李春香

摘要：以丙烯酸和聚乙二醇為原料，在對甲苯磺酸的催化下、氫醌為阻聚劑，利用二元醇與羧酸的酯化反應(yīng)制得純度較高的交聯(lián)劑（聚乙二醇二丙烯酸酯），產(chǎn)率為74.37%。之后利用自由基引發(fā)的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)制得丙烯酸-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物（即超強(qiáng)吸水劑）。經(jīng)吸水試驗(yàn)測得所合成超強(qiáng)吸水劑對自來水的吸水倍率為85.19。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酸；交聯(lián)劑；超強(qiáng)吸水劑；吸水倍率

1.引言

超強(qiáng)吸水劑指的是能迅速吸收重于其自身多倍的液態(tài)水而呈凝膠狀的高分子功能材料，其保水性能非常好，即便是在高壓的狀態(tài)下它所吸收的水分也不會溢出。超強(qiáng)吸水劑是近些年以研發(fā)出來的一種高分子材料，它不僅不溶于水，而且它也不溶于其他有機(jī)溶劑，并且，還能將它重復(fù)利用，吸收氨、尿液、血液等[1-6]。超強(qiáng)吸水紙?jiān)谝呀?jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療等方面，在農(nóng)林[7]、園藝[8]、石油開采、礦山開采、日用化工、環(huán)境保護(hù)和食品加工等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景[9]。

目前超強(qiáng)吸水劑主要有淀粉、纖維素和合成樹脂（以聚丙烯酸為代表）等系列。其中，聚丙烯酸類超強(qiáng)吸水刺以其制備工藝簡單、吸液性能優(yōu)良而成為超強(qiáng)吸水劑中的主導(dǎo)產(chǎn)品。本文以丙烯酸、聚乙二醇為主要原料首先制備聚乙二醇二丙烯酸酯，然后以之為交聯(lián)劑與丙烯酸共聚制備聚丙烯酸類超強(qiáng)吸水劑。

2.結(jié)果與討論

2.1交聯(lián)劑的合成與表征

2.1.1合成產(chǎn)率

制得的交聯(lián)劑為淺棕色油狀液體，25.98g，產(chǎn)率74.37%。分水得到約2.6mL水（理論分水量約為2.5mL，但由于分水器中的水層比較渾濁，說明其中含有苯）。

2.1.2交聯(lián)劑的紅外吸收光譜

利用紅外吸收光譜對所制交聯(lián)劑（聚乙二醇二丙烯酸酯）進(jìn)行表征，如圖1。

主要紅外吸收峰有：2870.18cm-1（-C-H伸縮振動(dòng)），1724.39cm-1（C=O伸縮振動(dòng)），1636.01cm-1（C=C伸縮振動(dòng)），1194.66cm-1（C-O-C不對稱伸縮振動(dòng)）。

圖1為聚乙二醇二丙烯酸酯的紅外光譜圖，對比聚乙二醇的IR圖譜可看出：合成的酯的紅外光譜吸收中羥基的特征吸收已明顯減小，在1730cm-1左右處出現(xiàn)新峰為酯羰基的伸縮振動(dòng)所引起的特征吸收譜帶，在1640cm-1左右處出現(xiàn)了C=C的特征吸收峰，在990cm-1左右處出現(xiàn)的峰為端烯烴的面外彎曲振動(dòng)峰，在810cm-1處出現(xiàn)的峰為烯氫鍵的變性振動(dòng)吸收峰。1283-1185cm-1左右處–C-O-C-反對稱和對稱伸縮振動(dòng)峰沒有變化，說明聚乙二醇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有被破壞[3]。

分析結(jié)果表明：聚乙二醇與丙烯酸發(fā)生了酯化反應(yīng)，生成了聚乙二醇二丙烯酸酯，轉(zhuǎn)化率較高。

2.2超強(qiáng)吸水劑的吸收倍率

稱取0.21g完全干燥的超強(qiáng)吸水劑，置于250ml水中，溶脹7天后，得到吸水后的超強(qiáng)吸水劑質(zhì)量為18.10g。吸水倍率Q=85.19，結(jié)果表明制得的超強(qiáng)吸水劑的吸水性不好。

對于超強(qiáng)吸水劑的性能測試，共做了兩次吸水實(shí)驗(yàn)。第一次是在超強(qiáng)吸水劑干燥4天時(shí)，吸水倍率為27.63；第二次是干燥11天時(shí)，吸水倍率為85.19。分析吸水倍率比較低，且前后不同的原因如下：

超強(qiáng)吸水劑的吸水性能與交聯(lián)度息息相關(guān)：交聯(lián)度過低，則未能形成足夠多有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對水的容納量自然少；交聯(lián)度過高，導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)空間變小，溶脹性變差，吸水率也隨之減小。

影響吸水性能的因素主要有引發(fā)劑、交聯(lián)劑用量、交聯(lián)劑的分子量、反應(yīng)溫度、中和度、單體濃度等，其中引發(fā)劑、交聯(lián)劑和反應(yīng)溫度對吸水性能影響較顯著。綜合各種影響因素，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)過程和操作，分析吸水倍率低的原因可能有兩個(gè)：一是單體濃度偏低，導(dǎo)致單體濃度偏低的原因可能是旋蒸并未完全除去苯，苯的殘留量過大。二是前后干燥程度不同導(dǎo)致吸水倍率不同，同時(shí)可以得出，在一定范圍內(nèi)，干燥的時(shí)間越長，吸水倍率越好。

3.結(jié)論

本文通過酸催化下的酯化反應(yīng)成功制得聚乙二醇二丙烯酸酯，產(chǎn)率為54.42%，并用紅外吸收光譜表征，再以之為交聯(lián)劑與被堿適度中和的丙烯酸在水溶液中共聚，合成了一種聚丙烯酸類超強(qiáng)吸水劑，吸水試驗(yàn)測得其吸水倍率為85.19。

4.實(shí)驗(yàn)部分

4.1丙烯酸的精餾

采用減壓蒸餾的方法純化丙烯酸（含氫醌阻聚劑），水浴加熱，冰水浴收集32-36℃/3mmHg的餾分，放置冰箱中備用。

4.2交聯(lián)劑（聚乙二醇二丙烯酸酯）的合成

在100ml三口瓶中分別裝置氮?dú)鈱?dǎo)入管、分水器、溫度計(jì)，在分水器的上方依次裝置冷凝管、氮?dú)鈱?dǎo)出管及液封裝置。

原料為聚乙二醇（27.5g）和丙烯酸（12.8g），對甲苯磺酸（4.5g）和氯化銅（32mg）作為反應(yīng)催化劑，氫醌（99mg）作為丙烯酸的阻聚劑以防止丙烯酸自聚，另外加入34mL苯與水生成共沸物以降低水的沸點(diǎn)。同時(shí)，在分水器中加入適量的苯。

投料完畢后，通N2氣保護(hù)，磁力攪拌，用電熱套加熱使體系溫度在83-93℃，反應(yīng)至無水分出（約2.5h）。結(jié)束反應(yīng)，記錄此時(shí)分出水的體積，約為2.6mL。再將反應(yīng)液移至分液漏斗中，依次用20%NaCl溶液、5%NaOH和15%NaCl混合溶液、20%NaCl溶液各50mL洗滌3次。最后水層無色且顯中性。再將溶液倒入干燥的錐形瓶內(nèi)，加入4g無水MgSO4干燥過夜。濾去MgSO4，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去苯，得到交聯(lián)劑。

4.3超強(qiáng)吸水劑（丙烯酸-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物）的制備

在100ml廣口瓶中分別裝置氮?dú)鈱?dǎo)入管、溫度計(jì)、氮?dú)鈱?dǎo)出管及液封裝置。

在一小燒杯中加入9.52mL丙烯酸、30g水，再加入堿（15mL7mol/mL氫氧化鈉溶液，冰水浴冷卻）中和。

往廣口瓶中加入0.3g的交聯(lián)劑-聚乙二醇二丙烯酸酯，再加入上述配好的混合液。通氮?dú)?0分鐘后，用注射器加入水溶性引發(fā)劑（0.6mL的1%（NH4）2S2O8和0.3mL1%NaHSO3溶液），混勻。水浴加熱，在40分鐘內(nèi)使體系溫度上升至70℃，待體系粘度明顯增大，則停止通氮?dú)?，密閉反應(yīng)體系，繼續(xù)在70℃反應(yīng)至凝膠生成，最終得到透明凝膠狀聚合體。取出，將其剪成細(xì)小塊狀，干燥至恒重，得到細(xì)小塊狀吸水劑。

4.4超強(qiáng)吸水劑吸收倍率的測定

準(zhǔn)確稱取一定量（0.21g）干燥的吸水劑，置于250mL自來水中，待溶脹至吸水飽和后，稱取吸水后的吸水劑的重量。準(zhǔn)確計(jì)算吸水劑的吸水倍率。（作者單位：北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院）

參考文獻(xiàn)

[1]Journal of Natural Gas Chemistry 251.

[2]Mining Science and Technology 864.

[3]Agricultural Sciences in China 2007，338.

[4]Yu，F(xiàn)；Sun，N；Guo，W.Zhang，J.Pei，M.Wang，Y.Wang，S.Shan Dong，Ji Nan；p 1.

[5]Yu，Z；Lei，J.Zhao，L.-q.Yun Nan，Kun Ming；p 6.

[6]Li，J；Ding，C.X.Luan，C；Qu，P.F.Ma，L.F.Journal of Beijing Institute of Technology 2007，98.