高吸水树脂（Super absorbent polymer，SAP) 是一种低交联度、亲水性、不溶于水、水膨胀性高的 聚合物，具有三维空间网络结构。高吸水树脂与海 绵、沙布、脱脂棉等吸水材料的物理作用吸水不同， 它通过化学作用吸水，树脂一旦吸水成为膨胀凝胶 体，即使在外力挤压下也很难脱水。高吸水树脂除 了具有吸水量高，保水性好、吸水速率快、无毒副作 用等优点外，另一个突出的特点是与苯、甲苯、丙酮、 乙醚、甲醇、乙醇、二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、醋 酸等化学试剂混合时，可使试剂脱水，但不与试剂发 生化学反应，吸收试剂中的水分后，树脂则变成一种 凝胶类物质，将吸足水分的凝胶烘干又还原为树脂， 可重复使用[M]。

 

按原料来源高吸水性树脂可分为淀粉系，纤维 素系和合成系三大类。纤维素是地球上最丰富的可 再生资源，具有价格低廉、可降解和对生态环境不产 生污染等优点，它与另一种天然高分子淀粉制成的 高吸水性树脂相比，抗霉变性能更优。为克服天然 纤维素可溶性差，接枝效率低，吸水倍数不高的缺 点，本文以竣甲基纤维素钠、丙烯酸、JV，N'-亚甲基 双丙烯酰胺为原料接枝聚合对其进行化学改性，制 成高吸水树脂，并考察聚合温度、引发剂用量、交联 剂用量等因素对树脂性能的影响，并将在下文中对 其进行发泡处理，用于废水治理和环境保护领域。

 

1实验1，1原料与设备羧甲基纤维素钠(CMC)，化学纯，上海青东化 工厂;丙烯酰胺，化学纯，上海凌峰化学试剂有限公 司;丙烯酸，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司;氢 氧化钠，分析纯，上海菲达工贸有限公司和桥分公 司;过硫酸钾，分析纯，上海顺宜化工有限公司;亚硫 酸氢钠，分析纯，上海硫酸厂;iV，N'-亚甲基双丙烯 酰胺，化学纯，北京红星生物化学制品厂。

 

实验采用Nicolet Magna-IR550型红外光谱仪 (美国Nutlet公司生产)对制得的吸水树脂进行测 试和表征。

 

1.2共聚改性反应量取一定量的丙烯酸，缓慢滴加氢氧化钠溶液 以中和部分丙烯酸。再称取一定量的丙条酰胺用去 离子水稀释，将其与前述的溶液混合均匀。

 

首先称取10. 〇 g羧甲基纤维素钠，量取700 mL蒸馏水于聚合反应釜中，恒温水浴中进行搅拌 糊化。在氮气保护下，加入一定量的引发剂过硫酸 钾溶液，并缓慢加人制备好的丙媒酸-丙烯酰胺单体 混合液，反应一定时间后，加入交联剂，继续反应至 系统粘度不再增大时终止。然后再加入一定体积的 40%氢氧化钠溶液，将样品置于恒温槽中水解lh。 用蒸馏水浸泡、洗涤反应产物，洗去反应产物中残余 的单体，至产物pH值为7(pH试纸检测），将产物 烘干粉碎得到产品。

 

1.3吸水性能测试吸水树脂的性能包括吸水倍率和保水能力两个 方面，测试方法L5’6]如下：设W为纤维素基高吸水树 脂的吸水倍率D，由式(1)计算得到 式(1)中，％为高吸水树脂的质量，WV为高吸水树 脂吸水形成凝胶质量。

 

保水能力表示吸水树脂形成凝胶的强度《 将吸水后的胶体施以一定的压力(〇。〇1 MPa)挤压， 凝胶体失水前后质量的百分数，即：R = M⑵式中抓为高吸水树脂吸水后胶体自然滤水后的质 量，Ma为吸水胶体经外力挤压后的质量。

 

2结果与讨论2.1纤维素基高吸水树脂的红外表征羧甲基纤维素钠CMC和接枝交联产物的红外 谱图见图1。与谱线a相比，谱线b中在1661 cnT1 处，1565. 9 cnT1处出现酰胺特征峰，在1740 cnT1 和1420 cnT1附近出现较明显的竣酸盐吸收峰。这 些接枝交联后产物官能团的吸收峰，说明已生成目图1羧甲基纤维素钠及纤维素基髙吸水树脂红外图谱 2.2反应温度对吸水倍率及保水能力的影响图2为聚合反应温度对纤维素基吸水树脂吸水 性能和保水性能的影响。由图2可看出，当聚合温 度在45?55°C时吸水倍率可保持在较大的范围内。 这是因为温度升高，反应速率加快，单体与纤维素自 由基的接枝率增高，吸水倍率和保水能力增大，当温 度超过一定的界限时，单体自身也会发生自聚，产生 均聚物，而单体自聚物吸水性极弱，吸水倍率和保水 能力反而下降。

 

图2反应温度对树脂吸水倍率及保水能力的影响 2.3引发剂用量对吸水倍率及保水能力的影响 图3为引发剂用量对树脂吸水性能和保水性能 的影响。弓丨发剂用量为CMC质量的20%?38%时 吸水倍率和保水能力保持在较大的范围内，以30% 为最好。在低引发剂浓度范围内，随着K2S208浓度 增加，产生的自由基数目增加，即纤维素分子上的活 性中心增多，接枝率上升，接枝产物的吸水、保水能 力都得到了提高，随着K2S208用量的进一步增加， 产生的自由基浓度过高，碰撞几率增加，加速了链终 止反应，使接枝共聚物生成量减少，导致吸水率下降。此外，过多引发剂的加人相当于增加了电解质 浓度，也影响了接枝物的吸水能力。

 

图3引发剂用量对树脂吸水倍率和保水能力的影响 3.4交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺用量对吸水 倍率和保水能力的影响 图4为交联剂用量对树脂吸水性能D和保水 性能i?的影响。当交联剂用量小于CMC质量的 10%时，吸水倍率随交联剂用量的增加而增大，交联 剂用量在10%?22%时吸水倍率可保持在较大的 范围内，当交联剂用量大于22%时，吸水倍率随着 交联剂用量增大反而减小。

 

图4交联剂用量对树脂吸水倍率及保水能力的影响 2.5接枝单体用量对吸水倍率及保水能力的影响 图5为单体用量对树脂吸水性能和保水性能的 影响。由图5可看出，单体用量与羧甲基纤维素钠 用量之比小于6时，随着单体用量的增加吸水倍率 增大，在6?8范围内吸水倍率保持在较高数值内， 此后随着单体用量的增加，吸水倍率略有下降。这 是因为单体浓度较低时，增加单体用量，每个自由基 消耗的单体数目增多，有利于接枝共聚物生成，故吸水能力增加;单体浓度超过一定值时，继续增加单体 用量，虽然接枝共聚反应加快，但均聚反应増加更 快，导致均聚物增加更多，而均聚物的吸水倍率要小 于接枝共聚物，使得树脂的吸水能力下降。

 

图5单体用量对树脂吸水倍率及保水能力的影响 2.6丙烯酸中和度对吸水倍率及保水能力的影响 丙烯酸中和度是指丙烯酸分子中的羟基被碱中 和的百分数，中和度的定义为：w NaOH物质的量⑴‘丙烯酸物质的量由图6可见：丙烯酸中和度在40%?60%范围 内吸水倍率达到最大，树脂的保水能力非常好，保持 在90%以上。丙烯酸中和度对接枝聚合物的吸水 性有一定的影响，这是由于聚合物网络中一 COOH 基离解度小，网络呈收缩状态，因而吸水率低。随着 丙烯酸中和度增加，网络中的一COONa基离解 为一COCT离子，由于一COCT离子的排斥作用使 网络膨胀，因而吸水率增加;但丙烯酸中和度过高 时，由于聚合速度下降，转化率下降，均聚物增多，吸水率则下降。

 

3纤维素基高吸水树脂的综合性能评价 3.1树脂吸取热水和盐水的能力图7为纤维素基高吸水树脂吸取不同温度的热 水能力。由图7可看出，纤维素基高吸水树脂吸收 20?40X：的温水效果最好，且保水性能良好，因此在 卫生材料等各方面可以很好地应用，在40?l〇〇°C 时，其吸水倍率和保水能力都有所下降，而大于 U0X：后，其吸水倍率大幅度下降。这是因为吸水过 程是亲水性基团的水合过程，为放热反应。对放热 反应，温度升高，平衡常数减小，因而吸水倍率下降。

 

图7树脂吸收热水的倍率及保水能力 配置浓度约为1. 0%的NaCl溶液、2. 0%的 NaCl溶液和1. 0%的CaCl2溶液，考察了不同温度 下纤维素基高吸水树脂吸收各溶液的能力，见图8。 由图8可看出：与吸收去离子水相比，吸收1. 0% NaCl溶液、2. 0%NaCl溶液和1. 0%CaCl2溶液的 能力均有不同程度的下降，其中吸收1. 〇%NaCl溶 液的能力较高，2. 0%NaCl溶液次之，吸收1. 0%Ca(:l2溶液的能力最低。纤维素基高吸水树脂的吸 水能力与离子的渗透压成正比，与材料对水的亲和 力成正比，与材料的交联密度成反比m?上述三种 溶液的离子渗透压由大到小依次为1. 0%NaCl溶 液、2.0%NaG溶液、1.0%CaCl:溶液，因此吸水倍 率从大到小依次为1. 〇%NaCl溶液、2. 0%NgCl溶 液、1.0%CaCl2 溶液。

 

3.2树脂的吸水速率[~吸水速率是描述纤维素基高吸水树脂开始吸水 至吸水饱和所州时间，在特定的应用场合并非吸水 速率越快越好，冇时为了特殊?要，会特意延缓树脂 的吸水速率。图9为测试制得的纤维素基高吸水树 脂的吸水速率与时间的关系。在刚开始的70 min 范围内吸水速率较快，而后吸水速率慢慢减小，常温 下100 min后可达到饱和。纤维素基高吸水树脂的 吸水速率适中，有利于实际的应用。

 

图9树脂的吸水速率3.3树脂的生物降解性mi考虑到环保N题，生物降解性能是树脂实际应 用中非常1[要的一个方面。将吸水后的纤维素基高 吸水树脂f铺在土壤上，S于室内保持常温和土壤的潮湿，观察树脂的降解情况，结果如用10。可以 看出纤维素基高吸水树脂的生物降解性很好，尤其 是前一个月，降解可达50%左右，随后慢慢降低，三 个月后降解率可达90%以上。

 

图11?图13是纤维索基高吸水树脂在土壤中 降解时的实物照片，图中下面棕黄色为湿润的土壤，(下转第17页)

 

2.9洗水量的影响由于沉锂反应体系中含有多种离子，沉锂后得 到的碳酸锂沉淀将夹带少量杂质离子。因此必须加 少量去离子水洗涤，以提高碳酸锂沉淀的纯度。由 于碳酸锂在水中溶解随温度升高而降低，因此本实 验采用90X：去离子水进行洗涤，以减少碳酸锂的溶 解。通过探索性实验，最终选择滤饼和洗水质量比 控制在10: 1左右是合适的。

 

3结论从高镁锂比盐湖卤水提取碳酸锂，最困难的是 如何实现镁锂分离，目前常用的工艺都存在资源综 合利用率不高w，且锂提取率不高的缺点。本文采 用高温蒸发浓缩、低温结晶的方法，使部分MgCl2 结晶，从而降低镁锂比，在用氢氧化钠实现镁锂分 离，最后用碳酸钠将锂以碳酸锂的形式提取出来。 其实验结论如下：3.1高温蒸发结晶的合适工艺条件 .高温蒸发操作采用的加热温度为150X：，120 g 的固体用50 mL水溶解对后面的结晶比较有利，蒸 发水量控制在25 mL左右;低温结晶阶段，降温速率为7*C/min，搅拌速率为120 r/min。

 

3.2氢氧化钠除镁的合适工艺条件NaOH溶液浓度10 mol/L，搅拌速度300 r/ min，加料速度为8 mL/min，pH = 12,反应时间 30 miiu3,3碳酸钠提锂的合适工艺条件反应时间为70 min，加料方式为固体，加料速 度为1〇 g/min，碳酸钠用量为理论量的110%，反应 温度为90X：，搅拌速度为300 r/min，陈化10 h。滤 饼和洗水质量比控制在10:1左右。

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