鄭煥強(qiáng) 高建成 郭文杰

（濱州學(xué)院資源環(huán)境系，濱州 256600）

一種高分子滅火凝膠的制備與研究

鄭煥強(qiáng) 高建成 郭文杰

（濱州學(xué)院資源環(huán)境系，濱州 256600）

以丙烯酸和地瓜淀粉為功能單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，制備了高分子滅火凝膠。利用控制變量法，改變交聯(lián)劑用量、淀粉用量、pH值以及聚丙烯酰胺的用量可得。凝膠的吸水率在酸堿不同條件下的變化以及控制反應(yīng)溫度（溫度選擇20℃和80℃），測定凝膠黏度的變化，選擇出吸水性能好溶脹速率高的一組凝膠。對凝膠進(jìn)行溶脹動力學(xué)測定，淀粉用量增多，溶脹速率減小，聚丙烯酰胺用量增加，溶脹速率增大。

滅火凝膠 丙烯酸 吸水性

1. 引言

二氧化碳滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、無機(jī)水膠體滅火器以及低分子氣體滅火器等是最常見的滅火劑，這些滅火器雖然能滅掉火災(zāi)，但是效率大多不好，并且大多有腐蝕性和刺激性氣味，經(jīng)常使用，會損壞儀器設(shè)備、造成周圍環(huán)境的破壞，對人的身體也會造成一定影響[1]。針對上述情況，研發(fā)出環(huán)保，無危害的滅火劑已成為非常緊迫的研究課題。高分子凝膠具有良好的保水、固水特性，在高溫下能夠長時間冷卻火區(qū)，同時這種高分子凝膠制作的滅火劑安全無毒害，殘留少，很容易清理，逐漸替代上述滅火劑,是很好的滅火劑材料。

本文以丙烯酸，分析純,氫氧化鈉，過硫酸鉀，光譜純、地瓜淀粉、氮?dú)鉃橹饕牧?，采用混配法制備高分子凝膠。實(shí)驗(yàn)對(1)凝膠的制備及配方，不同單體用量凝膠的吸水率測定，凝膠樣品的掃描電鏡與紅外光譜分析。凝膠的黏度分析以及對不同單體用量凝膠的溶脹動力學(xué)測定。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及主要儀器

丙烯酸，分析純、聚丙烯酰胺,氧化鈉,硫酸鉀溴化鉀，光譜純、地瓜淀粉、氮?dú)?、磁力攪拌加熱器、傅里葉紅外光譜儀（NEXUS 670 FT-IR型，美國Nicolet）、數(shù)顯粘度計(jì)（NDJ-1S型）等。

2.2 高分子水凝膠的制備

取不同量的淀粉，放入三口瓶中于80℃下糊化，量取20ml的丙烯酸(AA)，20mL蒸餾水，配成丙烯酸水溶液，用NaOH水溶液中和，中和度為70%，得到單體調(diào)整液，待到淀粉糊化完成至透明狀態(tài)時，將其加入三口瓶中。充分?jǐn)嚢韬蠹尤刖郾０?，不同量的交?lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（Bis）和8mL過硫酸銨水溶液（0.004g/mL），然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于65℃下水浴攪拌加熱1到2h。2.3同單體用量凝膠的吸水率測定

取0.1g各組干凝膠樣品粉末，放入一定量蒸餾水（至少50mL）中，在室溫下靜置24小時至溶脹平衡后，稱量其質(zhì)量并計(jì)算吸水率，公式如下：

吸水率=吸水至溶脹平衡的凝膠質(zhì)量/干凝膠質(zhì)量

2.4 同單體用量凝膠的溶脹動力學(xué)測定

取相同質(zhì)量的若干組(3、8、9、12)干凝膠樣品，放入室溫下的蒸餾水中溶脹，每隔一定時間取出凝膠，用濕潤的濾紙擦去多余水分后稱重，記錄質(zhì)量數(shù)值。然后再將凝膠重新放入水中繼續(xù)溶脹，重復(fù)上述操作直到凝膠達(dá)到溶脹平衡。最后計(jì)算每個時間點(diǎn)凝膠的溶脹率，公式如下：

SR=(Wt - Wd)/Wd（Wt表示室溫下每隔一定時間后凝膠的質(zhì)量，Wd表示干凝膠的質(zhì)量）

2.5 度分析

選擇出吸水性較好并且溶脹速率較快的凝膠，配置成以下濃度的水溶液，分別為0.1%，0.25%，0.5%，0.75%，1%，3%，然后注入干燥潔凈的燒杯中，置于20℃的環(huán)境中，用粘度計(jì)測其粘度，再將燒杯置于80℃的水浴鍋中加熱至80℃，用粘度計(jì)表觀其粘度，分別重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次取他們的平均值，然后對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3. 結(jié)果與分析

3.1.1 交聯(lián)劑對吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)交聯(lián)劑用量增加時，該凝膠的吸水率逐漸增大，并且當(dāng)交聯(lián)劑用量為0.02g時，該凝膠的吸水率達(dá)到最大，這是因?yàn)楫?dāng)交聯(lián)劑用量少于0.02時，產(chǎn)品的線性結(jié)構(gòu)較多，不能有效形成低交聯(lián)度的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品部分呈水溶性；當(dāng)交聯(lián)劑用量從0.02g增加到0.03g時，該凝膠的吸水率逐漸降低，交聯(lián)劑用量過多，產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)點(diǎn)增多，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔徑變小，產(chǎn)品的溶脹度變小導(dǎo)致產(chǎn)品的吸水倍率減小。

3.1.2 淀粉用量對吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)中，高分子水凝膠的吸水率隨淀粉用量的增加而減少。這是由于淀粉的增加，其他單體的量不變，使得淀粉和其他單體的配比增大，淀粉糊化時粘度增大，引發(fā)劑和單體的擴(kuò)散受到阻礙，并且淀粉里的自由基引起的自聚作用增強(qiáng)，從而使共聚率降低，使得高分子水凝膠的吸水率下降。

3.1.3pH值對吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)中，凝膠在酸性條件下收縮，在堿性環(huán)境中膨脹，當(dāng)pH值為7時，該凝膠的吸水率達(dá)到最高值。該高分子水凝膠為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其收縮與擴(kuò)張與內(nèi)外濃度差有關(guān)，從而導(dǎo)致吸水率的差別。當(dāng)pH＜3時，外界濃度較高，導(dǎo)致吸水性降低；當(dāng)pH＞7時，仍然存在濃度差，仍然具有一定的吸水性。

3.1.4 丙烯酸的用量對吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)中，隨著丙烯酸的量的增加，該凝膠的吸水率先減小后增大，當(dāng)聚丙烯酰胺的數(shù)量為3g時，該高分子水凝膠的洗水率達(dá)到最大值。

3.2 凝膠樣品的紅外光譜分析

圖1 凝膠的紅外光譜圖

由圖1可以看出，四組凝膠在627cm-1處對應(yīng)的是地瓜淀粉的特征峰，說明地瓜淀粉成功參與了反應(yīng)，高分子滅火水凝膠的-OH伸縮震動峰為3470.8cm-1，在2430cm-1處是丙烯酸的-NH伸縮震動峰，說明丙烯酸成功參與了反應(yīng)，-COO的反對稱伸縮震動峰在1460cm-1處，其對稱的伸縮震動峰在1404cm-1處。經(jīng)過以上分析可以看出，該產(chǎn)品是由地瓜淀粉、丙烯酸共聚而成的。

3.3 黏度分析

將選出的12號凝膠分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，0.25%，0.5%，0.75%，1%，3%的水凝膠，并將測出的表觀黏度和溶液粘度數(shù)據(jù)做成圖表，在20℃時，該凝膠的黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，與80℃相比，20℃環(huán)境下凝膠的黏度升高的幅度較大，而80℃環(huán)境下的凝膠黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加升高較為緩慢，基本上趨于平穩(wěn)狀態(tài)。黏度較大的凝膠，在滅火時能夠在可燃物表面覆蓋時間長。在20℃的環(huán)境中，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.75%時，黏度明顯升高，這將會導(dǎo)致滅火劑不宜噴出，增加了滅火難度和費(fèi)用，將會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。但是如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%時，溶液中凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小并且黏度增加也不大，就會影響滅火效果。所以以普通水系滅火劑添加劑普遍使用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及上述黏度數(shù)據(jù)的分析作為參照，研究制得的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%水凝膠添加劑是最合適。

4. 結(jié)束語

本文以聚丙烯酰胺為單體，以地瓜淀粉、丙烯酸為功能單體，在引發(fā)劑過硫酸鉀和凝膠劑Bis的作用下用自由基共聚法合成了高分子水凝膠。通過對凝膠樣品進(jìn)行，紅外光譜分析，得出以下結(jié)論：當(dāng)聚丙烯酰胺為2g，淀粉為2g時，交聯(lián)劑Bis選擇0.02g最合適，即原料配比為100:100:1。聚丙烯酰胺為2g，交聯(lián)劑Bis選擇0.02g，淀粉選擇2g最合適。在相同的反應(yīng)條件下，使用3g聚丙烯酰胺時，該高分子水凝膠的吸水率最大。因此，選用3g聚丙烯酰胺作為單體數(shù)量最合適。通過以上結(jié)論，結(jié)合本研究制定的方案，在12組水凝膠中，12號凝膠是最佳的一組

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安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目（shandong-0017-2015AQ，shandong-0068-2015AQ）

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1007-6344（2015）12-0205-01