蔣 磊，黃紅軍，萬國(guó)順，李志廣，王 康，張東升

（1. 軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003；2. 駐743廠軍代室，山西 太原 030027； 3. 吉林預(yù)備役步兵第四十七師，吉林 吉林 132000）

聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的粘附性能測(cè)試及表征

蔣 磊1，黃紅軍1，萬國(guó)順2，李志廣1，王 康1，張東升3

（1. 軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003；2. 駐743廠軍代室，山西 太原 030027； 3. 吉林預(yù)備役步兵第四十七師，吉林 吉林 132000）

為探討聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的粘附性能，設(shè)計(jì)了一種對(duì)其粘附性能的測(cè)定方法并進(jìn)行了測(cè)試及表征，討論了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)樹脂粘附性能的影響。結(jié)果表明，該吸水樹脂的粘附性能隨吸水量、初始?jí)毫头蛛x速率的增加具有一定的變化規(guī)律，并根據(jù)高分子結(jié)構(gòu)理論、粘接的機(jī)械互鎖理論和應(yīng)力松弛等理論進(jìn)行了解釋。

聚丙烯酸鈉；吸水樹脂；粘附；測(cè)試方法

聚丙烯酸鈉吸水性樹脂是一種廣泛應(yīng)用的合成樹脂類吸附樹脂，其具有吸水、吸濕量大，吸水速度快，合成簡(jiǎn)便，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面有較廣泛的應(yīng)用[1-2]。

在制備聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的過程中，我們發(fā)現(xiàn)在其聚合完畢后，具有一定含水量的樹脂常常粘附在反應(yīng)容器內(nèi)壁，極難取出；在吸水樹脂的使用過程中，由于吸水性樹脂易吸水、吸濕，其就造成粉碎好的樹脂由于粘附作用又發(fā)生了團(tuán)聚，影響其使用效果。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行研究，探討出控制該性能的方法。本文將通過對(duì)其粘附性能的討論和表征，來探討其變化規(guī)律。并希望該研究結(jié)果有助于拓展吸水性樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 聚丙烯酸鈉樹脂的制備

在磁力攪拌條件下，用NaOH水溶液中和滴定丙烯酸(AA)溶液至一定中和度，將混合溶液置于70℃烘箱中加熱1h，然后在70 ℃條件下，加入定量的交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺和引發(fā)劑過硫酸鉀，進(jìn)行聚合與交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)約5 h，然后在100℃條件下干燥，產(chǎn)品性狀為白色固體粉末。

1.2 材料的粘附性能測(cè)定

對(duì)于材料的粘附性能測(cè)定，常采用的測(cè)試方法有拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定法和剝離強(qiáng)度測(cè)試法等，但對(duì)于本文所制樹脂來說并不完全適用。本文所制吸水性樹脂，在測(cè)定粘附性能時(shí)并無固化過程，且為幾乎無流動(dòng)性的固體顆粒，難以涂布。故本文根據(jù)材料特性、用途及現(xiàn)有條件，以探頭法[3]為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試方法，測(cè)試裝置如圖1所示。

1.3 粘附性能測(cè)定方法

將制備好的干燥樹脂過140目篩，并均勻撒于有機(jī)玻璃試片上（厚度約0.5 mm）,向試片表面噴水至表面潤(rùn)濕，然后在90% RH的恒濕箱中放置30 min，待其充分溶脹后稱重，計(jì)算其吸水倍率。重復(fù)噴水-溶脹-稱重過程直至樹脂吸水至所需倍數(shù)時(shí)，將試片固定在推拉力測(cè)試機(jī)臺(tái)上，使探頭向下移動(dòng)并與樹脂充分接觸至一定壓力值，然后以一定速率升起探頭，使之與材料和試片分離，并讀出拉力最大值，即為粘附力測(cè)定值。

圖1 粘附性能測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Sketch of adhesion properties test equipment

在測(cè)定材料的粘附性能時(shí)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)（初始?jí)毫?、分離速率等）對(duì)粘附力測(cè)定值有很大影響；另外，材料的吸水量也是影響粘附作用的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。因此在本文中，將重點(diǎn)考查初始?jí)毫?、分離速率以及吸水量對(duì)材料粘附力測(cè)定值的影響。

1.4 紅外光譜分析

采用SHIMADZU公司的FTIR-8900型紅外光譜儀，以KBr壓片法對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析。

1.5 掃描電鏡分析

掃描電鏡分析用日立公司的S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行，樣品先進(jìn)行表面噴金處理，再在一定掃描電壓下觀察樣品的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的紅外光譜分析

圖2所示為中和度為70%的樹脂材料的紅外光譜圖。

圖2 材料的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of sodium polyacrylate resin

在圖2中，3 448 cm-1處出現(xiàn)了-OH的伸縮振動(dòng)峰，1 560 cm-1和1 637 cm-1處為-COO-的伸縮振動(dòng)峰，1 406 cm-1處為-COOH的伸縮振動(dòng)峰，在792 cm-1處出現(xiàn)了-CH2-的變形振動(dòng)峰，上述特征峰表明了聚合物中-COOH和-COONa基團(tuán)的存在，材料應(yīng)為聚丙烯酸鈉高聚物。

2.2 材料的掃描電鏡分析

圖3所示為材料表面的掃描電鏡照片。從圖3中可以清晰看到樹脂的無規(guī)則交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且在聚合物產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)中有較多的溝壑和孔隙，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)和表面的孔洞，使PAANa樹脂有較大的比表面積和孔容，從而對(duì)水分具有很強(qiáng)的吸收性和容納能力。因此可以推斷，材料表面的結(jié)構(gòu)在吸水后會(huì)更加舒展，也容易與被粘物表面充分接觸，產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用，并有利于機(jī)械互鎖效應(yīng)的形成，從而提高材料的粘附性能。

圖3 材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of sodium polyacrylate resin

2.3 材料吸水量對(duì)粘附性能的影響

吸水量對(duì)材料的粘附性能有很大影響，圖4即為制備出的聚丙烯酸鈉吸水性樹脂材料在不同吸水倍率下測(cè)得的粘附力值變化。

圖4 材料的粘附力值與吸水倍率的變化關(guān)系Fig.4 Effect of water absorbency on adhesion properties

由圖4可見，當(dāng)材料的吸水量較少時(shí)，材料的粘附力測(cè)定值隨吸水倍率的增大而增大，當(dāng)吸水倍率為2倍時(shí)，材料的粘附力測(cè)定值又呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)椴牧仙倭课?，水分子的進(jìn)入使高分子鏈間距增大，鏈端伸展，更易于在被粘附物體表面鋪展和充分接觸，降低了界面的表面能；而當(dāng)材料大量吸水后，由于絕大部分的粘附界面都已被水分子所占據(jù)，材料表面的極性基團(tuán)密度減少，材料間的界面結(jié)合力下降，從而使粘附力隨吸水量增加而不斷減小。

2.4 探頭初始?jí)毫?duì)材料粘附性能的影響

圖5所示為材料粘附力隨探頭施加的初始?jí)毫Φ淖兓€，從曲線中可以看出，材料的粘附力隨探頭初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃?。這是因?yàn)椋S著初始?jí)毫Φ脑龃?，樹脂材料與試片和探頭的接觸更加緊密了。

圖5 探頭初始?jí)毫?duì)材料粘附力的影響Fig.5 Effect of probe pressure on adhesion properties

機(jī)械互鎖理論認(rèn)為：任何即使是肉眼看來非常光滑的物體在微觀下仍是遍布溝壑、充滿孔隙的，當(dāng)膠黏物與之充分接觸，填充了這些溝壑和孔隙，脫出時(shí)就會(huì)受到被粘物的阻礙，表現(xiàn)出鎖—鑰效應(yīng)，從而增加能量消耗，使粘附強(qiáng)度增加[5]。增大初始?jí)毫o疑會(huì)有助于材料與基材的充分接觸，從而增加了機(jī)械互鎖力；同時(shí)，充分接觸的另一個(gè)好處是使兩種材料的接觸面積增大，增強(qiáng)了界面相互作用，也使材料的粘附力增大。

2.5 分離速率對(duì)材料粘附性能的影響

圖6為材料的粘附力隨探頭分離速率的變化情況，從圖中可以看出，粘附力隨分離速率的增加而增大，這種情況可以用應(yīng)力松弛來解釋。

應(yīng)力松弛[6]是指材料中的應(yīng)力隨時(shí)間衰減的過程，即應(yīng)力衰減的依時(shí)過程。應(yīng)力松弛是聚合物中一種普遍存在的現(xiàn)象。當(dāng)突加的外力作用在聚合物上時(shí)，在聚合物內(nèi)部就產(chǎn)生了應(yīng)力和應(yīng)變，應(yīng)變使聚合物中的各級(jí)位置偏離了平衡位置，為了降低應(yīng)力，就必然要朝著應(yīng)力降低的方向運(yùn)動(dòng)，因此隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力逐漸降低。

圖6 分離速率對(duì)材料粘附性能的影響Fig.6 Effect of separation speed on adhesion properties

在本實(shí)驗(yàn)的整個(gè)分離過程中，粘附界面的應(yīng)力增加和應(yīng)力松弛效應(yīng)同時(shí)作用，所以應(yīng)力增加過程和應(yīng)力松弛過程是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)分離速率較低時(shí)，由于分離較慢，應(yīng)力松弛過程較長(zhǎng)，故最后測(cè)得的粘附力也較??；當(dāng)分離速率增加時(shí)，應(yīng)力松弛過程越來越短，應(yīng)力下降減少，材料就表現(xiàn)出接近于彈性體的性質(zhì)，就導(dǎo)致粘附力值的增大。

3 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了針對(duì)吸水性樹脂的粘附性能測(cè)試方法和測(cè)試主要指標(biāo)，并考察了測(cè)試過程中的粘附行為。

（2）用紅外光譜儀和掃描電鏡對(duì)材料的組成和表面形貌進(jìn)行了表征，確定了材料的組成和結(jié)構(gòu)。

（3）討論了材料吸水倍率與粘附力的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸水倍率為2倍時(shí)，粘附力最高。

（4）討論了初始?jí)毫头蛛x速率對(duì)材料粘附性能的影響，并用并用高分子結(jié)構(gòu)、機(jī)械互鎖理論和應(yīng)力松弛理論進(jìn)行了解釋。

［1］鄒新禧.超強(qiáng)吸水劑 [M].第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］馬斐，程冬炳，王穎，等.聚丙烯酸類高吸水樹脂的合成及吸水機(jī)理研究進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(1): 4-9.

［3］Creton C, Leibler L. How does tack depend on time of contact and contact pressure[J]. Journal of Polymer Science. 1996, 34(3):545-554.

［4］黃衛(wèi)寧，賈春利，李先玉，等. 食品(面團(tuán))體系表面膠粘性的流變學(xué)機(jī)理及其表征[J]. 食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，25(2)：120-126.

［5］余先純, 孫德林. 膠黏劑基礎(chǔ)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社. 2010.

［6］阿方薩斯 V. 波丘斯. 粘接與膠黏劑技術(shù)導(dǎo)論[M].原著第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005．

Test and Characterization on Adhesion Property of Poly（sodium acrylate）Absorption Resin

JIANG Lei1，HUANG Hong-jun1，WAN Guo-shun2，LI Zhi-guang1，WANG Kang1，ZHANG Dong-sheng3
（1. Advanced Material Institute , Ordnance Engineering College, Hebei Shijiazhuang 050003，China; 2. Military Representative Office in No.743 Factory, Shanxi Taiyuan 030027，China; 3. No.47 Reserve Infantry Division, Jilin Jilin 132000，China）

In order to study the adhesion property of poly(sodium acrylate) absorption resin, a new test technique for adhesion property in swollen state was designed. Then influencing factors of the resin's adhesion property were discussed. The results indicate that adhesion property have some variation with the increase of water absorption, initial pressure and separation rate, and the phenomenon can be explained by the theory of polymer structure, mechanical interlock and stress relaxation.

Poly(sodium acrylate); Super absorption resin; Adhesion; Test technique

TQ 325.7

A

1671-0460（2011）12-1231-03

2011-10-27

蔣磊（1986-），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，研究方向：從事新型功能材料的研究。E-mail：jlddd03@126.com。