聚丙烯酸水凝膠的合成及基本性能的測定

綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目:聚丙烯酸水凝膠的合成及基本性能的測定A1組聚丙烯酸水凝膠的合成及基本性能測定摘要：交聯(lián)聚丙烯酸系高分子合成時(shí)，先用氫氧化鈉堿溶液使丙烯酸部分中和。再加入引發(fā)劑，得到反應(yīng)液。并測定吸水率、溶解度等性能，關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚丙烯酸系高分子；吸水效率;高吸水性；水凝膠前言1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^交聯(lián)丙烯酸鈉高吸水性的合成，掌握其合成方法。根據(jù)對其性能測試，了解影響高吸水樹脂的性能因素。1.2實(shí)驗(yàn)原理水凝膠是一種高分子網(wǎng)絡(luò)體系，性質(zhì)柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。凡是水溶性或親水性的高分子，通過一定的化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)，都可以形成水凝膠。交聯(lián)聚丙烯酸系高分子的合成主要以丙烯酸或丙烯酸酯為單體進(jìn)行聚合，后者還需在聚合后進(jìn)行水解，也可以上述單體與丙烯酰胺,丙烯酸酯或醋酸乙烯酯等非離子性單體進(jìn)行共聚，以調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的親水和疏水部分。本實(shí)驗(yàn)采用溶液聚合法，通過較高濃度的部分中和的丙烯酸鈉自交聯(lián).用氧化還原引發(fā)劑，合成具有一定交聯(lián)度的聚丙烯酸鈉。中和度一般控制在50-90%，PH3-9。單體濃度則必須高于40%，否則無法完成交聯(lián)；但過高會(huì)引起散熱問題，易于爆聚。反映溫度過低，難于發(fā)生自交聯(lián)，嚴(yán)重影響性能；而過高則聚合物分子量低且分布寬；一般控制于80-250°C。1.3性能指標(biāo)高吸水樹脂的性能主要表現(xiàn)在：⑴吸水率及吸水速度；⑵保水性；⑶穩(wěn)定性；⑷機(jī)械強(qiáng)度；⑸增粘性；⑹安全性吸水率是高吸水性樹脂的最基本性能指標(biāo)，即單位重量樹脂的飽和吸水量。除取決于吸水樹脂的組成，結(jié)構(gòu)，形態(tài)，分子量及交聯(lián)度外，還受到被吸液體的組成，性質(zhì)等不同程度的影響，特別是液體中的電解質(zhì)鹽類及PH值的影響很大。溶液中含有無機(jī)鹽，或酸（堿）性較強(qiáng)，都使吸水能力顯著降低。因此對于含鹽的血液，尿液等的吸水率都比吸純水率降低。因?yàn)檠虻群}類0.9%，故高吸水樹脂對0.9%-1%的生理鹽水的吸收能力基本可反映對血液及尿的吸收能力，也成為一個(gè)重要吸收性能指標(biāo)。吸水速度也是一個(gè)表示吸水能力的重要性能指標(biāo)，即單位重量吸水劑在單位時(shí)間內(nèi)吸收的液體體積或重量，可用吸水量與吸水時(shí)間的關(guān)系曲線來描述。吸水率，吸水速度的測定多用自然過濾法或紙袋法.前者秤取一份或數(shù)份樣品，分別在液體中浸泡不同時(shí)間乃至飽和，然后用篩網(wǎng)濾去多余液體后稱量，后者是將一定量的吸水劑放入紙袋中后浸入液體，每隔一段時(shí)間或待飽和后取出稱重.保水性是指高吸水樹脂吸水后,在自然狀態(tài)下或在一定壓力等條件下水分仍不流失，這是由于吸水后的水凝膠在空氣中表面干燥而形成膜，抑制了內(nèi)部水分進(jìn)一步分散,同時(shí)高吸水樹脂吸收的水分與高分子形成的是氫鍵,蒸發(fā)消耗能量比自由水高，因而干燥速度明顯下降，可將一定量樹脂吸水飽和后的水凝膠放置在一定濕度的大氣環(huán)境中，通過測定不同時(shí)間的重量而得到.高吸水樹脂在水中分散后因吸水而形成水凝膠，表觀粘度明顯增加，可用粘度計(jì)測定溶解度的測定可按下述方法進(jìn)行:將一定量干燥樹脂加入一定量純水中，在50°C下攪拌8小時(shí)，過濾得到液體a和水凝膠，用適量丙酮凝集水凝膠后再過濾，得到液體b.將a,b干燥后稱重，即為初始樹脂樣品中可溶部分的重量，與初始樹脂樣品總重量的百分比即為溶解度高吸水樹脂用于醫(yī)療衛(wèi)生及食品包裝時(shí)，其生物相容性及安全性非常重要.1.4應(yīng)用及其展望聚丙烯酸系高分子（包含其堿金屬鹽）由于其骨架上含有大量活性羥基，因而具有親水性。其中線型或支鏈型產(chǎn)物是一種水溶性高分子，可用作聚電解質(zhì)及絮凝劑，在水處理、土壤改良、石油開采、電化學(xué)等領(lǐng)域有所應(yīng)用；而具有不同交聯(lián)度的交聯(lián)型聚丙烯酸系，吸水后不會(huì)溶解，而是溶脹成水凝膠，除了用作高分子催化劑（固體酸）、離子交換樹脂、吸附性樹脂、螯合性樹脂，在有機(jī)合成、化學(xué)分析、物質(zhì)分離、食品加工及制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用之外，更因其優(yōu)越的吸水性能而成為應(yīng)用最多的合成高吸水性材料，在農(nóng)林園藝、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑裝飾、食品及日化等行業(yè)都獲得了普遍應(yīng)用。其中作為應(yīng)用較多的生物醫(yī)用材料之一，交聯(lián)聚丙烯酸系水凝膠可以具有與生理組織相接近的水分含量，聚合所引入的殘余單體、引發(fā)劑等易于洗去，具有良好的生物相容性，在制造軟性接觸眼睛、藥物釋放載體、生物粘附劑、濕布藥用基材、軟組織相容材料、醫(yī)療器械等方面都有良好發(fā)展前景。實(shí)驗(yàn)材料及方法2.1儀器及原材料2.1.1儀器表1儀器儀器規(guī)格生產(chǎn)廠家數(shù)量燒杯1000ml1燒杯500ml1燒杯250ml3燒杯100ml1燒杯50ml2機(jī)械攪拌裝置1溫度計(jì)100C1量筒100ml1滴管2表面皿1玻璃棒1手套1加熱攪拌裝置1電動(dòng)研磨機(jī)1烘箱1尼龍篩網(wǎng)6分析天平12.1.2試劑表2試劑名稱分子式生產(chǎn)廠家丙烯酸C3H4O2氫氧化鈉NaOH過硫酸胺(NH4)S2O8亞硫酸氫鈉NaHSO3甘油C3H8O3去離子水h2o氯化鈉NaCl丙酮ch3coch32.2實(shí)驗(yàn)用量計(jì)算丙烯酸C3H4O2m=60gM=72.06n]=m/M=60/72.06=0.83mol因?yàn)閱误w濃度=55%叫*055=60g所以m1=109g由此得出配丙烯酸所用的水的質(zhì)量=109-60=49gV1水=49ml氫氧化鈉 n=q*40%=0.332mol m=n*M=0.332大40=13.28g因?yàn)閱误w濃度=35%m=13.28/0.35=37.9gm水=37.9-13.28=24.62gV2水=24.62ml2.3合成過程⑴.天平稱取氫氧化鈉13.3克。加入42克水，制成氫氧化鈉水溶液。⑵.稱取0.14克過硫酸銨和0.01克亞硫酸鈉，分別用少量水溶解。⑶.在燒杯中稱取丙烯酸60克，開動(dòng)攪拌，滴加⑷.將上述溶液放入大燒杯中，加入甘油2.5毫升。⑸.升溫到40°C后滴加過硫酸銨，亞硫酸鈉，隨反應(yīng)體系黏度增大，攪拌困難時(shí)停止攪拌。當(dāng)反應(yīng)混合物由白色渾濁凝膠狀變成透明時(shí)，停止反應(yīng)。從聚合開始至3小時(shí)反應(yīng)溫度升至70Co⑹.將反應(yīng)物至于烘箱中，180C干燥2ho⑺.將干燥樹脂研磨成粉末后，用80目篩網(wǎng)過篩，得到兩種粉末，顆粒較細(xì)的樣品為A，另一樣品為B，均置于干燥器中保存。2.4性能測定2.4.1測吸水率，吸水速度。⑴.將6張篩網(wǎng)標(biāo)號后測量重量。⑵.稱取6分，每份0.3克左右樹脂粉末A樣品。⑶.分別在純水中浸泡2.5.10.20.40min，乃至飽和。用篩網(wǎng)過濾掉多于水分后稱重。⑷.用B樣品重復(fù)上面操作，并記錄，繪制吸水量-時(shí)間關(guān)系曲線。2.4.2.測吸鹽水率、吸鹽水速度配置0.9%濃度的氯化鈉水溶液，代替純水重復(fù)（1）?（3）測定過程。2.4.3.測吸熱水率用樣品組份多的組，分別用37°C的純水和0.9%濃度的氯化鈉水溶液代替純水，重復(fù)（1）~（3）的測定過程。2.4.4測溶解度（1） 稱取一定重量的B組樣品加入一定量純水中，在50C下攪拌8小時(shí)，過濾得到液體a和水凝膠。（2） 用適量丙酮凝集水凝膠后再過濾，得到液體b。（3） 將a,b干燥后稱重，計(jì)算兩個(gè)重量之和。其與樣品初始重量的百分比即為溶解度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1合成過程合成配方如圖3表3 交聯(lián)聚丙烯酸系高分子實(shí)驗(yàn)配方表格藥品實(shí)驗(yàn)用量實(shí)際用量丙烯酸60g60g氫氧化鈉溶液（35%）13.28g0.01甘油0.024g42過硫酸銨0.020g0.02g+0.02g亞硫酸氫鈉0.010g0.010g去離子水49g42g合成現(xiàn)象如圖4表4 交聯(lián)聚丙烯酸系高分子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表格時(shí)間(min)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象0開動(dòng)攪拌，把氫氧化鈉倒入丙烯酸透明溶液5加入甘油和過硫酸銨溶液透明溶液10在溫度40C時(shí)加入亞硫酸銨鈉溶液透明溶液5060C補(bǔ)加0.02過硫酸銨13075C溶液變粘稠17080C冒煙同時(shí)發(fā)出啪啦響聲，變?yōu)榈S色18080C凝固產(chǎn)物為淺黃色凝膠塊產(chǎn)品內(nèi)部存在氣泡，可能由于加熱過高3.2性能測定及影響因素3.2.1吸水率，吸水速度表5 80目聚丙烯酸鈉粉末浸泡純水中不同時(shí)間的吸水率（25C）t/min025102040飽和吸水率/%0311312257192263279

根據(jù)圖1可以分析出，樣品在前2分鐘的吸水率迅速達(dá)到高值，2分鐘到20分鐘吸水率有所下降，可能由于本次試驗(yàn)取樣量過少，在篩網(wǎng)過濾水凝膠的過程中水凝膠損失的比例便相對較大，影響到2分鐘到20分鐘的試驗(yàn)結(jié)果，但從2分鐘到飽和，曲線基本穩(wěn)定。說明80目聚丙烯酸鈉樹脂會(huì)很快吸收大量水分之后，吸水率便會(huì)保持穩(wěn)定不變。3.2.2測吸鹽水率，吸鹽水速度（0.9^濃度的氯化鈉水溶液25°C）表6 80目聚丙烯酸鈉粉末浸泡純水中不同時(shí)間的吸鹽水率（25C）t/min025102040飽和吸鹽水率/%0385422385409429364圖2聚丙烯酸鈉樹脂吸鹽水率與時(shí)間的關(guān)系曲線時(shí)I'間min根據(jù)圖1可以分析出，樣品同樣在前2分鐘內(nèi)稀鹽水率迅速達(dá)到高值，2分鐘到飽和基本保持穩(wěn)定。根據(jù)圖1和圖2綜合，吸鹽水率高于吸純水率，可能由于測鹽水速率時(shí)，是第二次使用篩網(wǎng)，篩網(wǎng)沾水面積比第一次更大，而且樣品取樣過少，導(dǎo)致殘留的水對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響過高，誤差過大。最后形成吸鹽水率比吸純水率高。

實(shí)際應(yīng)該吸鹽水率明顯降低，因?yàn)辂}中離子破壞分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響吸水性。3.2.3樣品在37°C水和37°C鹽水中的吸收量表7 80目聚丙烯酸鈉粉末浸泡純水中不同時(shí)間的37C吸水率和吸鹽水率名稱吸水率（%）吸鹽水率（％）A樣品707630圖337%吸純水率與吸鹽水率對比720吸水率,7「07700680吸收量/%640吸耳源水率，630620600580吸水率 吸鹽水率根據(jù)圖3可以分析出，37C時(shí)，吸純水率和吸鹽水率對比25C時(shí)都有所上升，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度是影響聚丙烯酸鈉樹脂的影響因素，并且吸水率隨溫度的增加而增加3.2.4樣品的溶解度表8 80目聚丙烯酸鈉粉末浸泡純水中不同時(shí)間的溶解度名稱初始重量（g）干重（甘）a0.7570.998b0.7579.36m富ma+mbT0.34g溶解度=10.34/0.757=1366%由數(shù)據(jù)可知：b溶體的干重比a溶體干重大很多可知，a的溶解度大于b溶體溶解度，樹脂B的吸水性比丙酮凝集水凝膠大。3.2.5單體濃度對吸水性能的影響表9 單體濃度對吸水性能的影響組別A1B5C9單體濃度M%556575中和N%4025C吸水率％279185162吸鹽水率％3646573337C吸水率％706194195吸鹽水率@630145198

圖4單體濃度對吸水性能的影響單體濃度％25°C吸水率％ 25°C吸鹽水率% 37°C吸水率%37°C吸鹽水率%根據(jù)圖4可分析出，有三條曲線都是隨單體濃度的增加而吸水率逐漸減小，25C吸鹽水率在65%單體濃度我達(dá)到最大值，和其它3條線趨勢明顯不同，可能是由于實(shí)驗(yàn)誤差造成走勢圖不同，所以忽略，同時(shí)3條曲線在單體濃度達(dá)到65%的時(shí)候吸水率不再快速下降，而是趨于平緩。這說明單體濃度在55%的時(shí)候吸水率隨單體濃度的增加而逐漸減小，當(dāng)達(dá)到65%的單體濃度時(shí)，吸水率趨于平緩，基本保持不變，說明單體濃度是影響吸水率的因素。3.2.6中和度對吸水性能的影響表10 中和度對吸水性能的影響組別AiA2A3A4單體濃度M%55中和度4050607020C 吸水率％27916411038664吸鹽水率％36444657935937C 吸水率％70620663433178吸鹽水率％6306881665163圖5中和度對吸水性能的影響中和度％25￡吸水率 25￡吸鹽水率37￡吸水率37￡吸鹽水率根據(jù)圖5可以分析出，4條曲線都在中和度在50%到60%之間時(shí)，吸水率出現(xiàn)最大值，說明在一定范圍內(nèi)，吸水率是隨中和度的增加而增加的，當(dāng)達(dá)到最大值之后，吸水率隨中和度的增加而減小，說明中和度同樣是