聚(丙烯酸-丙烯酰胺)高吸水剂的溶胀 聚(丙烯酸-丙烯酰胺)高吸水剂的溶胀

聚(丙烯酸-丙烯酰胺)高吸水剂的溶胀

  • 期刊名字:石油化工高等学校学报
  • 文件大小:822kb
  • 论文作者:花兴艳,王源升,赵培仲,朱金华
  • 作者单位:海军工程大学理学院,海军工程大学训练部
  • 更新时间:2020-10-26
  • 下载次数:
论文简介

第19卷第4期石油化工高等学校学报Vol. 1 92006年12月JOURNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIESDec.2006文章编号:1006-396X2006)4-0051-05聚(丙烯酸丙烯酰胺寫高吸水剂的溶胀花兴艳,王源升2,赵培仲1,朱金华11.海军工程大学理学院湖北武汉430033;2.海军工程大学训练部湖北武汉430033)摘要:采用反相悬浮聚合法合成了聚丙烯酸一丙烯酰胺RAA-MM)滈高吸水剂。采用NN-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂合成了交联剂摩尔分数分别为0.0247%0.0536%.0779%的3种不同的RAA-AM通过对民AA-AM舶溶胀动力学测试研究了交联剂摩尔分数和溶胀介质对溶胀性能的影响以及初始溶胀速率溶胀速率常数溶胀指数溶胀系数和溶胀介质在水凝胶体系内的扩散行为。结果表明(AA-AM在去离子水中的溶胀度为150~752g/g在质量分数为3.0%的NaCl水溶液中的溶胀度仅为31~43g/g其溶胀凝胶中的平衡含水率为95.24%~99.86%溶胀速率常数随交联剂浓度、介质盐浓度的増大而增大擿着溶胀介质盐浓度的增大溶胀指数堿小而溶胀常数却增大級水过程符合非rick扩散水的传输杋理受扩散控制和松弛控制两种作用的共同影响但松弛控制起主导作用。关键词:高吸水剂;聚丙烯酸-丙烯酰胺);溶胀;动力学;扩散中图分类号:TQ317文献标识码:ASwelling of Superabsorbent Resin R AA-AM)HUA Xing-yan', WANG Yuan-sheng, ZHAO Pei-zhong, ZHU Jin-hua'(1. College of science Naal University of Engineering Wuhan Hubei 430033, P.R. China2. Administrative Office of Training Natl University of Engineering, Wuhan Hubei 430033 P.R. ChinaReceived 22 May 2006'revised 2 September 2006; accepted 23 October 200Abstract: Superabsorbent resin P( AA-AM) was prepared by reverse polymerization in aqueous solution of acrylamideThree different R AA-AM )were synthesized using multifunctional crossliker-N, N- methylenebisacrylamide with mole fractionof 0. 0247%1 0536%0 0779% respectively. In the dynamic swelling test the influence of crosslinker mole fraction and salt inthe swelling environment on the swelling properties the initial swelling rate swelling rate constant swelling exponent swellingcoefficients and diffusional behaviour in the hydrogel systems were examined. The results show that swelling ratio of R( AA-AM )is150-752 g/g in ion-free water, while swelling ratio is 31-43 g/g in NaCI aqueous solution with the mass fraction of 3. 0%. theequilibrium water content is in the range of 95, 24%99.86%, swelling rate constant increases with the increase of crosslink agentand the salt in the environment with the increase of the salt in the environment the swelling exponent decreases but the swellingconstant increases. The water intake of hydrogels follows a non- Fickian type diffusion transport of all hydrogels is anomalous andts transport mechanism is dominated by a combination of diffusion-controlled and relaxation -controlled systems but the relaxationontrolled effect predominateKey words: Superabsorbent resin K( AA-AM); Swelling Kinetics DiffusionCorrespondingauthorTel.:+86-27-62772816;fax:+86-27-83620304;e-mailpzgraduate@163.com水凝胶是一种能在水环境中溶胀的具有交联三统维网络结构的高分子聚合物。此类材料可应用于传(SuYH中国煤化工前景。高吸水性树脂CNMHG是一种能吸收自重几感器、分离膜、医用吸附剂、医用材料及药物传输系百倍甚至上千倍水分的功能高分子材料其吸水和保水性能十分优良属于溶胀性能很好的水凝胶因收稿日期2006-05-22此已被广泛应用于农业、园林、卫生、医药和建筑等作者简介范卖揭79-)女江苏南通市在读博士。石油化工高等学校学报第19卷行业1-6。作为应用于医学、制药业等方面的生物胀度1材料吸水剂的溶胀特性对其应用效果有很大的影W=(M.-MoyMo(1)响。大多的生物材料在使用中都与生物流动性有式中,W为t时刻的溶胀度g/g:M为干燥R(AA关作为灌输系统成分以及用于诊断或治疗器械设AM质量g;M、为经吸液t时间后的凝胶质备。由于生物环境主要是由水组成因此可湿性和量g吸收达平衡时的溶胀度称为平衡溶胀度记为吸水性是生物材料的两个重要特性。吸水剂作为生物材料其吸水性能的好坏是非常重要的。最近1.4吸水剂的结构表征几年随着高吸水剂在生物医学、制药业、环境和农RAA-AM舶红外光谱用 Nicolet420型FT业等领域的重要应用高吸水剂溶胀动力学成为研IR光谱仪究的热点。目前国内对高吸水树脂的研究主要集中在合成工艺及吸收性能尤其是吸纯水性能等方面而对2结果与分析吸收机理和吸盐水过程的研究甚少。国外文献对机2.1RAA-AM高吸水剂的FT-R分析理方面研究稍多但也还不够广泛深入相关理论研图1为RAA-AM)的红外光谱图由图1可究的报道较少。如 Midian h等提出将Voi模见在162m处有羧基中C=O振动的特征型用于吸水剂吸收速率的研究中并提出了合成过峰在11211041cm-1附近有CO的振动峰证程中交联剂浓度与材料溶胀度的幂指关系方程而明了树脂大分子链上确有羧基存在3428cm附其它有关机理及性能理论方面的研究与表征相对很近,以及1662,1564cm处出现的双峰,以及少。因此本文除了研究交联剂对吸水剂性能的影1333cm附近的峰证明了酰胺基的存在:401响外还在民AA-AM舶溶胀动力学中引入了平cm-附近出现羧酸钠盐的特征谱带。由此可知P衡溶胀度溶胀动力学参数如初始溶胀速率和溶胀(AA-AM舶大分子长链上存在有羧基酰胺基、羧速率常数以及扩散参数如溶胀指数、溶胀常数和酸钠等亲水性基团,说明该高吸水剂为丙烯酸与丙凝胶扩散系数等对RAA-AM)溶胀机理及溶烯酰胺的共聚物。另外队从红外光谱分析中还发现胀动力学进行了研究。合成的树脂中存在交联结构。1实验部分10411.1主要仪器及原料JB90-0型强力电动搅拌机,上海标本模具厂;293513331010-1型电热鼓风干燥箱上海市实验仪器总厂DDS-307电导率仪上海雷磁仪器厂。1564丙烯酸AA)分析纯天津市泰兴试剂厂洒烯3428酰胺(AM)NaOH、过硫酸钾均为分析纯广州汕头市西陇化工厂;NN′-亚甲基双丙烯酰胺分析Fig 1 Infrared spectrum of P(AA-AM)纯天津市科密欧化学试剂开发中心呷苯、甲醇均图1P(AA-AM)的红外光谱图为工业级apan80北化学纯天津市博迪化工有限公2.2AA-AM高吸水剂的溶胀度司乙基纤维素化学纯上海精化科技研究所。HAA-AM)溶胀度与其自身和吸收介质的1.2RAA-AM合成及试样制备性质有关在吸水剂溶胀性能的研究中溶胀度是最按文献9的方法合成交联摩尔分数分别为重要的参数。表1列出了RAA-AM在不同介质0.0247%,0.0536%,0.0779%的3种不同的P中的中国煤化工(AA-AMbHCNMH增加交联剂摩尔分数1.3溶胀度的测试可明显降低RAA-AM舶平衡溶胀度。这一现象称取0.1g的R(AA-M)在过量的溶胀介质可以从吸水机理上来解释011吸水过程最初以中搅拌每隔一定时间取出并在100目的筛网上过亲水基团离子化过程为主亲水基团的表层通过配滤后称量癡胶褥重量。按式1)测定不同时刻的溶位键或氢键与水分子结合形成水合水层外层水分第4期花兴艳等.丙烯酸一丙烯酰胺寫吸水剂的溶胀子再通过氢键与內层的水结合形成结合水层。随着2.4溶胀动力学的研究高分子电解质的离子化相邻的负离子同性相斥同对于大多高分子聚合物的溶胀行为可用下述时大量的自由水在渗透压的驱动下,很快进入P二次动力学方程来描述121AA-AM腔空间网络。溶胀度由渗透压大小和高分t/W=a+Bl(3)子链段的伸展程度所决定。增加交联剂摩尔分数,式中A和B分别是t/W~t关系曲线的截距和斜渗透压大小并不改变但链段的伸展阻力变大这就率B=1/W∞,A=1KkW≥)是吸水剂初始溶胀使得RAA-AM迕渗透压还很大的情况下网络扩速率(dW/dt)的倒数k为溶胀速率常数。张却受到限制所以其平衡溶胀度减小。另外由表图2给出了不同交联剂摩尔分数的AA1可知RAA-AM)的溶胀度随溶胀介质中 NaCl AMX分别为0.0247%0.0536%0.0779%,质量分数的增加而显著下降。原因是吸收介质中的0.1090%在3种溶胀介质中的t/W~t关系曲NaCl电离由于存在同离子效应降低了高分子网线。由图2中曲线的斜率和截距可分别计算出初始络的渗透压所以平衡溶胀度减小溶胀速率( dw/dt)]濬胀速率常数k、以及理论表1RAA-M在不同介质中的平衡溶胀度平衡溶胀度W。其值列于表3。可以看出表3中Table 1 Equilibrium swelling of R( AA-AM)的理论平衡溶胀度W。与表1给出的实测平衡溶胀度W。相近with different crosslinker由表3可知随着交联剂摩尔分数的增加,W交联剂摩尔u( naCD)去离子水显著降低但溶胀速率常数k却增大这一规律在分数,%0.9%3种介质中一样湯外还发现吸收介质中含盐质量0.0247752543.0分数对平衡溶胀度的影响较大,W。随NaCl质量分0.053641.231.3数的增加急剧下降当增大到一定程度后其对溶胀0.077915033.021.0度的影响逐渐減小溶胀速率常数k。随NaC质量分数的增大而增大。2.3平衡含水率对凝胶中被吸盐溶液浓度的测定表旴”不管水凝胶中的水用平衡含水率来定量描述7是在低浓度还是在高浓度吸收介质中,HAA水=(M。-M0yM∞(2)AM)吸收的是盐水溶液,而不只是吸收介质中的水。而这似乎与传统的渗透压吸收机理矛盾10。式中M。为t时刻平衡状态下)谘胀凝胶的质量由以上的动力学研究可知3种不同介质中的溶胀M为干燥RAA-M的质量。分别计算出3种机理相同即均遵循二次动力学。但RAA-AM)交联剂(AA-MM在去离子水、质量分数分别为在盐溶液中吸收机理的研究还有待于进一步讨论。0.9%3.0%的NaC溶液中的含水率其值列于表2.5溶胀幂率的确定2。所有的含水率(95.24%~99.86%均比人体中干燥吸水剂浸入水中时水向吸水剂的内部扩的含水质量分数约60%)这说明RAA-AM)散吸水剂溶胀。扩散包括水向已经存在的和动力水凝胶表现出与生物组织相似的流动性原因形成的吸水剂分子链间空间的迁移。吸水剂的表2不同交联剂摩尔分数的IAA-AM)溶胀包含大量的分子链段运动最终导致吸水剂链在不同介质中的平衡含水率间分离程度增加,其溶胀机理可用下述方程确Table 2 Equilibrium moisture content of R AA-AM)ithdifferent mole fraction of different crosslinker/w分数%去离子水(N)a(NaC)交联剂摩尔式中分别为时间t和平衡时的溶胀度,t=0.9%为时中国煤化工溶胀指数该方程适用CNMHG=F在lnF~lnt曲0.024799,86于97.67线上,F低于60%时该曲线呈直线。不同摩尔分0.053699.70数的吸收介质中的InF~lnt曲线如图3所示。溶0.077999,3395.24胀指数n可从曲线斜率算出其值列于表4发现随着溶胀介质含NaCl质量分数的增大溶胀指数减石油化工高等学校学报第19卷小而溶胀常数却增大表3RAA-AM在不同介质的溶胀速率参数Table 3 Swelling rate parameters of R( AA-AM in different crosslinker去离子水(NaCl)=0.9%(NaC1)=3.0%交联剂摩尔分数,%(dW/t)ywk[Cdw/dt by Woo/[(dW/dt hy wool(gg min Igg )(g g l min )(gg min xgg )(gg min )(gg min xgg )(g g l min)0,0247121.070.000150.0109818.490.009130.05360.001010.0130.0779153.850.006320.0216731.360.07840表4RA-AM在不同介质中的溶胀指数和溶胀常数Table 4 Swelling exponents and swelling constants of R AA- AM in differont crosslinker交联剂摩尔去离子水(NaCl)=0.9%(NaC1)=3.0%分数,%KKK0.02470.95830.11080.30730.44150.25460.44550.05360.79360.22760.41670.38310.11500.47920.07790.33080.45890.34180.55950.21420.6062一0.0247%0.1090%0.60.10!/min(a)去离子水(b)(NaC)=0.9%(c)(NaC1)=3.0%2 Swelling rate curves of P(AA-AM)图2P(AA-AM)的溶胀速率曲线0.40.81.2-0量0.0247%00.40.81.21.62.000.20.40.60.8In(t/min)n(t/min(a)去离子水(b) u(NaCI)中国煤化MCANCNMHGw(NCiFig 3 Swelling kinetics curves of P(AA-AM)图3P(AA-M)的溶胀动力学曲线本文叛糖试样部分地遵循扩散控制机理其扩散系数可近似用方程5)算.AA-AM2.6水的扩散溶胀动力学可用扩散系数来分析第4期花兴艳等.丙烯酸一丙烯酰胺寫吸水剂的溶胀F=4D1/(x2)(5)分数的增加而增大。结合表4可知m值的变化规式中,D为扩散系数cm2/;是吸水剂试样的粒律刚好与扩散系数D相反。扩散系数D大表明溶径cm;为时间s;F~v曲线图中值一定时直胀主要受r(AA-AM)体系中扩散控制的影响线斜率越大则扩散系数D越大。图4为不同交联值大说明浴胀主要受R(AA-AM)系中松弛控度的AA-M在去离子水中的F~曲线图5制的影响。交联剂摩尔分数最低时溶胀指数n值为同种交联剂摩尔分数的rAA-AM在去离子最大扩散系数D最小此时其溶胀过程应该主要水质量分数分别为0.9%3.0%的NaC溶液中的受松弛控制。而实验结果也证明了随着P(AAF~√曲线。扩散系数大小可从图中F值小于0.4AM冲交联剂摩尔分数的增大溶胀度显著降低的直线部分的斜率大小看出。由图45可知扩散但降低到一定程度后逐渐趋于平缓由原先的松弛系数D随交联剂摩尔分数和环境介质中含盐质量控制占主导转变为扩散控制占主导。0.0247%0.0536%0.0779%0.8去离子水NC)=3.0%0.60.05101520253035404550550510152025303540455055Fig 4 Niffusion curves of P(AA-AM)inFig 5 Diffusion curves of P(AA-AM)ion-free waterin different medium图4P(AA-AM在去离子水中的扩散图5P(A-AM)在不同介质中的扩散参考文献[1]许晓秋刘廷栋.高吸水性树脂的工艺与配亢M]北京:化学工业岀版社2004:53[2] Singh J. Physical behavior of superabsorbent hydrogels in sand[ D]. Montreal Quebec Canada: department of chemicalineering McGill university, 1997:1[ 3] Harada Nobuyuki, Tamada, et al. Water swelling crosslinker composition for sanitary napkin and diaper and manufacturingmethod of the composition japanese 2002146218 P]. 2004-05-224] Takeuchi Hiroshi. Waterng crosslinked acrylic polymers and soils mixed with them as bases for planting and greeningJapanese,200316953P12003-06-17[5] Montes Eduardo, Montes. Acrylic polymer water-absorbent soil conditioner: U S: 2003097864[P]. 2003-05-17[6]邬国英王洪元.回归正交设计与优化法确定吸水树脂的合成工艺J]石油化工高等学校学报,1998』K(1)28-32[7 Erdener KARADAG. Swelling of superabsorbent acrylamide/ sodium acrylate hydrogels prepared using multifunctionalcrosslinker[ J ] Turk j. chem. 2002 26 863-875[8] Midian H, Hashemi S A, Sammes P g, et al. Modified acrylic-based super absorbent polymers( dependence on particle sizeand salinity IJ ]. Polymer, 1999,40: 1753-1761[9]花兴艳,朱金华.聚丙烯酸-丙烯酰胺寫高吸水剂的合成及其结构与性能的研究J]化学与粘合,20052X6)340中国煤化工[10]邹新禧.超强吸水剂M]北京:化学工业出版社,2000375CNMHG[1]孙民伟张键交联剂分子量对高吸水树脂性能的影J]高分子字报,2004):595-59[12]万怡灶王玉林碳纤维增强眀晈(/(e泩物复合材料的溶胀动力学研究J复合材料学报,2002以4)3-37[13] Kim S. Swelling kinetics of modified polu vinyl alcohol hydrogels[ J ]. Journal of applied polymer science 2003 90 3310331方方数据(Ed. YYL ,)

论文截图
版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。