维普资讯 http://www.cqvip.com 第１８卷第５期 高分子材料科学与工程 ｖ。１．１８．Ｎ０．５ ２００２年９月ＰＯＬＹＭＥＲ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐｔ．２００２ 超强吸水树脂的吸水性能研究 马凤国，廖双泉，周贵忠，邵自强，谭惠民 （北京理工大学化工与材料学院，北京１０００８１） 摘要：对自制的超强吸水树脂的吸收性能进行了研究，分别考察了吸水树脂的粒径，溶液的ｐＨ值，几种 离子如Ｎａ ，Ｋ ，Ｃａ”，Ｍｇ 等的水溶液对吸水树脂吸收性能的影响。实验结果表明，在ｐＨ为６～８，树 脂粒径为ｉｏｏ ｍｅｓｈ￣１２０ ｍｅｓｈ时，树脂的吸水性能最好，各种离子对吸水树脂吸收性能的影响大小顺 序为：Ｎａ ＜Ｋ ＜Ｍｇ ＜Ｃａ 。 关键词：超强吸水树脂；吸收性能；粒径；ｐＨ值；金属离子 中图分类号：ＴＢ３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．７５５５（２００２）０５．Ｏｌ９９．０３ 高吸水性树脂是一种新型的功能高分子材 ０．０６ ，ＭｇＳＯ４・７ＨｚＯ ０．１１ ；ＮａＣ１、ＣａＣ１ ｚ、 料，其吸水量可达自身质量的几十至几千倍，是 ＭｇＳＯ 等均为分析纯。 一般传统吸水材料如硅胶、石灰、活性炭等所不 １．２吸收性能测试方法 可比拟的。近３０年来，它在医疗卫生、农林、园 采用滤袋法，使用１００ ｍｅｓｈ滤袋，具体方 艺、建筑等各个领域都得到了广泛的应用。 法参见文献Ｅｌ３，以吸水倍率（ Ｒ）表示。分别 按吸水树脂高分子链上官能团的不同，可 测试吸水树脂在０．１ ～０．９ 的氯化钠溶液、 以分为离子型及非离子型吸水树脂，离子型吸 溴化钾溶液、氯化钙溶液、硫酸镁溶液、人工尿 水能力强，但其耐盐性较差，吸水速度较低；非 中的吸水性能，从而考察不同离子及浓度对树 离子型吸水剂的吸水速度快、耐盐性也较好，但 脂吸收性能的影响。注意在测量时，吸液时间应 吸水能力较差Ｌ１ ］。 保持相同。 高吸水性树脂的吸水性、保水性和吸水速 度等性能除了与材料本身的结构有关外，还受 ２结果与讨论 到诸多因素的影响，如树脂的形状、粒径、粒径 ２．１粒径对吸水树脂吸性能的影响 分布等。本文对自合成的以羧甲基纤维素 由Ｆｉｇ．１可知，吸水树脂粒径对树脂的吸 （ＣＭＣ）、丙烯酸、丙烯酰胺为原料所制备的吸 收性能有很大的影响。粒径为８Ｏ ｍｅｓｈ以下时， 水树脂的吸水性能进行了研究，探讨各种因素 吸水（液）率随树脂粒径的减小而显著增加，在 对树脂性能的影响。 ８Ｏ ｍｅｓｈ￣１２Ｏ ｍｅｓｈ时吸水（液）率变化不是很 显著，大于１８Ｏ ｍｅｓｈ时吸水（液）率反而有所下 １实验部分 降，亦即吸水树脂粒径过小吸水率反而降低。这 １．１主要原料 是因为高吸水性树脂属高分子电解质，吸水能 Ｍ＋Ａ系列吸水树脂：自制；盐水：０．９ 力是其中的亲水基团的贡献。当与水接触时，树 ＮａＣ１的生理盐水；标准人工尿溶液：按美国农 脂的亲水基团与水作用，水逐渐渗入树脂内部， 务研究所推荐的配比配制，其组成为：水 这样单位体积中质点数增加，渗透压增加，部分 ９７．０７ ，尿素１．９４ ，ＮａＣ１ ０．８Ｏ ，ＣａＣ１ｚ 高分子上的钠离子向水中扩散，导致高分子链 收稿Ｅｌ期：２００１—０１－０９；修订日期：２００１—０４—１４ 作者简介：马凤国（１９７３一），男．博士． 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００ 高分子材料科学与工程 带净电荷，由于静电斥力，引起高分子链扩展。 高分子链的扩展又导致高分子链的弹性收缩， 两种作用达到平衡时，便决定了高吸水树脂的 吸水（液）能力。链伸展越大，网络越大，网络的 弹性收缩能力越小，树脂的吸水（液）能力就高， 反之则低。树脂粒径大，水从树脂的表面渗进树 脂内部的距离大，高分子网络收缩能力相对增 大，而高分子链不能充分扩展，因而吸水（液）率 比粒径较小的低。但是，树脂粒径太小时，可溶 部分的量增加，导致吸水（液）率有所下降。从表 面积理论来讲，相同质量的样品中，粒径越小则 表面积越大，吸收越快，然而，粒径太小则会形 成“粉团”，使样品颗粒聚集在一起，影响吸收 率。因此，吸收性能在粒径为１００ ｍｅｓｈ～１２０ ｍｅｓｈ时，吸收能力为最佳。 Ｐａｒｉｔｃｌｅ ｓｉｚｅ（ｓｃｒｅｅｎ ｍｅｓｈ） Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｔｏ ｔｈｅ ＷＡＲ Ｆｉ ｇ ２ Ｔｈｅ ＷＡＲ ｏｆ Ｍ ｒｅｓｉｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐＨ ． ＋Ａ ２．２ ｐＨ值对树脂吸水率的影响 吸收溶液的ｐＨ值对树脂的吸收率也有很 大的影响。由Ｆｉｇ．２可以看出，在不同ｐＨ值的 溶液中吸收率受影响的情况不一样。ｐＨｉ４及 ｐＨ＞１０时吸水率明显下降，ｐＨ值在６～８时 吸收率为最大，这是因为吸水剂的吸水基团主 要是一ＣＯＯＮａ的缘故。尤其注意在酸性过强 时，吸水剂发生明显的变化，这可能是由于在强 酸条件下吸水树脂的结构发生了变化。另外，在 强酸条件下，羧酸钠基上的Ｎａ 有可能被Ｈ 所置换，从而使树脂内部Ｎａ 浓度下降，使得 树脂内部及溶液中的渗透压下降，最终导致吸 水率的下降。而在强碱条件下，不存在这个问 题，因此碱性条件对吸水树脂吸收能力的影响 不如酸性条件明显。这说明吸水树脂具有强吸 水能力的一个主要原因是树脂内外存在较大的 渗透压。 Ｉｏｎ ｅｏｎｔｅｎｔ（％） Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＷＡＲ ｏｆ Ｍ Ｊ＿Ａ２１ １：ＫＢｒ；２：ＭｇＳＯ４；３：ＣａＣＩｚ． Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＷＡＲ ｏｆ Ｍ Ｊ＿Ａ２５ １：ＫＢｒ；２：ＮａＣＩ；３：ＭｇＳＯ４；４：ＣａＣＩｚ． ２．３‘ 离子对树脂吸水率的影响向 ＾ １ 月日戳小平日．Ｊ 从Ｆｉｇ．３和Ｆｉｇ．４可以看出，在同一种电 解质中，随电解质浓度的提高，树脂吸液率下 降，而在电解质浓度相同时，树脂对高价电解质 溶液的吸液率低于低价电解质溶液的吸液率。 根据Ｆｌｏｒｙ理论，这是因为树脂的吸液能力与 离子强度有关，并随离子强度增大而减小，所以 同一种电解质的浓度增大时，离子强度随之增 大，吸液率下降，而对不同电解质，当浓度相同 时，高价电解质的离子强度大于低价电解质的 离子强度，所以ＣａＣ１。、ＭｇＳＯ 溶液中的吸收能 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 马凤国等：超强吸水树脂的吸水性能研究 ２０１ 力比ＮａＣ１、ＫＢｒ中的吸液能力低。 程。吸水前，高分子网络是固定网束，未电离成 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ＷＡＲ ｔｏ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａＩ ｕｒｉｎｅ ｏｆ Ｍ 离子对，当高分子遇水时，亲水基与水分子的水 ＋Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｎ 溶作用使高分子网束张展，网内外产生离子浓 Ｍ＋Ａ ｓｅｒｉｅｓ ６ １５ ２１ ２５ 度差。如高分子网络结构中有一定数量的亲水 ＷＡＲ １３１．８１３ １２２．８６７ １２１．４１ｉ １４７．８４６ 离子，从而造成网络结构内外产生渗透压，水分 ２．４ 吸人工尿 子在渗透压作用下向网络结构中渗透。同理被 超强吸水树脂在医学、卫生方面的应用十 吸附水中含盐时，渗透压降低，吸水能力降低。 分广泛，因此其吸尿能力具有重要的意义。由于 由此可见，高分子结构中的亲水基离子是不可 人尿因人不同，组成有差别，所以采用人工尿， 缺少的，它起着扩张网络的作用，同时是渗透功 试验结果如Ｔａｂ．１所示。 能产生的原因。亲水离子对是高吸水树脂能完 从前面的图、表中不难发现，同种吸水树脂 成吸水全过程的动力因素口］。吸收人工尿、盐溶 对去离子水、盐溶液、人工尿的吸水率有以下规 液时，由于溶液中均为电解质，造成渗透压降 律：去离子水＞人工尿＞Ｋ ＞Ｎａ ＞Ｍｇ抖＞ 低，所以吸水能力降低。 Ｃａ抖。 参 考 文 献 高吸水性树脂在结构上是轻度交联的空间 ［１］邹新禧（ＺＯＵ Ｘｉｎ—ｘｉ）．超强吸水剂（Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ 网络结构，它是由化学交联和树脂分子链之间 Ｒｅｓｉｎ）．北京：化学工业出版社（Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ— 的相互缠绕构成的。吸水前，高分子链相互靠拢 ｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ），１９９６． 缠绕在一起，彼此交联成网状结构。此外，高吸 ［２］黄美玉（ＨＵＡＮＧ Ｍｅｉ—ｙｕ）．高分子通报（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｂｕｌ— 水性树脂可看成是高分子电解质组成的离子网 ｌｅｔｉｎ），１９８８．（１）：５０～５５． 络，在这种离子网络结构中，存在可移动的离 ［３Ｊ林澜雄（ＬＩＮ Ｒｕｎ—ｘｉｏｎｇ），姜斌（ＪＩＡＮＧ Ｂｉｎ），等．北京 子，比女口Ｎａ 、Ｈ 。 化工大学学报（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉ— ｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）．１９９８．２５（３）：２０￣２５． 高吸水树脂的吸水过程是一个很复杂的过 ＳＴＵＤＹ ｏＦ ＷＡＴＥＲ ＡＢＳｏＲＢＥＮＴ ＡＢＩＬＩＴＹ ｏＦ ＴＨＥ ＳＵＰＥＲ ＡＢＳｏＲＢＥＮＴ ＲＥＳＩＮ ＭＡ Ｆｅｎｇ—ｇｕｏ，ＬＩＡＯ Ｓｈｕａｎｇ—ｑｕａｎ，ＺＨＯＵ Ｇｕｉ—ｚｈｏｎｇ，ＳＨＡＯ Ｚｉ—ｑｕａｎ，ＴＡＮ Ｈｕｉ—ｍｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅ（ｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ ｊ ０００８１，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ， ｔｈｅ ｐＨ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ Ｎａ ，Ｋ ，Ｃａ。 ，Ｍｇ。 ，ｅｔｃ，ｔｏ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｂ— ｓｏｒｂｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ ｉｓ ｂｅｓｔ ａｔ ｔｈｅ ｐＨ ６～８ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ １ＯＯ～１２０ ｏｒｄｅｒ．Ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ ｉｓ Ｎａ＋＜二Ｋ＋＜Ｍｇ。＋＜Ｃａ。＋． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｒｅｓｉｎ；ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ；ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ；ｐＨ ｅｆｆｅｃｔ；ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｏｎ
