课程设计--聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究.doc

吉林化工学院材料科学与工程学院课程设计聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究The preparation of polyacrylic acid of high water absorbing resin (PSA) and its performance study学生学号： 1310984203 学生姓名： 王建龙 专业班级： 材料科学与工程1302 指导教师： 刘梦竹 起止日期： 2016.11.072016.11.23 吉 林 化 工 学 院课程设计任务书课题名称聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究完成时间2016.11.07-201611.23指导教师刘梦竹职称讲师学生姓名王建龙班 级材科1302总体设计要求和技术要点总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力，了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如某产品的结构尺寸设计计算、某工艺流程的制定、，并绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生了解一般产品的基本生产流程，能结合工程实际，制定产品生产的一般流程、所需材料、技术要点，培养学生对产品生产问题的严肃认真和负责的态度。工作内容及时间进度安排例：1. 高吸水树脂 设计准备 2天2. 材料 结构尺寸计算、选择材料 2 天3.编写设计说明书、使用说明书 1 天 4.绘制 CAD 图 2 天5.设计总结 2 天6.答辨 1 天共10天课程设计成果1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下：（1）统一模板，正规书写，格式参考毕业论文格式；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析；（b）、设计计算过程；（c）、产品技术指标；（d）、参考文献。2、设计图纸（必选）：（1)手绘实验流程图要求如下：（a）、图面清晰（b）注出必要的技术条件。（2）可附图若干张（A4）。吉林化工学院毕业设计摘 要以丙烯酸及其钠盐为单体，以过硫酸钾为引发剂，N,N一亚甲基双丙烯酞胺为交联剂，采用不通氮气及不除去丙烯酸中阻聚剂的新工艺，通过水溶液聚合合成了聚丙烯酸钠高吸水树脂。文章研究了丙烯酸的中和度、引发剂用量及交联剂用量对聚丙烯酸钠高吸水树脂吸水率的影响。水溶液聚合法合成了聚丙烯酸钠强吸水树脂。研究了单体浓度、反应温度及交联剂用量、引发剂用量对树脂吸水率的影响。研究了以丙烯酸和丙烯醚胺为原料，以过硫酸钾作引发剂，N, N一亚甲基双丙烯醚胺为交联剂制备聚丙烯酸/丙烯醚胺高吸湿性树脂的方法和其工艺过程，得到了影响产品吸湿量的主次因素通过单因素分析研究了AA与AM的质量配比、中和度、单体浓度对树脂吸湿倍率的影响。 高吸水性树脂是一类新型的功能性高分子材料。由于独特的吸水、保水性能，高吸水树脂在医药卫生、农林.园艺、荒漠治理等方面获得了广泛的应用。吸水倍率、耐盐性、吸水速率及凝胶强度是衡量高吸水性树脂性能的几项重要指标。研究具有吸水倍率高、耐盐性能好、吸水速率快及凝胶强度高的高吸水性树脂己经成为该领域的主要研究方向。关键词：丙烯酸；N,N一亚甲基双丙烯酞胺；高吸湿性树脂；制备工艺；吸湿性能- -Abstract The poly sodium acrylate super absorbent polymer was synthesized by graft polymerization through the new technology of no nitrogen and not removing polymerization inhibitor in acrylic acid. In the synthesis process，acrylic acid and its sodium salt were as monomer，potassium persulfate was as initiator and N，N-methylenebisacrylamide as crosslinking agent. The influences of neutralization degree of acrylic acid，content of initiator and crosslinking agent on the water-absorbing capacity were studied，and the opti-mined synthesis conditions on this product was studied through orthogonal experiments. A poly(acrylic acid-acrylamide)resin was systhesized from acrylic acid(AA) and acrylamide(AM),with N, N -methy lenebisacry lamide as crosslinkin agent, potassium persulfate as initiator by means of orthogonal experiment.The factors effecting the moisture absorption property of it have been got. The effects of weight ratio of AA and AM，neutralization degree of acrylic; acid and monomer content to the moisture absorption capability have been studied by single factor analysis. Super Absorbent Polymer (SAP) is a kind of functional polymer of material. Because of its distinctive water-absorbing and water-preserving properties,SAP have been used for water-keeping and water-saving in agriculture, forestry, horticulture,etc. Absorbingperformance, anti-salt performance, absorbing rate, absorbing keeping are important indexes for SAP .So researching high anti-salt performance, quick absorbing rate, high absorbing keeping performance have become important direction for scientific workers.Key Words：:Acrylic acid;N, N -methylenebisacry lamide;high moisture-absorbing resin;Preparation;moisture absorption property- 13 -目 录摘 要IAbstractII聚丙烯酸高吸水树脂的制备及其性能研究2第1章 绪论31.1引言31.2高吸水性树脂的吸水机理31.3高吸水性树脂的研究进展41.4高吸水性树脂研究存在的问题51.5 参考文献6第2章 聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究实验方案设计8 2.1实验目的和任务82.1.1实验目的82.1.2实验任务8 2.2实验场地及试剂8 2.2.1实验场地和环境条件8 2.2.2实验试剂8 2.2.3实验设备8 2.2.4高吸水树脂的制备8 2.2.5该吸水树脂的性能测试9 2.2.6反应过程9第3章 结论13聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究The preparation of polyacrylic acid of high water absorbing resin (PSA) and its performance study第1章 绪论1.1 引言 高吸水性树脂是一种具有三维空间网络结构的强亲水的功能性高分子材料。由于其能吸收自身质量数百倍甚至数千倍的水，吸水后即使加压也不易失水，因而在国内外已广泛应用于农林园艺、医疗卫生、食品和建材等领域。目前，高吸水性树脂主要有两大类，其一是淀粉或纤维素与乙烯基单体的接枝共聚物，其二是合成树脂。聚丙烯酸钠属于合成的高吸水性树脂，由于其性能稳定、品质好、原料来源广泛而倍受关注【1-5】。探索影响吸水性树脂的吸水能力和保水能力的因素是研究和开发其用途的关键问题。 高吸水树脂是一种新型的功能高分子材料。高吸水树脂含有强亲水性基团，经适度交联而具有三维网状结构，能吸收其自身质量数百倍甚至上千倍的纯水而成凝胶状C17。高吸水树脂具有吸水容量大、吸水速率快、保水能力强且无毒无味等优越性能，因而被广泛地应用于农业、林业、园艺、医药卫生、食品、建筑材料、日用化工等各个方面。 1.2 高吸水性树脂的吸水机理高吸水性树脂的吸水原理是未来树脂分子设计及应用的前提条件，目前根据相关研究，影响树脂吸水能力主要有三大因素，它们分别是:一、高吸水性树脂与水混合自由能;二、聚合物网络的弹性收缩能力;三、树脂内吸水固定离子。其中它的结构主要由高分子骨架和吸水官能团这两部分构成的。高吸水性树脂的高分子骨架是具有一定交联度的网络状结构，而吸水官能团则包括-COOH和-COONa等一系列亲水性基团。它的微观结构在不同的合成体系卜呈现出不同的状态，Nakamura K等训用DSC, NMR法分析树脂微观结构中水的结合状态，结果表明水在树脂中呈现三种状态，即不冻结结合水、冻结结合水、自由水，其中自由水占大部分。这就表明了高吸水性树脂是高度扩展的网络状结构，而网络结构内外的渗透压在树脂吸水中起到关键作用。 吸水材料在吸水过程中一般有两种主要的吸水方式:一种是通过材料表面的毛细管吸附及水分子的自由扩散作用来达到吸水的目的;另一种是水分子通过氢键与吸水材料中的亲水基团紧密结合，形成结合水。在高吸水性树脂的吸水过程中，这两种吸水方式都发挥了重要作用，而其超高的吸水量则主要是靠后一种吸水方式州。首先，水分子通过毛细管吸附作用和自由扩散作用开始慢慢进入树脂吸水体。当水分子还未进入吸水体前，其高分子网络是处于固态的束缚状态，离子还没有电离成离子对。一旦水分子进入吸水体，其内的亲水性基团在水合作用卜与水分子结合，高分子网络随即被激活。同时亲水基团开始离解，高分子网逐渐扩张，离子浓度差在层架间形成。通过内外渗透压差，水分子进一步向高分子网内部渗透，直到网络内外的渗透压逐渐趋于平衡7-8。伴随着吸水量的不断增多，水分子渐渐占满树脂内部低交联度的三维空间网络结构，这时三维空间网络结构对于其内部的水分子的弹性束缚力也随之增加，当两者达到动态平衡时，高吸水性树脂就完成了吸水过程。1.3高吸水性树脂的研究进展面对全球高吸水性树脂研究的迅猛发展，我国的研究与国外的先进水平仍存在一定的差距，但是我国的科研工作者经过不懈的努力也在高吸水性树脂研究的各个领域做出了不少贡献。1.3.1吸水机理研究应机理和合成方向指明了前进道路。如张立颖、廖朝东等州对高吸水性树脂的吸水机理提出了讨论并以机械活化淀粉和丙烯酸为原料对其吸盐性的性能进行了改进;龙明策、土鹏、郑彤等10通过溶液热力学理论探究了高吸水性树脂溶胀热力学与吸水机理之间的联系，同时得出了亲水基离子产生的渗透压是吸水的动力因素，交联网状结构的存在是吸水的结构因素的结论;在凝胶溶胀动力学方面，Pourjavadi A等11通过对自制的蛋白类高吸水性树脂凝胶进行研究发现，水凝胶材料的形状对溶胀动力学行为影响较大，随着高吸水树脂颗粒粒径的减小，凝胶溶胀速率增大;另外溶液的温度和pH值都对树脂溶服平衡吸人率右转犬的影响。1.3.2合成方法研究高吸水性树脂的合成方法很大程度上决定了树脂的综合性能和成木造价，因此各种优化改进以及新的合成方法被广大科研工作者开发了出来。如厦门大学需光财等【12】采用反向悬浮聚合法结合成孔剂法与相分离技术，制备多孔A A-A A-Na-AM共聚物微球，通过这种方法合成的连通开孔的多孔性高吸水性树脂微球具有更高的吸水倍率和更快的吸水速率，微球吸水倍率为1150g/g，吸100倍水量最快只需15s;来水作为高吸水性树脂的理论研究，吸水机理为未来树脂反利、陈峰等11以N,N-亚甲基双丙烯酞胺为交联剂，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂，在微波辐照卜合成了凹凸棒复合丙烯酸高吸水性树脂，并且研究了凹凸棒用量、微波反应功率和反应时间等因素对高吸水树脂吸液性能的影响，同时在极短的反应时间里制备出了吸水倍率为1250g/g，吸盐水倍率为210g/g的树脂产品;同时来水利、韩武军等11以丙烯酸(AA)和丙烯酞胺(AM)为原料，采用敞开体系快速水溶液聚合方法，能在5min内使有机单体迅速聚合成高聚物，大大降低了反应时间，且省去通氮等步骤，简化了合成工艺，缩短反应过程，降低了成本。1.3.3可生物降解类树脂研究随着人类社会经济的不断发展，环保观念口益深入人们的生活中，然而面对我国口益增长的高吸水性树脂的消费，那些大量废弃未得到妥善处置的树脂必然会造成环境污染问题。因此可生物降解的绿色环保树脂成为如今高吸水性树脂研究领域中的一个热门方向。Yoshimura等【15】以棉纤维和丁二酸酐为原料，制备了一种高吸水树脂，吸水率可达400g/g，且降解性能较好，自然条件卜2c1可基木完全降解;张小红等【16】用土壤掩埋法和微生物降解法对聚丙烯酸盐海藻酸钠高吸水性树脂进行了生物降解性能的研究，实验结果表明，树脂能被上壤和微生物较好的降解。树脂在上壤中埋置60d后降解率可达37. 6%，而放置在芽抱杆菌培养液中60d后的降解率则超过50%;湖南大学的贺倩、郭文迅【17】以丙烯酸接枝淀粉为基体，不饱和聚醋酞胺眠树脂为交联剂制备出一种可降解高吸水性树脂，该树脂不加任何光引发剂即可紫外光固化成膜，同时该高吸水性树脂的降解从表面开始，逐渐向里面降解。1.3.4复合类树脂研究复合类树脂是材料研究的新方向，通过对高吸水性树脂的复合功能化，不但可以降低树脂合成的成木，更能加强树脂的性能与功效。如Chen等【18】将丙烯酸和二甲基二烯丙基氯的共聚物接枝共聚到竣甲基壳聚糖中，制备了一种新型高吸水性树脂，并研究了该实验方法下的最佳的工艺条件和该产品在不同酸碱度下的吸水倍率;李杰，杨小敏等【19-20】分别研究和制备了聚丙烯酸钾一高岭土、高岭土/AMPS-AA复合型的高吸水性树脂，通过对产品的实验研究，我们可以看出丙烯酸与高岭土、云母、膨润土、滑石粉等【21】无机粉末制得的无机有机复合材料，不但可降低生产成木，而且材料具有强度高、耐久性好、保水性强、耐热性高的特点;Zhang等【22】将丙烯酸、丙烯酞胺和腐殖酸进行复合反应，制备了一种多功能型的高吸水性树脂，当腐植酸的加入量为30%时，产品的吸水性能达到最好，吸水率可达1100g/g，吸生理盐水率为55g/g。1.4高吸水性树脂研究存在的问题 目前，高吸水性树脂研究大部分集中在产品的合成以及应用领域，但是与树脂相关的反应机理、分子结构构成、吸水机理等理论上的探索研究比较少，如果在这些问题能得到相应的解决，那么分子水平上设计的高吸水性树脂的性能一定会有突破式的提高，同时其应用领域也会极大的拓宽。在高吸水性树脂的性能研究方面，我国的研究方面还不够全面、系统和深入，同时这就直接导致了我国作为一个高吸水性树脂的消费大国，在高吸水性树脂生产方面工业化程度低，大量依赖进ii这样的现状。但是面对我国经济社会的快速发展，人ii众多、水资源缺乏、上地沙漠化的问题口益的严重，高吸水性树脂应发挥更加重要的作用，笔者认为只有在相关政策的扶持卜，企业拓宽合成渠道，简化生产工艺，降低生产成木，加大复合型材料开发力度，才能让高吸水性树脂在我国的发展中起到更加重要的作用。1.5 参考文献【1】邹新禧.超强吸水剂M.北京化工工业出版刹_,2001,15.【2】龙明策，王鹏，郑鹏.高吸水性树脂的合成及其应用J.高分子材料科学与工程,2002,18（5）:31-32.【3】张科，崔科.高吸水性树脂在农业应用中的研究J.辽宁化工，2007，(12):827-829.【4】钟亚兰.绿色高吸水性树脂的研究进展J.化工新型材料，2010,38(6):13-15.【5】陈雪萍，翁志学，黄志明.高吸水性树脂的结构与吸水机理J.化工新型材料，2002,30(3):19-21.【6】Flory P J. Principles of polymer chemistryM. New York Cornel University Press,1953,238-255.【7】余响林，曾艳，李兵，等.新型功能化高吸水性树脂的研究进展J.化学与生物工程,2011,28(3):8-12.【8】龚吉安，李倩，赵彦生.高吸水性树脂的发展及研究现状J.应用化工，2012,41(5):896-897.【9】张立颖，廖朝东，尹沾合，等.高吸水树脂的吸水机理及吸盐性的改进J.应用化工，2009,38(2):282-285.【10】龙明策，王鹏，郑彤，等.高吸水性树脂溶胀热力学及吸水机理J.化学通报，2002,65(10):705-709.【11】Pourjavadi A,Kurdtabar M,Mahdavinia G R. J. Polymer Bul-letin,2006,57(1):813-824.【12】雷光则，霖桐，刘艳玲，等.丙烯酸系高吸水性树脂多孔结构的形成和控制J.高分子材料科学与工程,2009,25(10):34-37.【13】来水利，韩武军，李斌强.微波辐射下聚(丙烯一2一丙烯酞胺)高吸水性树脂的制各J.精细石油化工，2010,27（3）:9-11.【14】来水利，韩武军，陈峰，等.敞开体系快速水溶液聚合法合成高吸水性树脂的研究J.化工新型材料，2011,39（1）:62-73.【15】Yoshimura T, Matsuo K, Fujioka R. J. Journal of Applied Polymer Science,2006，99(5):3251-3256.【16】张小红，崔英德.可生物降解海藻酸钠高吸水性树脂的性能与结构J.高分子材料科学与工程,2006,22(4):91-94.【17】贺倩，郭文迅.丙烯酸接枝淀粉基可降解紫外光固化高吸水性树脂的制各与性能J.应用化学,2011,40(3):431-437.【18】Chen Y,Liu Y F,Tang H L,et al. J. Carbohydrate Polymers,2010,81(1):365-371.【19】李杰，王玉芳，任峰.聚丙烯酸钾一高岭土高吸水性树脂的制各与表征J. 山东化工，2009,38(11):13-15.【20】杨小敏，刘建平，金睿，等.高岭土复合AMPS/AA高吸水性树脂的合成与性能研究J.江西农业大学学报，2009,31（1）：173-177.【21】唐宏科，薛峰峰.复合型高吸水性材料的研究进展与发展趋势J,安徽农业科学,2011,39(16):9471-9472.第2章 聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究实验方案设计2.1实验的目的及任务2.1.1实验目的本次实验是通过本阶段的学习和实验研究，要做到以下几个方面：（1） 学习和掌握用接枝聚合的方法生成高吸水树脂，系统的学习各种实验仪器并达到可独立操作的水平，培养独立进行实验和科研的能力，进一步探索和研究采用接枝聚合聚丙烯酸高吸水树脂（PSA）的制备及其性能研究。（2） 学习运用磁力搅拌器、烘干箱、量筒、烧杯、玻璃棒等试验仪器，熟练操作仪器之间的运用。并对生成的树脂进行吸水测试，观察不同时间吸水的重量。（3） 通过阅读大量的文献提高自己分析问题和解决问题的能力。2.1.2实验任务本次实验任务如下：（1） 本设计以丙烯酸及其钠盐为单体，以过硫酸钾为引发剂、N , N-亚甲基双丙烯酞胺为交联剂，在聚合过程中采用密封及不除去丙烯酸中阻聚剂的新工艺，通过接枝聚合合成了聚丙烯酸钠高吸水树脂。（2） 采用接枝聚合法合成高吸水树脂,通过对反应溶液Na浓度、丙烯酸用量、聚合时间和溶剂种类的调控,制备丙烯酸高吸水树脂粉体,优化接枝聚合合成工艺。并将该粉体烘干,研磨制成粉末，测量该粉末吸水性能的影响。2. 2实验场地及试剂2.2.1实验场地和环境条件本次实验计划在吉林化工学院逸夫实验楼材料科学与工程研究中心进行2.2.2实验试剂丙烯酸(分析纯):华北地区特种化学试剂开发中心(天津);氢氧化钠(分析纯):天津化学试剂三厂;过硫酸钾(分析纯):天津市风船化学试剂科技有限公司;N , N-亚甲基双丙烯酞胺(分析纯):华北地区特种化学试剂开发中心(天津)。2.2.3实验设备UZX-9076MBE电热鼓风干燥箱:上海博讯实业有限公司医疗设备厂;H H-S2:电热恒温水浴锅:山东郸城华鲁电热仪器有限公司;USP-84-02磁力加热搅拌器:山东电讯七厂;FA2204B电子天平:上海精密科技仪器有限公司。2.2.4高吸水树脂的制备（1） 以丙烯酸及其钠盐为单体，以过硫酸钾为引发剂，N,N一亚甲基双丙烯酞胺为交联剂，采用室内及不除去丙烯酸中阻聚剂的新工艺，通过水溶液聚合合成了聚丙烯酸钠高吸水树脂。（2）高吸水树脂耐热保水性能分析得出，吸水饱和的高吸水树脂，分别在一定温度下下烘干若干小时后，保水率分别在86%和52%以上，在高温下失水快，保水率低，初期失水较快，之后逐渐减缓。2.2.5高吸水树脂的性能测试2.5.1吸水率测试 取一定量的高吸水树脂装进自制尼龙过虑袋中，浸入纯水或盐水(0.9 wt%）NaCI，后面均指代不再标出)中，室温下吸水2h后，将尼龙过滤袋取出悬挂直至不再滴水后(约10 mins)称吸水后的重量，吸水倍率用公式(2-1)计算: Q=水质量/树脂质量=(W2-W1) /W1 (2-1)Q:吸水倍率，Qw代表吸纯水率，Qs代表吸盐水率;W1:高吸水树脂的质量:W2:吸纯水(或盐水)后高吸水树脂的质量。2.5.2吸水速率测试取一定量的高吸水树脂装进自制尼龙过滤袋中，之后浸入纯水或盐水中，每隔5 mins取出尼龙袋悬挂直至不再滴水(约10 mins )，称量袋子的重量，吸水速率按照式(2-2 )计算: R (g / ( g.min ) )=(WWn-5 )