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高吸水性树脂已成为卫生护理用品、医用材料、农林园艺、防沙固沙等领域重要的功能高分子材料。随着人们环保意识的增强,以天然高分子为主要成分、开发可生物降解、环境友好的高吸水性树脂替代合成树脂类己成为研究的重点。当前生物可降解高吸水性树脂主要是以淀粉、纤维素等天然高分子为原料合成的,其合成工艺复杂,易腐败,耐热性差,吸水后凝胶强度低,长期保水性及耐盐性差。
黄原胶无毒,可降解,具有高黏度,高耐酸、碱、盐,高耐热稳定性等特性,同时由于其分子结构上具有大量活泼的伯、仲醇羟基,可以保证其分子上接枝共聚反应的进行。本文采用水溶性过硫酸钾为引发剂,通过溶液聚合,使部分中和的丙烯酸在黄原胶分子链上发生接枝聚合反应,并加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺进行一定程度的交联,合成了具有较强吸水及耐盐性能的黄原胶/丙烯酸高吸水性树脂。
为提高吸水倍率,通过设计正交实验,进行了各种不同条件的研究,发现丙烯酸与黄原胶单体质量比、交联剂用量、反应温度、引发剂用量及丙烯酸中和度对树脂吸水倍率影响较大,因此选择这几个因素研究其对树脂吸水倍率的影响。结果表明高吸水性树脂吸水倍率的最佳合成工艺条件为:丙烯酸与黄原胶质量比m(AA):m(XG)=6:1,交联剂、引发剂与黄原胶的质量比分别为0.01和0.003,丙烯酸中和度为70%,反应温度为65℃,反应时间为4h。
对最佳合成条件下的黄原胶/丙烯酸高吸水性树脂的各项性能进行表征,结果表明,常温下最大吸生理盐水倍数为156g/g,同时吸蒸馏水倍数为854g/g,表现出了较强的耐盐性能及对盐溶液类型及浓度的承受能力。同时所合成的材料吸液速率适中,得出了吸液速率方程,另外所合成的高吸水性树脂具有较好的常温保水性、离心保水性、热保水性、承压保水性。
通过傅立叶红外光谱仪(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、热重分析(Thermal gravimetric analysis,TGA)、扫描电镜(scanning electronmicroscopy,SEM)、偏光显微镜(Polarizingmicroscope,PM)等手段对高吸水性树脂进行表征。FT-IR、XRD分析结果均表明AA已接枝到XG上,并且由于引入丙烯酸改变了黄原胶的性能,结晶度发生了一定的变化。TGA分析表明接枝共聚物热稳定性相比黄原胶有所提高。SEM和PM观测接枝共聚前后样品,观测到原来表面平整规则的黄原胶分子经过接枝改性后其表面布满了孔洞、凹槽和层状空隙,这些都是导致其吸水的微观结构。
此外,通过两组改进实验,分别确定了辐射引发接枝和凹凸棒复合型高吸水性树脂制备的最佳工艺条件,并且所得产物各有特点:其中辐射接枝高吸水性树脂吸水倍率及吸液速率有所降低,但保水性能提高;凹凸棒复合型高吸水性树脂吸水倍速及吸水速率都有提升,但保水性能稍有减弱。