劑）；N,N一亞甲基雙丙烯酸酰胺（交聯(lián)劑）制取聚丙烯酸類高吸水性脂。當在引發(fā)劑用M為丙烯酸的1.75%;