高吸水树脂的制备——高化实验报告

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高分子化学实验报告
水。当渗透压差消失时，树脂便达到了吸水平衡。 3.影响高吸水性树脂吸水倍率的因素有哪些？ 答：影响因素很多。从原料上考虑，有单体的类别、中和度，还有交联剂、引发剂的 类型和用量；从聚合过程上考虑，有聚合温度、聚合时间、加料方式等；从成品的角度考 虑，有结构助剂、防老化剂的用量等等。 九、 实验心得
COOH COOH
NaOH Na2S2O8
COOH O NH NH OCHN OCHN O CONH CONH
COOH
CO因为制备高吸水树脂需要以丙烯酸钠作为一部分单体， 因此 选用水溶液聚合更加方便。 三、 实验背景
高吸水性树脂 （Superabsorbent polymers， 简称 SAP） ， 是一种新型功能性高分子材料， 它能吸收相当于自身质量数百倍甚至上千倍的液体， 同时具有较高的保液能力， 不能用简单 的物理方法将内部水分挤出，还可以反复吸水释水，因此其用途极为广泛。 高吸水性树脂按原料来源主要分为三大系列： 即淀粉系列、 纤维素系列和合成树脂系列。 淀粉系包括淀粉接枝、 羧甲基化淀粉、 磷酸酯化淀粉和淀粉黄原酸盐等； 纤维素系包括纤维 素接枝、 羧甲基化纤维素、 羟丙基化纤维素和黄原酸化纤维素等； 合成树脂系包括聚丙烯酸 盐类、聚乙烯醇类、聚氧化烷烃类和无机聚合物类等。 高吸水性树脂的性能包括树脂的吸收能力、吸液速率、保水能力、强度和稳定性等，
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下图分别为聚合得到的凝胶（左）和切割得到的胶块（右） ：
下图分别为烘干后的吸水树脂（左,薄膜态）和吸水饱和后的树脂（右，胶冻态） ：
六、
注意事项 1. 本实验为研究型实验， 中和度、 交联度和引发剂用量都为可选条件， 在实验前应明
确分工，并进行详细记录，我们将中和度和交联剂用量作为了变量。 2. 在中和过程中， 氢氧化钠水溶液应滴加到丙烯酸中， 使其缓慢放热。 中和度用摩尔 比计算。 3. 在聚合过程中不可搅动溶液，聚合之后应用去离子水洗涤，而不是自来水。
分别固定交联剂用量为 0.01g 和 0.05g，作出吸水倍率随中和度的变化曲线：
交联剂用量为0.01g
600 500
吸水倍率
400 300 200
100
0
-100
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
中和度
交联剂用量为0.05g
400 350 300 250 200 150 100 50 0
高分子化学实验报告
高吸水树脂的制备
2011011743 分 1 黄浩 一、 实验目的
1. 了解高吸水树脂的制备方法 2. 了解高吸水树脂的吸水原理及影响因素 二、 实验原理
1. 聚合机理： 自由基聚合。 使用单体为用 NaOH 部分中和的丙烯酸， 在水溶液中进行溶 液聚合， 引发剂过硫酸铵为水溶性的热引发剂， 并使用 N,N- 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂进行 共聚合，以形成三维的网状结构。反应方程式如下:
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但中和度和交联度都一定有一个合适值，过大过小都不利于吸水。对于中和度而言， 中和度越大，亲水基团极性越强、含量越多，吸水率越高、保水性也越好，然而过强的极 性可能对聚合有影响，造成分子量下降等等，也会使得三维结构不完全，或者孔径太小。 对于交联度而言，交联度较低则三维网络未能完全形成，力学性能不好，保水性差，尤其 在外界有压力时水很易脱去，但理论储水能力较大，因为当其完全伸展时，内部空间较 多；而交联度高，虽然力学性能和保水性好，但由于吸水空间减少，吸水率也可能降低。 虽然吸水倍率的实验结果无法解释， 但我们 8 人的吸水树脂从外观上观察， 是符合预 期的。 我们发现， 当交联度一定时， 随着中和度的增大， 凝胶的韧性减小， 更加柔软， 流动 性更好， 这证实了中和度的增加会影响聚合、 交联， 造成分子量下降； 而当中和度固定时， 交联度较小的一组明显成流体、 或者稀鼻涕状， 而交联度较大的一组则呈凝胶状， 这也证实 了交联度的增加会促进三维网络的形成。 此外， 纵观 8 个实验数据点， 可以发现当中和度为 50%， 交联剂用量为 0.01g 时， 吸水 倍率最高，因此该配方是相对最合适的。 八、 思考题
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性状 无色液体，有刺激性气味 溶解性 可溶于水、醇、醚 性状 白色不透明固体，易潮解 溶解性 易溶于水、醇，不溶于丙酮 性状 白色或浅黄色粉末 溶解性 溶于水、醇、醚 性状 无色晶体
毒性 本品对眼睛、皮 肤、粘膜和上呼 吸道有刺激性 备注 毒性 强腐蚀性 备注 本实验使用 10% 的 NaOH 水溶 液,75%中和度 毒性 低毒，对粘膜有 一定刺激性 备注 双官能度交联剂 毒性 刺激性和腐蚀性
丙烯酸
氢氧化 钠
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熔点 分解
沸点 分解
用量 0.102g
摩尔数 0.00044
溶解性 易溶于水
备注 半衰期 2.1h （80℃， pH=4~5）
五、
实验步骤 实验操作 实验现象 课后分析
在 100mL 烧杯中加入 5g 丙烯 酸，用 10wt%氢氧化钠水溶液 中和至不同中和度，之后加 入 0.05g～0.5g N,N-亚甲基 双丙烯酰胺，0.05g～0.1g 过 硫酸铵，再补加适量水（水 的总量不超过 40g），搅拌溶 解，用表面皿盖住烧杯，将 烧杯放入 70℃水中静置聚合 2h 后取出烧杯，发现我的聚 待反应物完全形成凝胶后 合体系已经成为透明但不流 （约 2h）取出烧杯，将凝胶 动的凝胶态，韧性较强但强 转移到搪瓷盘中，将凝胶切 度一般。 割成碎片或薄片，置于 50℃ 用玻璃棒和刀片将凝胶扯 烘箱中干燥至恒重，待用 开，放入烘箱干燥 第二天取出烘箱中的凝胶， 将制得并干燥的吸水树脂研 发现已经成为薄膜状。 磨，用 60 目铜网筛分，将筛 放入去离子水浸泡后，粉末 分后的树脂取出 0.1g 放入 逐渐溶胀成为透明态的凝胶 250mL 烧杯中，加入去离子水 状。 浸泡。一周后至吸水平衡， 滤网重 1.583g，滤网+滤出物 用自然过滤法测定其吸收倍 重 19.883，得吸水倍率为 率并分析结果。 182 滤法。 也不能上下晃动，即自然过 在过滤时，不能用手挤压， 能会使一些树脂飞溅出去。 碎，否则直接捻大块凝胶可 在研磨前应将薄膜凝胶捏 细，大块凝胶不易干燥。 干燥前应尽量将凝胶分散地 网络非常充分。 这种凝胶态说明内部的三维 我们 8 人共分 8 个实验点， 中和度和交联剂用量是关系 固定丙烯酸和引发剂的投料 到吸水树脂结构的两个关键 量分别为 5g 和 0.1g（我的实 变量。中和度影响着聚合物 际投料分别为 5.017g 和 内部的离子含量，而交联剂 0.102g），将中和度和交联 用量则影响聚合物三维网状 剂投料量作为变量（我的实 结构的形成。 际数值分别为 75%和 0.05g）
1.高吸水性树脂一般具备什么样的结构？ 答：高吸水性树脂一般是三维网状结构，而且要有着极性基团，可电离的基团吸水性 更好。首先，分子中极性基团的亲水作用，使得树脂表面开始吸附水分，然后，随着极性 基团的电离，聚合物带有负电荷，各链段的库伦斥力将整个三维结构撑开，而且由于树脂 内外的渗透压差，将水吸入树脂，最后，撑开的交联结构用于保水。但中和度和交联度都 一定有一个合适值，过大过小都不利于吸水。对于中和度而言，中和度越大，亲水基团极 性越强、含量越多，吸水率越高、保水性也越好，然而过强的极性可能对聚合有影响，造 成分子量下降等等，也会使得三维结构不完全，或者孔径太小。对于交联度而言，交联度 较低则三维网络未能完全形成，力学性能不好，保水性差，尤其在外界有压力时水很易脱 去，但理论储水能力较大，因为当其完全伸展时，内部空间较多；而交联度高，虽然力学 性能和保水性好，但由于吸水空间减少，吸水率也可能降低。 2.高吸水性树脂的溶胀原理是什么？ 答：（在上一问中已经回答了）首先，分子中极性基团的亲水作用，使得树脂开始吸 附水分，然后，随着极性基团的电离，聚合物带有负电荷，各链段的库伦斥力将整个三维 结构撑开，而且由于树脂内外的渗透压差，将水吸入树脂，最后，撑开的交联结构用于保
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Flory-Huggins 公式可较全面的反映影响树脂吸水能力的各种因素。
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2 1 i x V 1 1 2V S1 / 2 2 u
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它的吸水机理， 是利用单体中的亲水性基团来吸附水分， 借助树脂内的离子基团电离后 的库伦斥力撑开三维结构， 使树脂吸水后充分溶胀、 链段伸展， 并借助电离后树脂内外的渗 透压差将水分吸入树脂内部， 最后通过内部的三维交联结构来进行储存， 因此能够吸收几百 倍的水分。 吸水性树脂的种类不同， 其分子链组成、 结构、 分子量、 交联度不同， 则吸水能 力差别很大。 以交联度为例， 交联度增加会提高树脂的强度， 保水性好， 但内部储水空间减 小， 吸水率降低； 交联度减小虽然能增加储水空间， 但树脂强度低， 保水性很差， 因此需要 一个适中的交联剂用量。 衡量高吸水树脂吸水能力的一个很重要的指标即为吸水倍率 Q， 它是指在吸水平衡时， 1g 树脂所吸收的液体的量： Q = (M2 − M1)/M1， 本实验正是通过比较不同配方下的树脂吸 水倍率，来找到最合适的配方。 四、 试剂名 实验药品 英文名 acrylic acid 熔点 14℃ 试剂名 英文名 sodium hydroxide 熔点 318.4℃ 试剂名 N,N-亚 甲基双 丙烯酰 胺 试剂名 过硫酸 铵 英文名 N,Nmethylenedi acrylamide 熔点 185℃ 英文名 ammonium persulfate 分子式 C3H4O2 沸点 141℃ 分子式 NaOH 沸点 1390℃ 分子式 C7H10O 2N2 沸点 --分子式 N2H8S2 O8 分子量 72.06 用量 5.017g 分子量 40.01 用量 20.8g 溶液 分子量 154.17 用量 0.05g 分子量 228.2 密度 1.05 摩尔数 0.07 密度 2.12 摩尔数 0.052 密度 1.352 摩尔数 0.0003 密度 1.98