瓜尔胶基高吸水性树脂的制备溶胀行为与保水性能

发布日期:2015-07-15 00:21:20

瓜尔胶基高吸水性树脂的制备溶胀行为与保水性能

吸水性树脂一种具有优异吸水和保水性能 的新型功能高分子材料,己在生理卫生用品、农林 园艺、废水处理和沙漠治理等方面得到了广泛应用。迄今为止,多种材料己被用于高吸水性树脂合成,在该领域研究己经取得了显著进展。

近年来,环境友好高吸水性树脂的设计和合成引起人们的广泛关注。天然高分子具有成本低、可再生和生物可降解性好等合成聚合物无法比拟的优势,将其作为原料合成兼具优良吸水、保水性能和环境友好性的新型高吸水材料表现出了广阔的应用 前景。目前淀粉151、纤维素16、壳聚糖171和海藻酸 钠181等己经用于高吸水性树脂的制备,进一步拓展其他天然高分子在该领域的研究和应用具有重要意 义。
瓜尔胶(GG)是一种天然非离子型半乳甘露 聚糖胶,其结构是以(-1,4苷键相互连接的D-甘 露糖单元为主链,再在主链上的部分D-甘露糖单 元的C6位上间隔地连接单个D-半乳糖(卩-1,6苷 键)为支链,其半乳糖与甘露糖之比约为1 :219, 目前己经在纺织110、造纸1111和石油工业1121等领域 得到了广泛的应用。然而,瓜尔胶在高吸水性树脂 领域的应用研究还未见文献报道。为此,本工作以 天然GG为原料,通过接枝共聚反应制备了瓜尔胶 接枝聚丙烯酸(GG-g-PAA)高吸水性树脂,重点 研究了该树脂的制备、溶胀行为和保水性能。
瓜尔胶:食品级(数均分子量220000),武汉 天源生物技术有限公司;丙烯酸(AA):化学纯, 上海五联化工厂,使用前经减压蒸馏;过硫酸铵 (APS):分析纯,西安化学试剂厂;NN'-亚甲基 双丙烯酰胺(MBA):化学纯,中国医药(集团) 上海化学试剂公司。其他试剂均为分析纯。
高吸水性树脂三维网络结构是通 过自由基接枝聚合和化学交联反应形成的,其聚合 反应机理如图1所示。首先引发剂过硫酸铵 (APS)受热分解产生自由基,然后与GG作用形 成GG-O。自由基。当GG-O。与单体AA接触时, 引发单体形成新的自由基活性点,更多的单体参与 反应使接枝链得以増长1141。在聚合反应过程中, MBA均匀分散在体系中,并通过自身的不饱和双形成三维网络结构。
高吸水性树脂的 吸水倍率随着亲水有机溶剂浓度的增加而下降。与 聚丙烯酸/凹凸棒黏土复合高吸水性树脂相比[17], 该树脂对亲水有机溶剂较为敏感。由于凝胶在外界 条件变化时具有凝胶相变和凝胶坍塌现象,所以当 亲水有机溶剂浓度大于10% (体积,下同)时, 凝胶网络开始塌陷导致其吸水能力迅速降低并在浓 度大于60%时接近于零。然而,当亲水有机溶剂 的浓度低于10%时,树脂的吸水能力下降较小。 在甲醇/水混合溶液中,树脂的吸水倍率在10% ~ 60%浓度范围内呈线性下降;在乙醇/水和丙酮/水 混合溶液中,树脂的吸水倍率在10% ~40%浓度 范围内呈线性下降,但在40%~60%范围内下降 速度减慢。高吸水性树脂在不同浓度区间吸水倍率 次序为:甲醇/水> 丙酮/水> 乙醇/水(10%~80%)。这种趋势是由于溶液中亲水有机溶质的存 在产生了额外渗透压以及混合溶液介电常数差异影 响了离子基团的解离度。当有机溶剂浓度较低时, 混合溶液的介电常数接近于水的介电常数,所以树 脂在混合溶液中的吸水倍率与在水中非常接近。当 有机溶剂的浓度从10%增加到20%时,亲水有机 溶剂可以充当溶质而产生一种额外的渗透压,该渗 透压在这个浓度区间的影响大于介电常数差别的影 响。当浓度大于20%时,混合溶液的介电常数差 别较大,此时介电常数差别对网络内离子的解离度 的影响起主要作用
作为一种新型节水材料,高吸水性树脂在不同 温度条件下的保水性能对其在各领域的应用有较大影响。因此,作者测定了 GG-g-PAA高吸水性树 脂在室温(RT)和高温下的保水性能,保水曲线 示于图6。从中可以看出,充分溶胀的树脂在室 温、60、80、100°C的保水率均随着时间的延长而 下降。在起始阶段,保水率随时间延长呈线性下降 趋势,而在后期失水速率明显减慢。该树脂在室温 下的保水曲线较高温时平缓,在60C时的保水曲 线明显比在80 C和100 C时平缓,而且表现出了最 长的保水时间14 h与之相反,树脂在80 C和 100 C时的保水曲线更陡,而且二者线形较为接近。
(1)以GG和AA为原料,过硫酸铵为引发 剂,亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,用水溶液 聚合成功制备了 GG-g-PAA高吸水性树脂。
(2)交联剂MBA浓度对高吸水性树脂溶胀动 力学和溶胀能力有较大影响。降低M BA的浓度可 提高树脂的吸水能力,但却使其吸水速率下降;增 加MBA的浓度会降低树脂的吸水能九但却能够 使吸水速率得以提高。
()GG-g-PAA高吸水性树脂对亲水有机溶 剂较为敏感,随着亲水有机溶剂/水混合溶液浓度 的增加,其吸水倍率迅速下降,其中在乙醇/水和 丙酮/水混合溶液中下降较为明显。
(4)不同阳离子和阴离子盐对树脂的吸水能力 有较大影响,随着盐溶液离子强度的增加树脂的吸 水倍率下降。在较高离子强度时(> 1X 10 2 mol "kg J,在单价阳离子盐溶液中的吸水倍率 高于多价阳离子盐溶液。在相同离子强度时,树脂 在3种阴离子盐溶液中的溶胀能力次序为:
KNO3<K2SO4〈K3PO4。
温度对树脂的保水能力有较大影响,充分 溶胀的高吸水性树脂在室温条件下(相对空气湿度 28% RH)可以保水6 d在60 C时可保水14h, 在100C时也能达到7h,表现出了较好的保水效果。