高吸水性樹脂是一種新型功能高分子材料， 它能吸收相當于自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍的水， 具有良好的吸水、保水性能，已經(jīng)成為功能高分子材料的研究熱點。隨著社會的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境友好型微波輻射高吸水性樹脂的設(shè)計和合成引起了人們廣 泛的關(guān)注。天然高分子纖維素具有很好的再生和生物降解性能，并具有淀粉類吸水性樹脂所不能及的耐鹽性和抗霉解性能。由于來源豐富、無毒和價格 低廉等優(yōu)勢，天然高分子纖維素已成為髙吸水性材 料研究的一個新方向。

2-丙稀醜胺基-2-甲基丙橫酸(AMPS)是一種 丙烯酰胺系陰離子單體，分子中的磺酸基團使其具 有強陰離子性、強的耐鹽性和吸水性，分子內(nèi)空間 位阻使其具有比丙烯酰胺更好的耐水解性、抗酸堿 性及熱穩(wěn)定性。近年來報道了不少關(guān)于AMPS與其 他單體共聚制備復(fù)合高吸水性樹脂的研究[7]。Liu 等18喇用丙烯酰胺（AM)和AMPS共聚合成了具有 良好的耐鹽性和保水性的復(fù)合髙吸水性樹脂；余 響林等i9]合成了聚（丙烯酸/AM/AMPS)高吸水性 樹脂，并發(fā)現(xiàn)AMPS的加入能提高沙土的飽和含 水量。

微波輻射是一種新興的高分子合成技術(shù)，與 傳統(tǒng)聚合法相比，微波輻射具有穿透力強、清潔及 加熱迅速、均勻和高效等優(yōu)點[_]。

本工作采用微波輻射法，以羧甲基纖維素鈉 (CMC)作為基體樹脂，接枝共聚AMPS合成了高 吸水性樹脂P(AMPS/CMC),探討了樹脂的最佳合 成條件，并對樹脂的結(jié)構(gòu)進行了表征。

1實驗部分 1.1主要試劑

CMC:分析純，上海山浦化工有限公司; AMPS:工業(yè)品，山東壽光聯(lián)盟精細化工有限公 司；亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA)、A1C13: 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；過硫酸銨 (APS)、NaCI:分析純，南京化學試劑廠；無水 CaCl2、NaOH:分析純，汕頭市西隴化工有限公司。 1.2試樣的制備

準確稱取一定量的CMC和AMPS并置于250 mL的單口燒瓶中，充分攪拌使其分散均勻；力U人 25% (w)的NaOH溶液調(diào)節(jié)AMPS的中和度(iV);加 人定量的去離子水使w (CMC+AMPS) =30% (基于 體系的質(zhì)量）；再加人一定量的引發(fā)劑APS、交聯(lián) 劑NMBA溶液，繼續(xù)攪拌至混合均勻；把燒瓶轉(zhuǎn)移 到LWMC-201型微波反應(yīng)器(南京陵江科技開發(fā)有 限責任公司）中，反應(yīng)一定時間得到無色透明的膠 體；將膠體置于95弋的真空烘箱中干燥至恒重, 粉碎干燥產(chǎn)物即制得高吸水性樹脂P (AMPS/CMC) 的粗產(chǎn)品；在70弋下用去離子水浸泡粗產(chǎn)品、攪 拌、洗滌3次以除去未交聯(lián)的均聚物和未反應(yīng)的單 體，過濾、干燥、粉碎，制得純化的高吸水性樹脂

P(AMPS/CMC)。

1.3樹脂吸水性能的測定與表征 1.3.1樹脂吸水倍率的測定

室溫下用一定量的去離子水或無機鹽溶液浸 泡質(zhì)量為％的樹脂，待吸水達到飽和后，用120目 標準篩過濾，靜置lhS濾去多余的液體，稱其凝膠 的質(zhì)量為％。樹脂吸水倍率(Q)的計算公式如下：

1.3.2樹脂的表征

采用Bruker公司VECTOR 33型傅里葉變換紅 外光譜儀測定樹脂的FTIR譜圖；采用日本島津公 司KYKY EM3200型掃描電子顯微鏡觀察樹脂的形 貌；采用北京恒久科學儀器廠HCT-1/2型TG-DSC 聯(lián)用儀分析樹脂的熱穩(wěn)定性。

2結(jié)果與討論

2.1合成條件對樹脂吸水倍率的影響

2.1.1微波輻射的時間、功率對吸水倍率的影響 微波輻射的時間、功率對P (AMPS/CMC)樹 脂在去離子水中吸水倍率的影響見圖1。

從圖l可知，微波功率低時，達到較大吸水 倍率所需輻射時間較長。當微波功率分別為130, 195 , 260W時，樹脂的吸水倍率分別在輻射時間為 5.50, 3.15, 2.45 min時達到最大值（分別為1012, 1008 , 902g/g);當微波功率為130W時，樹脂的吸 水倍率在輻射時間小于4.50 min時很低。微波功率 小、輻射時間短時，由于反應(yīng)速率慢使得樹脂的吸 水性差；而微波功率過大、輻射時間過長時，由于 反應(yīng)劇烈使產(chǎn)物中出現(xiàn)大量的糊斑，破壞了樹脂的 三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成樹脂的吸水倍率下降。因此， 較合適的微波功率為195 W、輻射時間為3.15 min。

在合成條件不變的情況下，采用水溶液聚合 法在反應(yīng)溫度為60時間為4 h的條件下合成的

P(AMPS/CMC)樹脂，其吸水倍率為928g/g,略低 于采用微波輻射法合成的相應(yīng)樹脂。由此可見，微 波輻射不但能大幅縮短聚合反應(yīng)時間、無需控制溫 度，還能保證產(chǎn)品具有優(yōu)異的吸水能力，是一種高 效、環(huán)保的工藝。

2.1.2 NMBA用量對樹脂吸水倍率的影響

NMBA用量對P (AMPS/CMC)樹脂吸水倍率 的影響見圖2。

從圖2可知，隨NMBA用量的增加，樹脂在離 子強度為0.154 mol/L的NaCl, CaCl2, A1C13溶液和 去離子水中的吸水倍率均呈先增大后減小的趨勢, 當w (NMBA) =0.5% (基于AMPS的質(zhì)量）時吸水倍 率均達到最大值（分別為96, 43, 18, 1 232g/g)。 這是因為NMBA用量較小時，樹脂因交聯(lián)度小、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不明顯而水溶性較大、吸水倍率低；隨 NMBA用量的增加，樹脂的交聯(lián)度逐漸增大，吸水 倍率也相應(yīng)增大；當w(NMBA)>0.5%時，NMBA 用量的增加導致樹脂交聯(lián)度過大、樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過 于緊密，樹脂吸水后其溶脹度有限，水很難從樹脂 的表面進人內(nèi)部，使其吸水倍率降低。因此，選擇 w(NMBA) =0.5% 較適宜。

由圖2還可知，在相同離子強度下，P(AMPS/ CMC)樹脂吸水倍率與金屬陽離子的價態(tài)有關(guān)，樹 月旨吸水倍率大小的順序為：NaCl>CaCl2>AlCl3。這 是因為高價金屬離子不僅導致樹脂內(nèi)外滲透壓顯著 下降，而且易與網(wǎng)絡(luò)上親水基團發(fā)生絡(luò)合作用，使 交聯(lián)網(wǎng)孔變小，所以高價金屬離子的存在使樹脂的 吸水能力顯著降低。從圖2還可知，樹脂在各種無 機鹽溶液中仍具有較高的吸水倍率，說明合成的樹 脂具有很強的耐鹽性能。

2.1.3 AMPS中和度對樹脂吸水倍率的影響

AMPS中和度對P (AMPS/CMC)樹脂吸水倍率 的影響見圖3。

從圖3可知，當AMPS) =45%時，樹脂在離 子強度為〇.154mol/L的NaCl, CaCl2, A1C13溶液 和去離子水中的吸水倍率達到最大值(分別為115, 48, 20, 1 332 g/g)。當#(AMPS) <45%時，吸水 倍率隨中和度的減小呈下降趨勢。這是因為中和度 較小時，溶液酸度較大，樹脂網(wǎng)絡(luò)中的一S03HS 量多，聚合速率較快，易形成高度交聯(lián)的聚合物, 使吸水倍率下降，且中和度較小時CMC也易被酸 解而破壞接枝；當iV(AMPS)>45%時，吸水倍率 隨中和度的增加而下降，這是因為隨中和度的增 加，樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的離子濃度開始增加，水分 子與離子之間的氫鍵彼此干擾排斥，且樹脂在水 中釋放的Na+形成的反離子屏蔽效應(yīng)增強，從而使 聚合物鏈的膨脹伸展能力減小，導致吸水倍率及

140012001000800600§ (,_8 • §

耐鹽性能下降。因此，選擇#( AMPS) =45%較

適宜。

2.1.4 APS用量對樹脂吸水倍率的影響

APS用量對P (AMPS/CMC)樹脂吸水倍率的影 響見圖4。從圖4可知，隨APS用量的增加，樹脂在 去離子水和各種鹽溶液中的吸水倍率呈先增大后減 小的趨勢，當w(APS)=2.0% (基于AMPS的質(zhì)量） 時，樹脂的吸水倍率達到最大值。這是因為當APS 用量少時，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的自由基數(shù)目較少，反 應(yīng)速率低，在CMC上產(chǎn)生的接枝點少且共聚物分 子鏈短，不利于形成較多的吸水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，樹脂因 交聯(lián)度低而可溶性好，造成了吸水倍率低;APS用 量增加有利于提髙聚合產(chǎn)率和接枝率，從而提高樹 脂的吸水倍率；當APS用量過多時，鏈終止反應(yīng) 幾率增加，CMC上的接枝率下降，使樹脂的吸水 倍率下降。因此，選擇w( APS) =2.0%時較適宜。

2.1.5 CMC用量對樹脂吸水倍率的影響

CMC用量對P (AMPS/CMC)樹脂吸水倍率的 影響見圖5。由圖5可知，當w(CMC) <5%時，樹 脂在去離子水和各種鹽溶液中的吸水倍率隨CMC 用量的增加而逐漸增大；當w(CMC)=5%時，樹 脂在離子強度為0.154111〇丨幾的他(：丨，€3<：12,八103 溶液和去離子水中的吸水倍率達到最大值（分別 為126, 63, 20, 1 345 g/g);而后棚旨的吸水倍 率隨CMC用量的增加反而降低。在CMC用量較低 時，隨CMC用量的增加，纖維素大分子骨架相對 增多，形成的活性接枝點增加，吸水倍率增加。當 w(CMC) >5%時，隨CMC用量的增加，由于單體 的相對含量降低，CMC上接枝的AMPS量減少， 協(xié)同作用不足以彌補樹脂上強吸水基團一 SO;的減 少而引起溶脹能力降低，同時，隨CMC用量增加， 反應(yīng)體系的黏度增大，單體碰撞減弱，反應(yīng)速率下 降，接枝鏈變短，不利于形成有效的高分子網(wǎng)絡(luò), 也使吸水倍率下降。從圖5還可知，與P( AMPS)樹 脂相比，反應(yīng)體系中w(CMC)=5%時合成的 P (AMPS/CMC)樹脂在去離子水和NaCT溶液中的 吸水倍率分別提高了28%和69%,這說明CMC接枝 長鏈和多種親水基團的協(xié)同作用能更有效地增加樹 脂的吸水性和耐鹽性。因此，選擇w(CMC) =5%較 適宜。

2.2TG分析結(jié)果

P (AMPS)和P (AMPS/CMC)樹脂的TG曲線 見圖6。從圖6可見，P(AMPS/CMC)樹脂的熱失重 可分為3個階段：30-230 t為第一失重區(qū)，由樹 脂中殘留的吸附水分和結(jié)合水分的蒸發(fā)引起，熱 失重約9%; 240-430 T為第二失重區(qū)，熱失重約 40%,可能是樹脂中低聚物和聚合物的分解所致; 430 ~ 500 T為第三失重區(qū)，可能是剩余聚合物進 一步分解所致，最后的灰分質(zhì)量分數(shù)約為40%。 P(AMPS/CMC)樹脂的失重主要發(fā)生在250尤以 上，可見該樹脂具有較好的熱穩(wěn)定性，可適應(yīng)較 高的工作溫度。比較P( AMPS/CMC)和P( AMPS) 樹脂的TG曲線可知，P( AMPS/CMC)樹脂的第 二失重區(qū)開始分解的溫度為240丈，明顯高于 P (AMPS)樹脂的相應(yīng)分解溫度（200 t),這說明 CMC的加入有利于提高樹脂的熱穩(wěn)定性。

2.3FTIR表征結(jié)果

P ( AMPS/CMC )樹脂和CMC的FT1R譜圖見

圖7。

從圖7可見，在CMC的FTIR譜圖中，1621,

1 405 cnT1處的吸收峰歸屬于C = 0鍵的反對稱和對 稱伸縮振動；1 318, 1063 cm_1處的吸收峰歸屬于 纖維素C—O—C鍵的伸縮振動和非伸縮振動。在 P( AMPS/CMC)樹脂的 FTIR 譜圖中，1 652, 1405 cnT1處的吸收峰歸屬于C = 0鍵反對稱和對稱伸縮 振動；丨549 cm—1處的吸收峰歸屬于AMPS中C=0鍵 的對稱伸縮振動；1 214, 1039 cnT1處的吸收峰分 別歸屬于磺酸基中s = o鍵的對稱和非對稱伸縮振 動；624 cnT1處的吸收峰歸屬于磺酸基中S—0鍵的 伸縮振動。兩條曲線中2 918, 2 926 cnT1處的吸收 峰分別歸屬于C—H鍵的非對稱和對稱伸縮振動； P (AMPS/CMC)樹脂的譜圖中0—H鍵的伸縮振動 特征峰（對應(yīng)于3451 cm_l)強度弱于CMC,可見在 CMC上的羥基接枝了 P(AMPS)支鏈，同時在 1 650 cm4附近未發(fā)現(xiàn)C=0鍵的特征吸收峰。由此 可見，AMPS單體充分進行了接枝共聚反應(yīng)。

2.4SEM表征結(jié)果

P(AMPS/CMC)樹脂的SEM照片見圖8。從 圖8可見，樹脂的表面布滿了孔洞、凹槽和層狀空 隙，表面溝壑縱橫，呈花瓣狀的分層結(jié)構(gòu)。這種 結(jié)構(gòu)這有利于水進入樹脂顆粒內(nèi)部，從而提高吸水 速率，增大樹脂的吸水倍率。

3結(jié)論

(1)采用微波輻射法在CMC上接枝AMPS,合 成了耐鹽高吸水性樹脂P(AMPS/CMC)。在最佳 條件（m(NMBA) :m(APS) :w(CMC): m(AMPS)=0.5 : 2 : 5 : 100，尸=195 W, /=3.15 min, TV (AMPS) =45%, w(CMC+AMPS)=30%) 下合成的P (AMPS/CMC)樹脂在去離子水以及離子 強度為〇.154mol/L的NaCl, CaCl2, Aicy§液中的 吸水倍率分別為1 345，126, 63, 20 g/g,該樹脂 具有較好的耐鹽性能。

(2)表征結(jié)果顯示，CMC和AMPS單體進行 了接枝共聚反應(yīng)；P(AMPS/CMC)樹脂具有較好 的層狀空隙結(jié)構(gòu)，有利于提高樹脂的吸水倍率； P(AMPS/CMC)的主分解溫度在250"€以上，具有 良好的熱穩(wěn)定性，同時CMC的加人對樹脂的熱穩(wěn) 定性和耐鹽性能均有所改善。

轉(zhuǎn)載請注明：山東東達纖維素有限公司（http://www.flpwdlsd.cn/)