功能高分子材料的合成与性能测定
一、实验目的
1. 了解高吸水性树脂的基本功能及其用途；
2. 了解合成聚合物类高吸水性树脂制备的基本方法； 3. 掌握反相悬浮聚合的机理、体系组成及作用等工艺特点。
二、实验原理
高吸水性树脂（Super Absorbent Resin，SAR）又称超强吸水剂，是一种具有卓越吸水性和保水性的新型功能高分子材料，能迅速吸收是其自重成百上千倍的水分，即使加压也不滴漏，明显优于海绵、吸水纸、脱脂棉等传统吸水材料，已广泛应用于农林园艺、医疗卫生、环境保护、土木建筑、石油化工等诸多领域作为土壤改良剂、保水剂、纸尿布、卫生巾、增稠剂、脱水剂、堵水剂等。
高吸水树脂的吸水原理：高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，因为吸水树脂上含有多个亲水基团，故首先进行水润湿，然后水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。
根据原料和合成方法的不同，SAR可分为合成聚合物系、淀粉系和纤维素系等3大类，其中聚丙烯酸（盐）体系是产量最大、应用最广的一类。本实验采用丙烯酸经氢氧化钠等强碱物质处理，将—COOH转变为—COONa，再将其与少量N，N-亚甲基双丙烯酰胺共聚，形成适度交联的网络结构高分子，反应方程式如下：
CH2=CHCOONa+CH2=CHCONHCONHCH2CH2=CHCH2CHCH2CHCONHCONHCH2CH2CHCH2CHCOONa
聚丙烯酸钠吸水树脂吸水前，高分子链相互靠拢缠绕在一起，彼此交联成网状结构。其高分子链上有强吸水基团—COONa，它在水中电离，由于—COO-基团吸附水分子的作用和基团间的静电排斥作用，可以使弯曲分子伸展，分子链间的距离增大，水分子更容易进入分子链间，使其体积膨胀。此外当—COONa发生电离后，在高分子网络结构内外产生离子浓度差，从而在网络结构内外产生渗透压，水分子在渗透压作用下向网络结构中渗透，使其体积进一步膨胀，所以聚丙烯酸钠吸水树脂具有高的吸水性和保水性。
通常，悬浮聚合是采用水作分散介质，在搅拌和分散的双重作用下，单体被分散成细小的颗粒进行的聚合。由于丙烯酸是水溶性单体，以水作为聚合介质得到的产品成块状不易粉
碎，而反相悬浮聚合法合成的产品为粉状，所以采用反相悬浮聚合法制备聚丙烯酸钠高吸水树脂。
三、仪器与试剂
1. 仪器 2. 试剂 仪器名称 恒温水浴 电动搅拌器 冷凝管 滴液漏斗 三口烧瓶（250mL） 量筒（100mL） 分析天平 蒸发皿 烧杯（100mL） 数 量 1套 1套 1支 1个 1个 1支 1台 1个 1个 试剂名称 丙烯酸(AA) NaOH水溶液（20%） 正己烷 N，N—亚甲基双丙烯酰胺 过硫酸钾 span-60 用 量 20.0g 50ml 60.0g 0.040g 0.10g 1.0g
四、实验步骤
1. 称取20.0g丙烯酸于100 mL的烧杯中，然后将烧杯放在冰水中，在搅拌的条件下缓慢加入50 mL20%的NaOH水溶液，加入0.10g过硫酸钾，搅拌，待其溶解后，移至滴液漏斗中。
2. 称取1.0g span-60、0.040g N，N—亚甲基双丙烯酰胺和60.0g正己烷于三口烧瓶中，然后把三口烧瓶放入恒温水浴中。
合成反应装置图
3. 按从下到上的顺序将水浴装置、三口烧瓶、聚四氟乙烯搅拌棒、冷凝管、滴液漏斗电动搅拌器依次装好(如图所示)，应确保从正面和侧面看都呈一条直线。（注：应保证搅拌
棒底部与三口烧瓶底部接触和搅拌翅子打开；应保证搅拌棒与瓶口密封，防止溶剂挥发）
4. 开动搅拌并升温至70℃，得到乳白色液体，然后滴加溶液，半小时左右滴完，加料完毕后，反应1～2小时，得到白色膏状物，停止加热，将产物倒入到蒸发皿中，在120℃的烘箱中烘干至恒重。
5. 吸水率的测定
（1）取布袋一只，于自来水中浸透，沥去滴水，并用滤纸将表面水分吸干，称重，记下布袋的质量m0。
（2）称取上述已烘干并研碎的吸水树脂2.0g左右，放入布袋中，将布袋口扎紧。 （3）将500mL中烧杯中装满蒸馏水，将装有吸水树脂的布袋置于水中，静置0.5h，取出，沥干水。当布袋无水滴后，再用滤纸将布袋表面檫干，称重，记为m2。
（4）吸水树脂吸水率S由下式计算：
S%?式中： S—吸水率；
m2?m0?m1?100%
m1m2—浸水后装有吸水树脂的布袋的质量/g； m0—浸水后空布袋的质量/g； m1 —吸水树脂的质量/g。
五、注意事项
1、逆向悬浮聚合的分散稳定性往往不够好，因此，聚合过程中，搅拌要平稳，千万不要中途停下。
2、高吸水性树脂制备过程中避免与水接触。
六、数据处理
计算吸水率
实验中测得：浸水后空布袋的质量为： m0 = 5.7171 g 吸水树脂的质量为： m1 = 2.3427 g 浸水后装有吸水树脂的布袋的质量为： m2 = 16.8310 g
m2?m0?m1?100%m1 16.8310?5.717?12.3417??100%2.3417
?374.6%
所以实验制得的树脂的吸水率为374.6%，即吸水量为自重的3.746倍。
所以，吸水率为：S%?七、思考题
1. 讨论高吸水性树脂的吸水机理。
答：高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，因为吸水树
脂上含有多个亲水基团，故首先进行水润湿，然后水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。
本实验制得的吸水树脂为聚丙烯酸钠吸水树脂，吸水前，高分子链相互靠拢缠绕在一起，彼此交联成网状结构。其高分子链上有强吸水基团—COONa，它在水中电离，由于—COO-基团吸附水分子的作用和基团间的静电排斥作用，可以使弯曲分子伸展，分子链间的距离增大，水分子更容易进入分子链间，使其体积膨胀。此外当—COONa发生电离后，在高分子网络结构内外产生离子浓度差，从而在网络结构内外产生渗透压，水分子在渗透压作用下向网络结构中渗透，使其体积进一步膨胀，所以聚丙烯酸钠吸水树脂具有高的吸水性和保水性。
2. 悬浮聚合与反相悬浮聚合有何异同？
答：悬浮聚合是采用水作分散介质，单体和引发剂存在于油相中，在搅拌和分散的双重作用下，单体被分散成细小的颗粒进行的聚合。
反相悬浮聚合恰好相反，是用油相作为分散介质，单体和引发剂存在于水相中，即把单体溶于水溶液中被搅拌成小液珠，用不溶解单体的有机溶剂作为分散介质进行的聚合。
3. 影响高吸水性树脂吸水率的工艺参数有哪些？
答：影响参数有：聚合温度、反应时间、引发剂的种类及质量分数、中和度、单体的组成、交联剂的种类及用量等因素。
4. 举出几例你所知道的高吸水性树脂应用的例子。
（卫生及医用材料、农业园艺、土木建设、食品加工和日常用品） 答：（1）作为干燥剂； （2）为生用品及医用； （3）栽培植物用的保水剂； （4）食品保鲜材料； （5）光纤电缆用的防漏剂； （6）工艺品
