超吸水树脂（通用9篇）
超吸水树脂 篇1
超吸水树脂(Super Absorbent Resin,SAR)是一类新型的功能高分子材料,其主要成分为低交联度的三维网状水溶胀型高分子聚合物,网络中含有大量的强亲水基团[1],与传统的天然吸水材料如棉花、海绵、木材和人工吸水材料如硅胶、氧化钙等相比,超吸水树脂具有吸水性强,保水性好,稳定性高,易于改性等显著的优点[2]。因此,超吸水树脂与传统吸水材料相比,是一类可以极大提高性能,具有巨大开发潜力、应用价值和经济效益的功能高分子材料,在生活和生产中的各领域均有广泛的应用意义,是功能高分子材料一个重要的研究开发方向。
在日常生活和工业生产的方方面面,超吸水树脂的应用均非常广泛,在各行各业均有着极为巨大的市场潜力。但同时也有很多因素制约着超吸水树脂在实际生产生活中进一步的广泛运用[3]。本文首先探讨主要起制约作用的以下因素,然后针对这些因素提出一些解决问题的思路,并对超吸水树脂研究工作日后的发展趋势作出探讨与展望。
1 超吸水树脂的发展难点
1.1 理论与开发进程不统一
超吸水树脂理论发展已经较为完善,但在实际的产品开发进程中受到很大的阻碍。这是因为在理论中有很多相互制约的因素,在产品开发中尚未得到较完善的解决。主要的因素如下:
(1)当前的超吸水树脂虽然理论上对纯水的吸收溶胀能力强,但由于实际需要吸收的液体一般含有大量离子,特别是抗盐碱用途的超吸水树脂,理论上可以吸收上千倍去离子水的树脂,在高盐碱度的溶液中一般只能吸收数十倍的液体,这严重影响了超吸水树脂的实用效果[4]。
(2)保水能力与释水能力作为一组相互矛盾的对立性质,尚未找到合适的平衡点,使得超吸水树脂产品能同时保住水分,又在适当的场合下释放出其蕴集的水分来达到实际应用需求。这一矛盾在农林业的应用中特别明显[5]。超吸水树脂吸取水分,固定土壤,一方面可以抑制土壤中水分的蒸腾和营养的流失,但另一方面,吸水保水能力过强的树脂不但难以释放出它保持的水分以供给农作物,还可能反过来和作物进行自由水分的竞争,造成资源的过量浪费。
(3)吸水保水能力和材料的机械强度同样是一组矛盾的对立统一体。超吸水树脂本身的交联密度越高,材料吸水之后形成的凝胶抗变形能力越好,机械强度高,反复使用能力和使用持久度都较好,但是吸水能力会明显降低[6]。反之,吸水能力好的树脂,交联密度较低,反复使用能力会非常差,因此多数超吸水树脂只能一次性使用,也造成了资源的浪费。
1.2 生产工艺优化与开发进程不统一
国内的超吸水树脂合成进展,多数程度还停留在实验室阶段,工业化程度较低,无法满足成规模生产的要求,目前仍有85%以上的超吸水树脂需求依赖进口材料填平[7]。
主流的超吸水树脂合成方法有水溶液聚合,反相悬浮聚合,反相乳液聚合,辐射聚合法等。每种方法各自有其技术难点或负面因素[8]。这些缺点列举于表1中。
如何解决反应体系均匀性,处理好聚合热的分散,保证产品的稳定性,是当前需攻克的技术难点。由于对各反应系统研究的开展还很有限,特别是自由基聚合机理对控制反应条件的要求很高,对技术精度的要求也相应更加严格,这使得工艺优化的迟缓严重阻碍了开发进程的推进,使超吸水材料的研发和大规模生产滞于瓶颈期。
1.3 实际应用方式与开发进程不统一
如前文表1所列举,超吸水树脂可能的应用范围非常广泛。但目前国内实际市场上,90%以上的超吸水树脂都只被运用在日化卫生用品,如婴儿尿布、卫生巾等产品上[8]。
由于当前水资源紧缺,以及水污染等问题日益严重,超吸水树脂理应被大规模运用于抗旱保水、农林增产、治理沙漠化和盐碱化、工业污水处理和重金属离子的回收等方面。这些方面的应用前景非常广阔,并且具有广泛深远的现实意义,对自然环境的可持续发展非常重要。
现实情况是,除了少部分超吸水树脂被用于农林园艺业中,作为抗旱保水剂来培养作物或是观赏花卉之外[9],对环境有利程度更大的应用方面如沙漠化与盐碱化的治理、工业污水处理等,均停留在理论阶段,严重缺乏实践。造成这一应用前景与应用现象脱节的原因,主要有以下几点:
(1)理论吸水倍率在实际应用中效果大打折扣
大多数超吸水树脂的吸水倍率,测定介质为蒸馏水或去离子水。而用于环保事业的超吸水树脂,其工作环境大多具有高酸碱性、高盐度、高离子度。离子强度的提高会使得树脂吸水能力大幅减少,甚至从数千倍降低至几十倍。
(2)吸水倍率与其他性能相冲突
这一点和1.1节所述的理论上的性能冲突相近:合成超吸水树脂的吸水能力、耐盐性与凝胶强度之间很难协调。吸水能力大,凝胶强度小,耐盐性差。而耐盐性佳,凝胶强度大的树脂,吸水能力又会下降。同样的,具有较高吸水倍率的超吸水树脂,因交联度小,往往重复使用性不佳。而重复使用性能提高之后,吸水倍率又不高[10]。而为真正满足在环境保护事业中的应用,起到可持续发展的功效,超吸水树脂必须具备较好的重复使用性。这些都是当前研究工作的瓶颈、难点所在。
2 超吸水树脂发展难点的解决思路
为了克服上述的发展难点,作者认为,应将解决思路放在如下几个方面作为重点:
(1)改变原有的聚合反应工艺和后续加工处理工艺,以获得不同交联密度材料或通过加工改变原有材料的物化特性,使其用途有所拓广,例如将粉末状的超吸水树脂制成膜状以增强吸水后凝胶的柔韧性等。
(2)改变合成配方,使得合成的超吸水树脂在某方面的性能有大幅提升,例如在维持超吸水树脂的吸水和保水能力的基础之上,再有目的地提高吸水速度、改善耐盐耐酸碱性、改善机械性能和耐热性能。具体的措施有:在天然高分子或合成高分子的主链上以非离子性单体进行接枝;使用亲水性更好的交联剂使得网络中含有更多的亲水基;以表面活性剂对树脂表层进行二次加工等等。
(3)致力于新型有机-无机复合超吸水树脂的开发。有机-无机复合材料的合成,如前文所述,可以有效的改进超吸水树脂的综合性能,同时降低合成成本。超吸水树脂的复合接枝改性可以和有机物、无机物以及别的高分子进行,其中运用最广的是粘土矿物和金属氧化物等[11]。这些材料在改进超吸水树脂的综合性能同时,本身也具备一定的吸水性和土壤改良能力。
3 超吸水树脂未来发展展望
当前我国超吸水树脂的研究开发还落后于世界水平,市场需求的大部分树脂依赖进口。产品各方面性能偏低、成本不足以达到大规模工业化生产的要求,是制约我国超吸水树脂工业发展的主要因素。因此,提高产品性能,同时降低合成成本,是新型超吸水树脂研究开发的首要任务。
超吸水树脂未来发展趋势有以下几个方面:
(1)着眼于利用新型原料的开发创新,特别着眼于有机-无机复合材料,充分运用我国粘土矿物质等自然资源丰富的优势,在增强超吸水树脂综合性能的基础上,带动相关行业的进一步发展,可以在开发超吸水树脂的同时推动矿冶业等国民基础经济行业的进步。
(2)着眼于新型工艺的开发创新,一方面优化已有的工艺方法,重点放在解决聚合热和产品均匀度的问题上;另一方面大力开展新型制备工艺的研究开发。近年来已有一些新型的制备工艺被研发出来,如γ射线照射法、微博辐射法等[12]。
(3)着眼于应用方式的大力开发推动,改变现有的超吸水树脂应用产业构架,特别是要与环保事业、轻重工业相结合,使超吸水树脂能够用到更广泛的实处,以更大的消费量、更广的消费面、更具有宏观经济意义和环保意义的消费方式,来刺激推动超吸水树脂的工业生产。相应地,这就要求在前两个方面的发展中,将功能多元化、性能最优化作为研究开发的重中之重来进行。
超吸水树脂 篇2
关键词：高岭土；淀粉；土壤；蓄热保温；性能；高吸水树脂
中图分类号： TQ321.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0354-02
收稿日期：2014-09-26
基金项目：山东省高等学校科技计划（编号：J13LD11）；烟台大学实验室开放基金。
作者简介：柳婵（1976—），女，硕士，实验师，研究方向为功能高分子。E-mail：hanl1976@sina.com。亲水基团多样化是提高吸水树脂耐盐性的重要方法，近年来在树脂研究方面颇受关注[1]。高岭土具有表面多羟基、可交换性阳离子，分散性和亲水性等特点，用于吸水树脂的制备不仅可以改善材料的综合性能，而且可以降低成本[2-4]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）结构中的阴离子基团磺酸基及非离子基团酰胺基有利于树脂耐盐性及吸液性能的提高。试验用高岭土/AMPS改性淀粉基高吸水树脂，在降低成本的同时提高树脂的耐盐性、保水能力等，以期应用于生理卫生用品及盐渍干旱地区的植树造林。
1材料与方法
1.1试剂及仪器
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、过硫酸钾（KPS）、NaOH、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、可溶性淀粉均为分析纯；丙烯酰胺（AM）、高岭土为化学纯。冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪，日本岛津公司；DM2700M金相显微镜，德国徕卡公司。
1.2制备方法
将1 g可溶性淀粉及15 mL去离子水充分搅拌，转移至100 mL三口烧瓶中，通氮气，80 ℃恒温糊化1 h，降温至 60 ℃，加入KPS溶液。0.5 h后将AMPS（冰水浴中用NaOH调节pH值至6～7）、AM、MBA、高岭土的混合液加至三口烧瓶中，搅拌，60 ℃恒温反应3 h。产物用无水乙醇沉淀、洗涤、浸泡后，45 ℃真空干燥24 h，置于干燥器中备用。
1.3性能测试
1.3.1吸液性能及土壤中的保水能力测试方法同文献[5]。
1.3.2蓄热保温性能取3个250 mL的锥形瓶，分别加满自来水、空气和吸水饱和后的树脂，每个锥形瓶中插入1支温度计，锥形瓶外包裹1层黑色塑料袋，将锥形瓶放于室外阳光照射，定时记录环境温度及锥形瓶内的温度。
2结果与讨论
2.1红外谱图
图1红外谱图中，c为高岭土用量12%的树脂。由图1可见，谱图c与b极为相似，c谱图2 357 cm-1处有一个吸收峰，这是高岭土层间O—H的伸缩振动引起的[6]。a中 817 cm-1 处高岭土Al—OH弯曲振动峰在c中明显减弱，这说明在复合过程中，高岭土表面的羟基参与了化学反应[7]。此外a中473 cm-1处的Si-O伸缩振动峰在c中仍然存在，其位置和强度变化不大。这主要由于高岭土与聚合物的作用只有少部分进行反应[6]，绝大部分只是作为单纯的填充。
2.2吸液能力
由图2、图3、图4可以看出，不同介质中，树脂的吸液速率均前2 h最快，吸液倍率在2 h左右接近最大值。随高岭土用量的增加，树脂的吸液倍率先增加后降低。高岭土用量12%时，树脂对自来水、生理盐水及人工尿的吸液倍率最大，分别为135.3、 93.9、72.2 g/g。过量的高岭土会增大体系交联密度和树脂的网络刚性[8]，导致吸液能力下降。
2.3树脂在土壤中的保水能力
由图5可知，树脂的加入有利于抑制土壤水分的蒸发，随高岭土用量的增加，抑制作用增强。高岭土用量14%时， 5 d后土壤保水率为21.3%，此时不加树脂的土壤保水率仅为16%。高岭土的加入使树脂网络内部水分子受到的网络束
缚作用增强，降低了土壤的失水速度。
2.4蓄热保温能力
从图6可以看出，当环境温度27.0 ℃时，空气、水以及吸水饱和后的树脂（高岭土用量12%）温度分别为40、31.4、326 ℃，7 h后，环境温度降到了14.2 ℃，相应的介质温度依次为17.0、18.0、20.0 ℃。可见，吸水饱和后的树脂放热速度最为缓慢，具有一定的蓄热保温性。
2.5显微镜照片
树脂吸盐水饱和后，真空冷冻干燥，DM2700M金相显微镜（200×）下观察如图7，可见树脂表面疏松多孔，凹凸不平，
有较多褶皱及深浅不均匀的沟壑，从而加大了吸附面积，有利于吸液倍率的提高。
3结论
以MBA为交联剂，KPS为引发剂，采用水溶液聚合法合成了高岭土改性淀粉基AM/AMPS高吸水树脂。高岭土用量为12%时，树脂的吸自来水倍率、吸盐水倍率以及吸尿倍率最大，分别为135.3、 93.9、72.2 g/g。
树脂在土壤中的保水能力随着高岭土用量的增加而增强。吸水饱和后的树脂具有一定的蓄热保温性能，有望应用于寒冷地区及盐渍干旱地区的植树造林。
参考文献：
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超吸水树脂 篇3
1 实验
1. 1 原料及仪器
N,N' - 亚甲基双丙烯酰胺,丙烯酸,过硫酸钾,氢氧化钠,盐酸,以上试剂均为分析纯; 羧甲基马铃薯淀粉,自制。
S3400N扫描电子显微镜,日立公司。
1. 2 羧甲基马铃薯淀粉基高吸水树脂的制备
将羧甲基马铃薯淀粉和去离子水在搅拌下充分混合,加入用氢氧化钠提前中和好的丙烯酸、引发剂过硫酸钾和交联剂N,N' - 亚甲基双丙烯酰胺,在氮气保护下缓慢升温,直至100 ℃ ,并在该温度下保温1 h,冷却至室温后,将产品烘干,粉碎,即得羧甲基马铃薯淀粉基高吸水树脂(简写为SAP)。
1. 3 吸液能力的表示法
吸液能力的定量表示是吸收量,用吸收溶液倍率(吸液倍率)来量度[3]。吸液倍率是指单位质量高吸水性树脂所吸收液体的量。单位为g/g或倍数。数学表达式为:
式中: Q———吸液倍率
m1———吸液前树脂的质量,g
m2———吸液后树脂的质量,g
1. 4 高吸水树脂的保水性能
高吸水树脂的保水性能是指水合类高分子与水直接相互作用的问题,所谓保水能力是吸水后的膨胀体能保持其所吸水份不离析状态的能力,按下列公式计算保水率[4]。
式中:Ri———保水率,%(i=1,2,3,……)
Wi———吸水后第i次称重时高吸水树脂的质量,g
W0———吸水前高吸水树脂的质量,g
2 结果与讨论
2. 1 SAP扫描电镜分析
用电子显微镜对羧甲基马铃薯原淀粉和最佳高吸水树脂进行样品表面形态分析,放大倍数为105倍。
从图1(a)中可看出,羧甲基淀粉颗粒大小不一、形状不规则。从图1(b)中可看出,SAP中颗粒形态已不存在,表面出现了孔洞和褶皱,并呈块状堆积。这种空间结构,使SAP有较大的比表面积和孔容,从而对水分具有很强的吸收性。
2. 2 粒径对SAP吸水率的影响
称取不同粒径的SAP树脂若干份,研究粒径对SAP吸附去离子水的影响。
由图2 可知,随着产品粒径的增大,吸水率先减小,产品粒径在140 目以下时,粒径太小,吸水时树脂易集结成团,吸水后凝胶状态不好,易导致测量结果不准确,使吸水率虚高。在70 ~ 40 目以后,粒径增大,吸水倍数升高。粒径越大,SAP与水接触的表面积越大,吸水率越高。
2. 3 不同p H值环境对SAP吸水率的影响
由图3 可见,溶液p H = 4 ~ 10 时,SAP的吸水率基本没变化,在1520 ~ 1700 g/g之间,这是因为SAP中- COOH与酸碱的缓冲作用; 另外由于酸碱的存在,SAP的吸水率小于吸纯水率。当p H < 4 时,SAP中大部分- COONa变为- COOH,随着电荷密度降低,离子间斥力减小,SAP网络的伸展性下降,吸水率降低; 当p H > 10 时,外界溶液中离子浓度增加,降低了SAP的渗透压,吸水率降低。
2. 4 高速离心条件下的保水率
图4 为SAP在20 min内,不同转速离心条件下得到的保水率。由图4 可以看出,离心机的转速不同,对SAP保水率影响很小,高速离心的条件下,SAP保水性能良好。在合成SAP接枝共聚时,加入了交联剂,交联剂在树脂内部形成空间网格状结构,其加压保水能力较强。同时SAP聚合物链上存在- OH、- COO - 等亲水性基团,可以通过氢键、范德华力与水分子结合,把水分子束缚在网络之内,固在高速离心情况下也不容易被挤出来,从而显示出良好的保水性能[5]。
3 结论
(1) SAP中颗粒形态已不存在,呈块状堆积,表面出现了孔洞和褶皱,该形态有利于高吸水树脂的吸水。
(2) 在一定粒径范围内,SAP颗粒越大,吸水能力越大。
(3) 溶液p H = 4 ~ 10 时,SAP有较高的吸水率,其可在较广范围使用。
(4) SAP在高速离心的条件下具有良好的保水性能。
摘要：羧甲基马铃薯淀粉为原料合成高吸水树脂,用扫描电镜对其表面结构进行了分析,并对其吸水性能及保水性能进行了研究。结果表明:以羧甲基淀粉为原料的高吸水树脂在溶液p H为4~10之间有较高的吸水率;在一定粒径范围内,颗粒越大,高吸水树脂吸水能力越大;该高吸水树脂高速离心的条件下具有良好的保水性能。从扫描电镜分析,该高吸水树脂表面出现了孔洞和褶皱,呈块状堆积,有利于高吸水树脂的吸水。
关键词：羧甲基淀粉,高吸水树脂,吸水率,保水率
参考文献
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超吸水树脂 篇4
【关键词】南票煤田；构造裂隙发育；冲洗液；吸水膨胀树脂；堵漏工艺
引言
《遼宁省葫芦岛市南票煤田（-800～-1500m）煤普查》是2008年辽宁省国土资源厅实施省矿产资源补偿费重要项目。该项目分新开和续做，总体施工日期为2009年3月至2011年3月，工作周期为二年，设计钻探工程量19050m/14孔，实际完成钻探工程量19109.74m/14孔，完成设计工作量的100.31%，圆满完成本次勘查任务。南票煤田深部勘查区，地质构造复杂，地层裂隙发育，破碎带多，且富含地下水。在进行钻探施工时，遇到构造裂隙带漏水严重，以及水敏地层，造成钻孔坍塌及烧钻事故，无法进行正常的钻进生产施工。在施工的14个钻孔中都不同程度的遇到钻井液漏失及井壁坍塌现象，本文仅就本区钻探施工中的N4号钻孔为例说明在施工中遇到的钻进事故及处理办法。N4号完孔孔深1475.12m，在钻进到680-725m时遇到裂隙发育带，失水量较大，泥浆漏失严重，经济损失较大，在使用常规堵漏方法之后，效果不明显。因此，尝试选用吸水膨胀树脂进行堵漏后，能正常施工，并最终完孔。
1、勘查区地质慨况
南票煤田位于辽西断陷北东部，区内断裂构造发育，多为北西向逆断层及北东向正断层。中生界构造层为南票向斜，上古生界石炭、二迭系含煤地层呈单斜构造，地层走向N20～50°E，倾向北西，倾角21～65°，与下伏老地层呈不整合接触。东南侧由元古界至古生界地层构成沉积基底，石炭二叠系地层之上，为大范围的中生界侏罗系地层。
2、吸水膨胀树脂物质组成、性能及作用机理
2.1吸水膨胀树脂物质组成
吸水膨胀树脂是由聚丙烯晴腐殖酸组成，分子结构中含有一定交联度的高分子聚合物，聚合物是按照一个聚丙烯晴单分子与一个腐殖酸分子形成氢键，聚丙烯晴共聚物主键构成侧键，或两者以离子吸附产生交联。
2.2吸水膨胀树脂性能
吸水膨胀树脂为灰-灰黑色，粉状-颗粒状，吸水性极高，本身不溶于水，也不溶于任何有机溶剂，可吸收几十至上百倍的水，吸水膨胀后形成的水凝胶，具有良好的保水性和耐候性，即变加压也很难将其中的水分离出来。初始阶段0.5-2小时吸水溶胀快，后期6-8小时吸水溶胀慢，最后吸水膨胀树脂达到饱和状态。
2.3作用机理
在处理漏失时，吸水膨胀树脂凝胶进入钻孔，在液柱压力下充填地层裂隙，并粘滞在岩石裂隙上起屏蔽作用。当其吸水较少，膨胀率达到20-50倍时，胶粘性很强，起防水“帷幕”作用；当其充分吸水膨胀后，润滑性较好，进入裂隙深处具有堵塞裂隙作用。在提高液相PH值时，吸水性聚合物分子链展开，将粘土颗粒吸附在分子链节上，以聚合物为主体形成树枝状蟹状物，进入裂隙并吸附在其壁上，协同作用，阻力增大，从而阻渗截流，制止孔内的泥浆漏失。
3、钻孔施工情况
3.1N4号钻孔所遇岩层情况
N4号钻孔设计孔深1500m，实际完成1475.12m。钻孔所遇岩层至上而下为兴隆沟组（J1x）灰-灰绿色安山集块岩，石千峰组（P3sh）紫红色泥岩、粉砂岩、砂砾岩，上石盒子组（P3S）灰白色粗砂岩、砂砾岩、砾岩，山西组（P1s）下部为灰绿色砾岩，上部夹黑色砂质泥岩、泥岩及煤层组成。
3.2钻进情况
650m以上施工较为正常，施工中为预防钻孔漏失，采用一般低比重、低粘度低切力泥浆、控制液注压力，保持正常钻进。当钻进至680m时，钻井液漏失较严重，调节泥浆性能，采用低比重、高粘度、大切力的泥浆，吸水膨胀后起桥塞堵漏作用。钻进到680-725m时遇到断层破碎带，钻井液严重漏失。日消耗泥浆10立方左右，泥浆有进无出，钻机经济损失极大，选用吸水膨胀树脂泥浆堵漏，效果明显；钻进至水敏地层及煤系地层1363-1392m时，泥浆有不同程度漏失情况，经加入吸水膨胀树脂泥浆堵漏后正常钻进至终孔。
3.3处理方法
钻进至680-725m时遇到断裂破碎带，由于裂隙较大，泥浆漏失严重，为确保堵漏效果，我们首先采用稻草做架桥，将堵漏剂加热溶化后加入泥浆内，制成高粘度冻胶堵漏剂泥球，将其在柴油中侵泡半小时。稻草和堵漏剂泥球比例为2：10，岩心管底部放入0.5m的稻草，上部装入堵漏剂泥球，顶部装入一段稻草，连续送入漏失层位2次，堵塞物超过裂隙部位，停留6-8小时后用小水量清扫，通过漏失层后，水量逐渐增大，孔内钻井液循环正常。钻进至1363-1392时，遇到水敏地层及煤系地层，井壁坍塌掉块、煤层塌陷钻井液漏失较严重，处理方法是将一定比例（1m3水：60kg高岭土：20kg水泥：40kg食盐：20kg吸水膨胀树脂）的水、高岭土及水泥充分搅拌，再加入一定数量的食盐及吸水膨胀树脂，混合均匀配成水溶胶堵漏剂，相对密度达到1.00g/cm3，粘度30s。用钻杆送至漏失层位上2m左右，开机送浆，堵漏液泵完后，再将泥浆液罐入。堵漏液到达孔内后，上部泥浆的液柱压力将堵漏液压入漏失层裂隙中，控制泥浆漏失。半小时后，开泵试循环，泥浆循环正常，止住了钻孔漏失。这时孔内开始返水，说明堵漏成功。
4、吸水膨胀树脂堵漏剂在钻孔堵漏中的特点
（1）对井壁有保护作用。吸水膨胀树脂是一种带负电荷的高分子聚电解质，具有很强的吸附结合能力，在岩石表面吸附生成保护膜，在井壁上形成胶护环，降低泥浆的失水，抑制岩层水化胀塌，从而减少渗透漏失。（2）起骨架作用。吸水膨胀树脂易被粘土颗粒表面吸附，其水溶物的共聚物大分子链或枝链相互吸引，形成空间网状结构，保护钻井液不易流失。（3）具有堵漏作用。对劣质土及岩屑产生凝聚作用，其絮凝物进入裂隙起堵漏作用。（4）使用吸水膨胀树脂堵漏，具有成本低、操作简单、制漏效果显著特点。
5、注意事项
（1）使用中应注意其膨胀强度 吸附膨胀树脂最佳膨胀率为30-50倍，使用中注意其膨胀强度。
（2）使用中应注意其膨胀时间 吸水膨胀树脂的膨胀时间很关键，如果控制不好，堵漏液未进入到漏失地层就膨胀，起不到堵漏效果。
6、结语
实践证明，在本区N4号钻孔使用吸水膨胀树脂进行堵漏，堵漏剂选择合理，使用吸水膨胀树脂进行堵漏后，地层裂隙被吸水膨胀树脂完全封堵，有效的堵塞了冲洗液的漏失通道，效果非常理想，满足了正常施工钻进的要求，避免了钻孔废弃所造成的经济损失，工期按时保质完成。
参考文献
[1]崔英德，黎新明，尹国强等.绿色高吸水树脂[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2]许小秋，刘廷栋等.高吸水性树脂的工艺与使用[M].北京化学工业出版社，2004.
高吸水性树脂的应用现状 篇5
一、在石油中的应用
(一) 在堵水调剖中的应用。
高吸水树脂不吸疏水性烃类物质, 而对水有很强的吸收能力这一特点, 可以将它与一些物质进行一定的配制, 从而形成某种具有特殊功能的材料。通过对注水井和采油井进行处理使其低渗透层的吸水能力得以改善, 同时大大降低了出水率。如用SAR包覆在某种物质的外表层, 可得到吸水性材料, 将SAR的粒度减小, 悬浮在卤水溶液中, 制成调剖堵水剂, 注人高渗透层后它遇水膨胀。在堵塞高渗透层起到调剖的作用, 当被挤入油层时, 由于它不具备吸油能力, 因而在开采时容易携带, 达到有选择性封堵的目的。
(二) 在石油工业密封上的应用。
在天然橡胶或合成橡胶中添加一定量的高吸水性树脂, 并将其加工制成密封材料。由此制成的材料遇到水时, 吸水膨胀, 同时拥有很好的理化性质。耐酸、碱等性能优异, 因此可用在防水、密封尤其是埋于地下的油气管道或浮于水上的管线等方面。
(三) 在原油或成品油脱水中的应用。
经过电脱盐、脱水的原油, 仍然会存在水分, 吸水树脂材料可以去除成品油中混人的水。如将吸水树脂与水不溶性基材混合成型, 当含水的油类物质通过时, 该材料能够把油中水分充分吸收, 同时使油中含有的其它有机物质得到清除。
二、高吸水性树脂在日用化学工业中的应用
(一) 化妆品。
1. 化妆品的添加剂。
添加剂的用途比较广泛, 在化妆品中也含有, 添加剂的使用使皮肤可以保持水润。在酒精中加入一定量的高吸水性树脂, 可以代替强碱, 防止刺激皮肤, 又可防止挥发流失。
2. 化妆品的增稠剂。
吸水后的树脂呈凝胶状, 具有很好的粘度, 可用作化妆品的增稠剂。用阴离子型高吸水性树脂、表面活性剂和水配成的洗发香波, 可对头发和头皮起到保护作用, 不会造成头皮干燥, 也减少了泡沫的量, 便于冲洗, 使头发更光滑。
3. 头发定型剂。
头发定型剂又被称作护发整发剂, 它主要是由起泡的膏霜组成, 因此被用作发用化妆品。它有稳定头发和柔软头发的作用, 它主要由高分子、水、溶剂、香料等配制。由于高吸水性树脂的亲水性, 因此, 它与水、酒精可以相容, 干燥的时候, 有很好的耐潮性, 在使用时, 又具有良好的亲水性, 比较容易被洗掉。同时又可以和其它添加剂形成混容物, 有一层薄膜。使用以后, 容易梳理。
4. 头发染发水。
头发花白, 是一种很正常的人类生理现象, 但为了使自己看上去年轻, 人们普遍采用染发技术。普通的染发剂, 头发洗过几次之后就会恢复原来的颜色。利用聚丙烯酸盐高吸水性树脂、甲基溶纤剂、酸性染料和水, 配制成的染发水, 可使染色效果得到提高。
(二) 营养型、药物型化妆品。
化妆品的载体材料有很多, 其中应用最多的是高吸水性树脂, 用它配制的化妆品类型一般有营养型、药物型。在高吸水性树脂中加入营养剂之类的东西可以制成营养型化妆品。同样在高吸水性树脂中加入某些药物制成的药物型化妆品具有治疗某些疾病的功效。
(三) 除臭剂、杀菌剂。
SAR可制成除臭剂、杀菌剂。使用含羧基聚合的阴离子型高吸水性树脂, 通过控制酸碱值, 可以吸收一些易挥发气体。将SAR、某些无机物和一定的增强材料一起混合可使臭味消除, 在此基材中保持一定浓度的二氧化氯的溶液, 通过蒸发操作可使溶液的异味得到去除, 同时杀死一些细菌。将在香料中浸泡过的某种胶、糊精和纤维素等水溶性树脂和SAR混合, 使其使用后有持久的香味。
(四) 留香材料。
1. 固形香料剂。
把某种特定的香料和SAR混合后通过固化作用, 可以得到固体香料剂。具体的操作是:把适量的SAR和丙三醇均匀混合, 一定时间以后进行固化操作, 随后加入一定量某种特定香料, 经过一定时间的搅拌, 取出放在室温下就可以得到性能良好的固体芳香剂。
2. 空气新鲜胶。
高吸水性树脂可以制作为空气新鲜胶, 是因为它对某些具有香味的东西有很好的吸附作用, 同时释放的比较慢, 空气新鲜胶的出现使用时间并不长, 传统的方法都是用某种东西将香料包覆起来, 然而效果并不太好, 使得空气新鲜胶的使用时间大大减少。在香料和乳化剂中加入SAR便可制成空气新鲜胶, 此方法操作简单。
3. 芳香凝胶片和漂香纸。
把SAR与某些香料均匀混含, 做成凝胶状物质, 然后压制成片, 就可制得香凝胶片。在双面透气性较好的纸中间层加上特定的某种物质制成的就是漂香纸。此特定的某种物质、香料从纸张的表层开始扩散, 从而可以保持较长时间的香味。
(五) 其他日用化学制品。
1. 膨胀玩具。
膨胀玩具主要是用高吸水性树脂与乙酸共聚物混合, 用吹塑成型法制成的儿童玩具, 此玩具放在水中可以自行涨大。
2. 吸水材料。
高吸水性树脂具有在高湿度吸水, 低湿度释水的特点。在涂料中添加高吸水性树脂, 把它涂在无纺布上, 在布的背面系上胶粘带, 将此特制的布, 放在食品集装铂内垫下, 可以吸收水分。
3. 吸水纸。
将SAR制成油包水型高吸水性树脂乳液。再采用喷涂、浸涂, 部分浸涂水印压花等方法把树脂乳液加入吸水纸和无纺布中。
三、在医护、卫生方面的应用
(一) 日常卫生用品。
日常卫生产品分为两类:一类是生理用品, 一类是医疗上使用的某种特定材料。生理用品包括卫生巾、纸尿裤等。医疗上使用的某种特定材料包括口腔隔湿材料、手术衣、止血剂等。
(二) 药物缓释。
SAR在医疗上用作减缓药物释放的载体, 具体做法是将分子量较小的药物与SAR结合, 或者将药物包覆在用SAR制成的微胶囊里, 从而能彻底改变传统的药物送达方法, 使得随着时间的增加药物的送达速度减慢的现状得到改善, 使药物的稳定性大大提高, 同时药物用量大为减少。
四、在农业中的应用
(一) 抗旱保水作用。
高吸水性树脂的加入使在高湿度时土壤的水分含量增加, 同时可减少水分的不必要蒸发, 从而增加了土壤中水分的保有量。通过给种子包衣、蘸根或施入土壤使高吸水性树脂汇集在种子周围或作物根区, 在水量充沛时可大量吸水, 在干旱期间缓慢释放出水分, 保证农作物的正常生长, 从而减少灌溉次数, 节约灌溉成本。
(二) 缓释增效作用。
高吸水性树脂具有很好的吸收和保持水分的特点, 可以降低淋溶损失, 增强各种肥料的利用率, 同时减少农药的使用量。当土壤中加入高吸水性树脂后可增加对肥料的吸附作用, 明显提高对氨态氮的吸附。高吸水性树脂用量一定时, 吸肥量随肥料的增加而增加。
(三) 改良土壤。
高吸水性树脂可以很好地促进土壤团粒结构的形成, 且很容易形成一些大的团聚体。这些大团聚体可以使土壤结构得到稳定、土壤的通透性得到一定程度的改善、土面的蒸发大大减缓, 土壤的抗侵蚀能力得到显著的增强。高吸水性树脂改善土壤的孔隙主要表现在吸水膨胀后, 可以明显使毛管孔隙度得到提高, 使土壤中液相比例得到一定程度的改善, 气固相比得以降低, 让土壤的水热状况得到改善。
五、在土木建筑上的应用
(一) SAR表层处理对混凝土内钢筋锈蚀的影响。
SAR表层处理混凝土后, 由于其吸水膨胀, 使得表层混凝土孔隙或微裂缝更加密实, 大大减缓了CO2扩散速度, 经处理后的混凝土抗碳化能力增强, 对延缓混凝土内预埋钢筋的锈蚀收到良好的效果。
(二) SAR对混凝土渗透性能的影响。
在混凝土中添加SAR会使孔隙率增强。由于这些孔都是彼此独立的, 所以不会影响混凝土的渗透性。混凝土的水化程度提高、水化更加均匀、形成密实的混凝土都是因为添加了SAR, 同时使混凝土的抗渗透性能大大提高。再加上SAR失水后并不能恢复原来的样貌, 而是形成一层有机膜包覆在孔壁上, 会进一步影响混凝土的渗透性能。
六、在食品方面的应用
一般为了延长鱼类的储藏时间会选用冷藏法。鱼类自身含水量较多, 在储藏过程中容易与干燥空气接触, 从而较易失去水分。微生物能促进鱼类体内蛋白质的繁殖。在微生物作用下, 储藏的时间越长越容易腐烂变质。为了延长鱼类的保鲜时间, 一般采用的方法是在鱼类表面浸渍、涂覆保鲜剂, 然而存在效果不理想并且存费用高等缺点。传统的方法并没有充分考虑到保鲜剂的各种性能。为了克服这些不足, 可以用高吸水性树脂和具有抑菌作用的丙二醇配制的保鲜剂对鱼类保鲜处理, 使用这种方法后, 不会改变鱼类原有的口感, 能够很好地延长保鲜期。
七、高吸水性树脂的应用前景
高吸水性树脂是一种应用很广泛的新型材料, 高吸水性树脂在国内的需求量越来越多, 经过几十年的研究, 高吸水性树脂已取得了许多阶段性的成果。在探索新的用途方面, 利用聚丙烯酸钠吸水树脂 (SPR) 对高氯酸 (Li Cl O4) 水溶液的吸附性和保水性及对聚乙烯醇 (PVA) 的分子自组装性能做了相关研究, 随着对高吸水性树脂的不断认识和探究, 我们将会发现其更多的用途和性能, 使其能发挥更大的作用。
摘要：高吸水性树脂是一种新型功能高分子材料, 具有优良的性能和广泛的用途。本文综述了高吸水性树脂在农业、工业、食品行业、日用品等领城的应用现状, 并介绍了其发展前景。
关键词：高吸水性树脂,功能高分子材料,发展前景
参考文献
[1]张立颖, 梁兴唐, 黎洪, 熊开朗.高吸水性树脂的研究进展及应用[J].化工技术与开发, 2009, 10:34~39
改性秸秆复合高吸水树脂的研究 篇6
我国是一个粮食生产大国,每年秸秆总产量约占全球20%~30%。农作物秸秆作为一种可持续获得、产量庞大的绿色资源,在我国却以50%比例焚烧处理[5],秸秆焚烧排放到大气中的CO和CO2的量每年分别达到9.19×106t和1.07×108t[6],造成的环境污染日益突出,引起了全社会的关注,因此,秸秆的综合利用近年来逐渐成为国内外研究的热点。
秸秆复合高吸水树脂,主要是先对秸秆进行糊化[7]、碱或酸处理[8,9,10,11,12],再与相应功能单体进行反应。目前国内外对植酸改性秸秆与植酸改性秸秆复合高吸水树脂的研究报道较少。本文在前期高吸水树脂研究的基础上[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24],采用植酸对玉米秸秆进行改性,在秸秆上引入磷酸基团,再通过溶液聚合与衣康酸、乙烯基吡咯烷酮和丙烯酰胺接枝共聚,得到了吸水吸盐性好、重金属离子吸附性能优良的秸秆复合高吸水树脂。
1 实验
1.1 主要试剂及仪器
玉米秸秆,四川成都金堂县;Na OH、衣康酸(IA)、丙烯酰胺(AM)、植酸、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),过硫酸铵、亚硫酸氢钠、Na Cl、无水氯化钙、乙醇(95%),均为分析纯,成都科龙化工试剂厂;丙酮、乙烯基吡咯烷酮(VP),均为分析纯,成都贝斯特试剂有限公司。
1.2 植酸改性玉米秸秆接枝率的测定
在三口烧瓶中加入定量秸秆粉末和N,N-二亚甲基甲酰胺并放入超声波仪进行超声预处理10~60 min后,在上述体系中加入一定量的植酸和尿素,升温至50~90℃,保温反应3~6 h后将产物冷却至室温,过滤,在50℃烘箱中烘干,得到植酸改性玉米秸秆(PCS),采用称重法计算接枝率,计算公式如下:
式中:W1———秸秆质量,g
W2———植酸接枝改性秸秆质量,g
1.3 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂的合成
将一定量的PCS粉末和蒸馏水加入到250 m L三口烧瓶内,在80℃条件下搅拌糊化得到植酸改性秸秆糊化液后,降温,当温度降至50~60℃左右时,将衣康酸、乙烯基吡咯烷酮和N,N-亚甲基双丙烯酰胺单体混合溶液加入到上述糊化液中,边搅拌边滴加过硫酸铵-亚硫酸氢钠引发体系进行聚合,待反应3~5 h后将聚合物凝胶倒出,用无水乙醇洗涤,并用丙酮浸泡,在60℃条件下烘干,粉碎,最终得到产品植酸改性秸秆复合高吸水树脂(PCS-SB)。
1.4 吸水倍率和吸水速率的测定
在茶袋中装入准确称取的干燥树脂0.2 g左右,放入装有300 m L蒸馏水的烧杯中,每间隔10 min将茶袋取出悬挂晾干至无水滴落,测定不同时间的吸水率,计算吸水凝胶达到吸水平衡时的吸水率,吸水率按式(2)计算。
1.5 吸盐率的测定
在茶袋中装入准确称取的干燥树脂0.2 g左右,放入分别装有100 m L 0.9%Na Cl溶液和0.9%Ca Cl2溶液的烧杯中,室温条件下充分吸盐水,然后将茶袋取出悬挂晾干至基本无水滴落,按式(3)计算吸盐率。
1.6 重金属离子吸附实验
分别将400 mg·L-1Cu(Ⅱ)溶液和102 mg·L-1Ni(Ⅱ)溶液以及0.2 g干燥、研细的PCS-SB粉末放入250 m L锥形瓶中,置于振荡器中室温振荡吸附一定时间后取样,采用原子吸收光谱仪测定样品的吸光度,Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)吸附量qt(mg·g-1)和平衡吸附量qe(mg·g-1)分别按下式计算:
式中:C0———Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)初始浓度,mg·L-1
Ct———振荡吸附一定时间后Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)浓度,mg·L-1
Ce———平衡吸附后Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)浓度,mg·L-1
V———溶液体积,L
m———PCS-SB粉末的质量,g
1.7 结构表征
红外光谱(FTIR):TENSOR27型FTIR仪,德国布鲁克。
2 结果与讨论
2.1 植酸改性秸秆接枝率对PCS-SB吸水率和吸盐率的影响
由图1可以看出,随着PCS接枝率的增加,PCS-SB吸水率和吸盐率呈先增后降的趋势。当PCS接枝率为11.91%,PCS-SB的吸水率和吸盐率达到最大。由于植酸上有6个磷酸基团,随着PCS接枝率的增加,被接枝到玉米秸秆纤维素上的植酸基团逐渐增多,从而提高吸水树脂的亲水性,因此PCS-SB的吸水和吸盐率增加,但当PCS接枝率超过11.91%,过多的植酸基团会接枝到玉米秸秆纤维素上,因其位阻效应而不利于PCS与衣康酸、乙烯基吡咯烷酮进行接枝共聚,致使所形成的网络结构不完善,使得PCS-SB吸水和吸盐性能有所降低。
由图1可知,PCS-SB的Ca Cl2溶液吸盐率低于Na Cl溶液。Flory在研究交联高聚物在水中的溶胀时,提出了下列公式[25]:
式中:Q———树脂溶胀比
ve———交联网络中链的数目
V0———未溶胀树脂的体积,L
Vu———结构单元的摩尔比
ve/V0———交联密度
(1/2-χ1)/V1———树脂与水的相互作用参数
χ1———哈金斯参数
i/Vu———固定在树脂上的电荷浓度
I———外部溶液的电解质离子强度
由Flory-Huggins溶胀理论及公式(6)可知:相同浓度下,离子的电荷数Z越大,则溶液中电解质离子强度I越大,吸水树脂内外渗透压就越小,使吸盐率降低。和Na Cl溶液相比,Ca Cl2溶液的离子强度大和离子电荷数多,使得Ca Cl2溶液对吸水树脂内外渗透压小于Na Cl溶液,因此PCS-SB对Ca Cl2溶液的吸盐率低于Na Cl溶液。
2.2 植酸改性秸秆含量对PCS-SB性能的影响
由图2可知,随着PCS含量的增加,PCS-SB的吸水率和吸盐率呈先增后降趋势,当PCS含量为10%时达到最大值。接枝点数目会随PCS用量的增加而增多,当用量增加到一定程度时接枝反应能顺利进行,所形成的三维网络结构比较完善,因此PCS-SB吸水率和吸盐率均有所增大。但当PCS-SB用量超过10%,接枝点数目过多会增大聚合物的交联密度和聚合物网络的刚性,降低聚合物分子链亲水性,导致PCS-SB吸水率和吸盐率有所下降。
2.3 植酸改性秸秆复合高吸水树脂的吸水速率
图3为PCS含量为10%的PCS-SB吸水速率曲线,采用Voigt粘弹性模型拟合[26,27],公式如式(7)所示。
式中:Q———吸水时间t的吸水率,g/g
Qe———平衡吸水率,g/g
t———吸水时间,min
r———吸水速率参数,代表吸水率为平衡吸水率63%对应的吸水时间
由式(7)可得出:PCS-SB平衡吸水率429 g/g,吸水速率参数r=15.3 min,即达到平衡吸水率的时间为15.3 min,表明PCS-SB吸水速率较快[28]。
2.4 PCS-SB重金属离子吸附性能
PCS-SB对Ni(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)离子吸附速率曲线见图4,在吸附初期吸附速率较快,随着吸附时间延长,吸附速率减慢,直到吸附饱和。55 min Ni(Ⅱ)接近平衡吸附量97 mg·g-1,120 min Cu(Ⅱ)离子接近平衡吸附量330 mg·g-1。吸附初期,聚合物凝胶内外浓度梯度大,重金属离子主要吸附于凝胶表面,因此吸附速率较快[29]。吸附中期,重金属离子吸附主要发生在聚合物凝胶内部的吸附空位。由于重金属离子需扩散到聚合物中的吸附空位,因此吸附速率趋缓。吸附后期,聚合物凝胶内外浓度梯度不断降低,聚合物基体的吸附空位逐渐减少,吸附速率进一步降低,直到饱和。目前国内外重金属离子吸附剂从溶液中吸附不同金属离子的平衡吸附时间为0.5~24 h[30,31,32]。本文制备的PCS-SB对Ni(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)平衡吸附时间分别为55 min和120 min,吸附速率较快,吸附容量较高,可望应用于重金属离子的吸附分离。
2.5 植酸改性秸秆复合高吸水树脂FTIR分析
图5为玉米秸秆、PCS和PCS-SB的红外光谱。玉米秸秆红外光谱图3445 cm-1为木质素,纤维素和半纤维素O-H的伸缩振动吸收峰,1724 cm-1峰为木质素非共轭羰基的伸缩振动,1640cm-1峰为纤维素缩醛和戊半缩醛的C=O伸缩振动,1401 cm-1为木质素苯环的对称伸缩振动峰,1080 cm-1为纤维素和半纤维素骨架糖苷键的伸缩振动[33]。PCS红外谱图出现了植酸基团的特征吸收峰,其中1240 cm-1和990 cm-1分别为PO2-(O=PO-)和P-OH的特征吸收峰[34,35],表明植酸已接枝到玉米秸秆分子链上。PCS-SB红外光谱图3445 cm-1为PCS-SB中-OH伸缩振动峰和AM单元-CONH2的特征吸收峰,2932 cm-1为-CH2反对称伸缩振动,1672 cm-1为VP单元C=O伸缩振动峰[36],1640cm-1为AM单元C=O伸缩振动峰,1080 cm-1为C-O伸缩振动,1453 cm-1为IA中-COOH反对称伸缩振动峰[37],1401 cm-1为玉米秸秆苯环特征吸收峰,表明PCS与VP、IA和AM发生了接枝共聚反应,成功地制备了PCS-SB。
3 结论
(1)随着植酸接枝率提高,PCS-SB吸水吸盐性能先增后降,当接枝率达到11.91%时,PCS-SB吸水率和吸盐率均达到最大值。
(2)随着PCS含量的增加,PCS-SB吸水吸盐呈先增后降趋势,PCS含量达10%时,PCS-SB吸水率和吸盐率均达到最大值。
(3)PCS-SB吸水速率曲线符合Voigt粘弹性模型,平衡吸水率429 g/g,吸水速率参数r=15.3 min。
(4)PCS-SB对Ni(Ⅱ)溶液吸附55 min基本达到平衡吸附量97 mg·L-1,对Cu(Ⅱ)溶液吸附120 min基本达到平衡吸附量330 mg·L-1,有望应用于重金属离子的吸附分离。
超吸水树脂 篇7
本研究通过在砂浆中掺入不同比例的SAP来研究其对水泥砂浆基本性能的影响, 为SAP在新型刚性自防水材料中的应用提供一定的技术支持。
1 实验部分
1.1 原材料及制备
1.1.1 原材料
水泥:P.O.42.5 普通硅酸盐水泥;砂:普通河砂;水:自来水;SAP:一种交联丙烯酸/丙烯酸钠共聚物, 外观呈白色颗粒状粉末, 见图1, 其性能如表1 所示。
1.1.2 试件制备
空白组砂浆的配合比 (质量比) 为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.4。为了让SAP在水泥砂浆中均匀地分散, 制备时需要按照一定的顺序添加原材料:首先将SAP与水泥混合, 用胶砂搅拌机搅拌, 使其初步均匀, 然后与砂一起加入搅拌机, 干搅60 s后将水加入, 再搅拌2min。最后按相关的要求对试件进行制作, 养护28 d后进行相应的测试。
1.2 测试方法
1.2.1 干制品密度
首先将70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的28 d龄期的立方体试件, 在105 ℃下烘干至恒重;然后参照GB5486.3—2001《无机硬质绝热制品试验方法密度、含水率及吸水率》中的有关规定进行测试, 并记录试样质量m与体积V;最后根据公式 ρ=m/V, 计算出试件的密度。
1.2.2 吸水率
参照GB/T 11970—1997 《加气混凝土体积密度含水率和吸水率试验方法》中的有关规定进行吸水率试验, 测试时间为48 h, 计算公式如下:
式中, W为砂浆吸水率, %;m0为试件烘干后的质量 (将养护到28 d龄期的试件放入电热鼓风干燥箱中, 在75 ℃条件下烘4 h) , g;mg为试件吸水后的质量, g。
1.2.3 抗压强度
参照JGJ/T 70—1990《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的有关规定进行抗压强度试验, 试件的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体, 计算公式如下:
式中, fm, cu为砂浆立方体试件抗压强度, MPa;Nu为试件破坏荷载, N;A为试件承压面积, mm2。
1.2.4 抗折强度
参照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的有关规定进行抗折强度试验, 试件规格为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体, 计算公式如下:
式中, fb为抗折强度, MPa;P为破坏荷载, N;L为两个支点的间距, mm;b为棱柱体正方形截面的边长, mm。
2 结果与分析
2.1 SAP对干制品密度的影响
SAP对砂浆干制品密度的影响规律如表2 所示。由表2 可以看出, 掺入SAP的水泥砂浆的干制品密度随着SAP掺量 (SAP占水泥用量的质量百分数) 的增加而降低。其原因可能是SAP掺入到水泥砂浆中, 由于SAP具有极强的吸水能力, 会吸收水泥砂浆内部的自由水, 而伴随着水化反应不断地消耗水分, 使得SAP一方面逐步释放水分供给水泥水化, 另一方面随着SAP释放水分导致其体积逐渐减小, 而在原来的位置形成孔隙从而影响了水泥砂浆的孔隙率, 使得孔隙率增大, 导致干制品密度降低。
2.2 SAP对吸水率的影响
SAP对砂浆吸水率的影响规律如表3 所示。由表3 可以看出, 掺入SAP的水泥砂浆的吸水率都大于空白组的吸水率;且随着SAP掺量的增加, 水泥砂浆的吸水率增大。其原因可能是两个方面:一方面由于SAP本身的吸水性很好;另一方面由于SAP的掺入使得水泥砂浆的孔隙率增大 (表2) 。因为这两方面的原因, 最终导致水泥砂浆的吸水率增大。
2.3 SAP对抗压强度的影响
SAP对砂浆抗压强度的影响规律如表4 所示。由表4 可以看出, 水泥砂浆的抗压强度是随着SAP掺量的增加而减小。其原因可能是由于SAP在水化过程中逐渐释放水分, 使得颗粒尺寸缩小到与未吸水时相当, 并且在其原本的位置上形成孔隙, 当试件受压时, 应力集中在孔隙处, 促使微裂纹进一步发展, 从而使得砂浆的抗压强度降低。
2.4 SAP对抗折强度的影响
SAP对砂浆抗折强度的影响规律如表5 所示。由表5 可以看出, 掺入SAP的水泥砂浆的抗折强度都小于空白组的抗折强度, 且随着SAP掺量的增加, 水泥砂浆的抗折强度随之降低。其原因可能是由于掺入SAP使得水泥砂浆的孔隙率增大, 并且由于SAP分散在水泥砂浆内, 造成水泥砂浆的密实程度降低, 最终造成砂浆的抗折强度降低。
3 结论
本研究通过在水泥砂浆中掺入不同比例的高吸水树脂 (SAP) , 较系统地研究SAP对水泥砂浆基本性能的影响。研究结果表明SAP的掺入会造成水泥砂浆的干制品密度、抗压强度和抗折强度降低, 而吸水率升高。其原因主要是SAP掺入到水泥砂浆后, 由于其极强的吸水能力, 吸收水泥砂浆内部的自由水, 而伴随着水化过程不断消耗水分, 使得SAP逐步释放所吸收的水分供给水泥水化;同时, 随着SAP释放水分导致其体积逐渐减小, 而在原来的位置形成孔隙从而影响了水泥砂浆的孔隙率, 造成上述结果。该研究结果可为后续研究与制备新型刚性自防水材料提供一定的参考价值。
参考文献
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超吸水树脂 篇8
化学节水技术是利用化学材料或制剂通过直接作用于植物或间接作用于土壤来改善植物的水分消耗特性, 进而提高水分利用率[1]。目前, 保水剂、土壤固化剂等一批新型、多功能节水材料已在农业中得到应用并取得良好效果。PAAM树脂是一种新型保水剂, 分子链上的-COO—使其具有强阴离子性、水溶性和好的吸附性能;酰胺基使其具有耐盐性、抗酸碱性和好的水解稳定性, 两者共存产生协同效应赋予树脂许多新性能[2]。因此, 施用PAAM树脂后, 土壤的吸水、保水和吸肥、保肥性能提高, 同时土壤内部结构得到改善, 团粒数目增多, 尺寸增大, 透气性能提高[3]。而且, PAAM树脂对光热稳定, 吸水后凝胶强度大, 反复使用性好[2,3], 这些优点有利于它在农业上的推广应用。但是目前对土壤进行改良研究中, 较多学者把目光集中在聚丙烯酰胺树脂 (PAM) 上, 而关于PAAM树脂应用的文献则很少。笔者以不同质地的土壤为载体, 研究PAAM树脂对其保水性能的影响, 为该树脂在农业上的应用提供一些理论依据。
1实验
1.1 实验原料
PAAM树脂, 溶液聚合自制, 粒度60～100目, 在蒸馏水、0.9% (质量分数, 下同) NaCl溶液中吸水倍率分别为1300, 107g·g-1;氯化钠, 分析纯, 上海化学试剂厂;河砂, 采自湘江长沙段, 用3mm网筛除去过大颗粒;泥土, 采自本校长沙校区实验楼旁泥土, 采样深度2～5cm, 在105℃恒温烘箱干燥24h, 稍粉碎, 过筛, 粒径控制在5mm内。
1.2 保水率和含水率测定
称取已处理河砂、泥土, 按河砂/泥土=10∶0, 7∶3, 5∶5, 3∶7, 0∶10混配五种质地的土壤, 称取定量混配土壤分装于500mL塑料杯中, 分别加入PAAM树脂0.00, 0.20, 0.60, 1.00g并混匀;向塑料杯中, 加入适量自来水或0.9%NaCl溶液, 使吸水饱和 (以土壤表层没有积水, 倾斜塑料杯杯壁与土壤间隙有少许液体渗出为准) ;置于室外通风环境自然干燥;在连续30d内, 以适当时间间隔称量上述塑料杯总重量, 记录数据并计算土壤保水率Ri[4]和含水率θi[5]:
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式 (1) , (2) 中:m0 为吸水饱和时土壤和PAAM树脂总质量 (g) ;m0′为干土壤和PAAM干树脂总质量 (g) ;mi为第i次称重时土壤和吸水PAAM树脂总质量 (g) ;Ri为第i次称重时的保水率 (%) ;θi为第i次称重时的含水率 (%) 。
2结果与讨论
2.1PAAM树脂用量对土壤保水能力的影响
图1～4给出不同质地土壤施用不同质量PAAM树脂后保水率随时间的变化。由图可知, 在河砂/泥土=10∶0, 5∶5, 3∶7, 0∶10四种质地土壤中PAAM树脂用量为1, 3, 5g/kg时, 保水率降至30%时的时间分别由对照组 (PAAM树脂用量为0g/kg, 下同) 的120h延长到280, 500, 680h (图1, 河砂∶泥土=10∶0, 即纯河砂) , 由185h延长到410, 500, 630h (图2, 河砂∶泥土=5∶5) , 由210h延长到280, 490, 570h (图3, 河砂∶泥土=3∶7) ;由280h延长到360, 540, 630h (图4, 河砂∶泥土=0∶10) ;显然对同一土壤, 树脂用量越多, 曲线偏离对照组曲线越远, 土壤保水率下降越慢。这是因为PAAM树脂吸水倍率高, 吸水后体积膨胀, 树脂与土壤之间产生胶结作用, 促进土壤团粒结构特别是1mm以上大团粒的迅速形成, 团粒内部具有相当数量的毛管孔隙, 孔隙内吸持水分并依赖毛管作用保持于其中[5]。正常情况下, 这部分水分可以借助毛管力产生运动, 但是团粒内非毛管孔隙也大量增加, 切断了毛管与表层毛管间的联系, 从而降低了水分蒸发强度, 且随树脂用量增加, 土壤团粒含量明显提高, 团粒间可能产生交叠, 降低了土壤总表面积, 蒸发强度进一步下降, 保水能力提高。
但是, 四幅图中树脂用量5g/kg与3g/kg的两条曲线所围面积均小于3g/kg与1g/kg两条曲线所围的面积, 说明随树脂用量增加, 土壤团粒的数目增加速度趋于缓慢, 原因可能是施用PAAM树脂的主要作用是增大了土壤中团粒结构的含量, 这种作用的发挥自然与土壤中原有团聚体的数量有关, 先加入的PAAM树脂已明显增加了土壤中团聚体的数量, 后加入的这种作用不能充分发挥, 所以PAAM树脂的施用量应有一个临界值[6]。
2.2 河砂含量对施用PAAM的土壤含水率变化的影响
如图5所示, 在河砂/泥土=10∶0, 7∶3, 5∶5, 3∶7, 0∶10五种质地土壤中施用PAAM树脂5g/kg后, 饱和含水率 (t=0时对应的θ值, 下同) 由对照组的22%, 34%, 37%, 42%, 46%提高到122%, 121%, 120%, 110%, 103%, 提高倍数分别为4.5, 2.6, 2.2, 1.6, 1.2。仔细观察还发现PAAM 树脂用量5g/kg的土壤含水率时间曲线的相对位置发生翻转, 使河砂/泥土=10︰0的土壤两条曲线分别位于最上端和最下端, 距离最远;河砂/泥土=0∶10土壤的两条曲线位于中间, 距离最近。原因是河砂中主要矿物石英 (SiO2) 的吸水保水能力差, 泥土中主要矿物高岭石和三水铝石, 携带有可变电荷使吸水保水能力好[5], 故河砂含量高的土壤自身保水能力差, 但是砂粒尺寸大、无黏结性, 砂质土壤疏松多孔, 粒间孔隙总体积大, 为PAAM树脂提供了充足的膨胀空间, 吸水后凝胶网络可以充分舒展, 束缚更多水分。同时, 土壤体积也发生膨胀, 土壤中固、液、气三相分布得到改善, 液相、气相占的比例提高, 蓄水量增加;且石英表面的Si原子与水结合成极性的硅烷醇[5,7] (Si-OH) 与PAAM凝胶颗粒表面的-COO-, -NH2亲和性好, 易于形成稳定的土壤团聚体。相反, 泥土中的黏土矿物湿胀性、黏结性较好, 故泥土含量越高的土壤质地越黏越重;矿物水化后, 颗粒尺寸进一步减小, 使土壤紧密堆积, 孔隙度下降;不利于PAAM树脂发挥作用, 且矿物质含硅氧烷 (Si-O-Si) 的非极性表面成分[5,7], 与PAAM树脂亲和性差。故土壤中河砂含量越高施用PAAM树脂后保水能力提高越显著。
2.3土壤中PAAM树脂的用量对0.9%NaCl溶液的保水能力的影响
如图6, 在河砂/泥土=10∶0的土壤 (纯河砂) 中树脂用量5g/kg时保水率时间曲线与对照曲线的距离较远, 保水率下降到30%的时间由未加PAAM树脂时的150h延长到370h, 延长220h, 但仍然没有图1显著。由图7, 8可知, 在PAAM树脂用量为5g/kg时, 河砂/泥土=5∶5 (图7) 和0∶10 (图8) 的土壤在0.9%NaCl溶液的保水率时间曲线与对照曲线的距离仍然很近, 保水能力提高也不如图2, 4显著。这是因为PAAM树脂是一种离子型保水剂, 渗透吸水为其主要吸水机理[8,9], 盐水中NaCl的解离使树脂凝胶网络内外渗透压差减小, 吸水倍率下降, 吸水饱和时树脂体积也只发生有限膨胀, 在土壤中所占比重不大时, 对土壤团粒结构改善不明显;加之盐水离解出的Na+是土壤溶液中的主要弥散离子, 使土壤溶液的临界絮凝浓度提高[7,9,10], 土壤粘粒易于发生弥散, 破坏了土壤中原有的团粒结构, 且这种弥散不可恢复, 基本抵消PAAM树脂加入对土壤保水能力的提高。所以PAAM树脂对这五种质地土壤的保水能力提高不显著。对蓄水能力, 由于PAAM树脂在0.9%NaCl溶液中吸水倍率为107 g·g-1, 吸水饱和时体积增大较小, 对土壤固、液、气三相分布影响不大;加上土壤中黏粒的弥散和矿物水化使土壤黏粒尺寸进一步减小、表面活性提高, 黏粒间相互作用增强而紧密堆积[5,11]。所以施用PAAM树脂后土壤中固、液、气三相含率变化不大, 液相、气相所占的比例并未明显提高。因此, 图9中树脂用量为5g/kg的五条含水率时间曲线与对照曲线相比, 跳动幅度都不大 (另外, 五条曲线间相互交叉增多, 规律性不如图5明显, 可能是因为含水率变化太小, 数据受仪器误差、天气变化和树脂在土壤中分布影响较大引起的) , 而且与图5相比饱和含水率增大幅度较小, 这说明PAAM树脂的加入对实验中五种质地土壤的蓄水能力提高也不显著。因此, 施用PAAM树脂对实验用的五种质地土壤在0.9%NaCl溶液保水能力提高不大, 故PAAM树脂不太适合在高盐碱地区使用。
3结论
(1) 自然蒸发条件下, 考虑到农业生产的灌溉周期和降水周期, 认为用量5g/kg可以满足实际使用要求。
(2) PAAM树脂吸水保水性能好, 用量为1g/kg 与3g/kg已明显改善土壤蓄水保水能力, 但还不能满足实际使用要求, 超过5g/kg时对土壤改良效果明显下降, 因此该树脂施用量的临界值应为5g/kg。
(3) 砂质土壤自身保水能力差, 但结构疏松, 且表面硅烷醇极性基团与PAAM树脂亲和性好, 两者产生协同作用, 使土壤团粒结构得到显著改善, 蓄水保水能力大大提高, 故PAAM树脂更适合施用于砂质土壤中。
(4) PAAM树脂属离子型保水剂, 耐盐性差, 对0.9%NaCl溶液的吸液倍率低, 在盐碱地区施用后对土壤保水和蓄水能力提高不大, 故不适用于在高盐碱地区使用。
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超吸水树脂 篇9
目前,制备SAPC主要包括将高岭土[1]、膨润土[2]、凹凸棒土[3]和云母[4]等不同的非金属矿物复合到聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钠-丙烯酰胺吸水树脂体系中。将两种或两种以上无机粘土与单体进行复合,或对粘土进行有机改性,是进一步改善树脂吸水保水和耐盐性能的重要发展方向[5]。膨润土具有很高的阳离子交换容量、膨胀性、吸附性和分散性,能够稳定地分散在丙烯酸类亲水性单体水溶液中进行复合聚合,提高SAP的吸水倍率、吸水速率、高温保水和加压保水等性能。凹凸棒是一种链层结构的镁铝硅酸盐矿物,在我国储量丰富,价格低廉。本研究采用水溶液聚合法,氧化-还原引发体系合成凹凸棒/膨润土/聚丙烯酸钠三元复合吸水性树脂,研究复合粘土用量、混合粘土配比对聚合反应速率的影响,并对影响SAPC吸水速率的因素进行探讨。
1 实验部分
1.1 原料及规格
凹凸棒粘土,200目粉状颗粒,安徽明光市明涛凹凸棒矿品厂;膨润土,广州亿峰贸易有限公司(产地:河南);丙烯酸(AA),工业级,日本进口分装;氢氧化钠(NaOH):分析纯,广州化学试剂厂; N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis ),分析纯,天津市北联精细化学品开发有限分司;过硫酸铵((NH4)2S2O8 ):分析纯,广州化学试剂厂;亚硫酸氢钠(NaHSO3),分析纯,广州化学试剂厂。
1.2 三元复合高吸水性树脂的合成
称取一定量的NaOH,用适量蒸馏水溶解于烧杯中,放置在冰水浴中快速冷却。另称取一定量丙烯酸缓慢加入NaOH溶液中,在冰水浴下中和。随后加入膨润土、凹凸棒、Bis,搅拌均匀,再依次加入(NH4)2S2O4和NaHSO3。反应完成后置于100℃下恒温干燥至恒重,粉碎、过筛,即得三元复合高吸水树脂,取60~100目粒径的树脂材料备用。
1.3 性能测试
1.3.1 吸水倍率测定
采用自然过滤法测试吸水性树脂的吸水倍率。称0.5g树脂(60~100目)放入1 L的烧杯中,加入去离子水,室温下静置待溶胀饱和,用100目滤布将剩余的水滤去, 并使吸水凝胶在滤布上静置15min,然后称出凝胶质量。吸水倍率以Q(g·g-1)表示:
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式中,m1为树脂吸水前质量,g;m2为树脂吸水后质量,g。
1.3.2 吸水速率
在数个1L烧杯中,分别加入0.5g树脂,加入去离子水,各自静置不同的时间,用100目滤布过滤,求得吸水倍率与吸水时间的关系即为该树脂的吸水速率。
2 结果与讨论
2.1 复合粘土对SAPC聚合反应速率的影响
SAPC的合成为放热过程,随着反应的不断进行,聚合体系反应温度不断升高。反应速率越快,聚合反应温度上升越快。由于聚合体系与环境存在热量交换,反应温度到达一峰值后开始缓慢下降。实验中测定不同时刻的反应温度,聚合反应速率用反应温度变化速率表示。
2.1.1 复合粘土用量的影响
保持m(凹凸棒)∶m(膨润土为)=2∶1,复合粘土用量对聚合反应速率的影响如图1所示。
由图可见,粘土的引入使聚合反应趋于复杂:聚合反应初期,粘土用量越大聚合反应速率越快,但随着反应的进行,粘土用量大的聚合体系其反应速率反而慢。粘土用量为5%时,聚合反应过程存在一个明显的放热高峰;而粘土用量为20%以上时,其放热峰不明显。这可能是由于无机粘土中一些微量金属离子和水溶液中的钠离子发生离子交换后,有利于加速引发剂的裂解产生自由基的速率,表现为聚合初期反应速率随粘土用量的增加而加快。但同时无机粘土可对聚丙烯酸(钠)活性链产生链转移或链终止,从而导致聚合反应速率降低,聚合温度的变化趋于平缓。
2.1.2 粘土配比的影响
固定粘土用量为丙烯酸质量分数的20%,改变凹凸棒和膨润土的相对用量,粘土配比对聚合反应速率的影响如图2所示。由图可看出,添加凹凸棒的丙烯酸(钠)水溶液反应速率比添加膨润土更快。而将膨润土和凹凸棒以不同比例混合加入后,随着膨润土用量的增加,聚合反应速率变慢。因此,聚合反应速率和粘土的种类有关,膨润土对丙烯酸钠活性自由基链的链转移或链终止速率速率常数比凹凸棒更大。
2.2 影响SAPC吸水速率的因素
2.2.1 粘土配比的影响
图3是固定复合粘土为丙烯酸单体质量分数的20%、不同凹凸棒和膨润土配比的复合树脂的吸水速率曲线。由图可见,相对膨润土,添加凹凸棒的吸水树脂其平衡吸水倍率更高,但吸水速率更慢。结合2.1.2可解释为,膨润土对丙烯酸(钠)自由基聚合的链转移能力比凹凸棒更强,形成的部分低分子量的聚丙烯酸链并未参与交联,使得聚合后树脂形成交联网络,交联密度偏低,其平衡吸水倍率稍低。添加膨润土的吸水树脂的吸水速率更快,其原因可能有二:一是由于膨润土层间表面亲水基团含量大,吸水时水相润湿速率快,进而增加吸水性凝胶网络的扩散速率;二是与粘土和丙烯酸钠溶液发生离子交换有关,导致吸水树脂离子浓度发生变化,具体原因有待进一步研究。另由图可看出,将凹凸棒和膨润土按一定比例复合加入后(m(凹凸棒)∶m(膨润土)=2∶1),可发挥两者间的协同作用,在保持较高的平衡吸水倍率的同时,提高吸水速率。
2.2.2 交联剂用量的影响
交联剂用量对吸水树脂吸水速率的影响见图4。由图可见,交联剂用量对吸水树脂的吸水速率和平衡吸水率影响明显。当交联剂用量为0.03%时,复合树脂已形成部分交联的网络,具有一定的吸水倍率。交联剂用量进一步增至0.07%,吸水倍率达到最大。此后随交联用量的增加,树脂的吸水倍率开始下降,而当交联剂用量增至0.8%时,吸水树脂的吸水速度迅速下降,40s时就已达到平衡吸水状态,且平衡吸水倍率低。
2.2.3 氧化剂用量的影响
保持n((NH4)2S2O8)∶n(NaHSO3)=1∶1,其他条件不变,(NH4)2S2O8用量对吸水速率的影响见图5。由图可知,随着氧化剂用量的增加,树脂的吸水速率和平衡吸水倍率均先增加后下降,氧化剂质量分数为0.8%时,吸水性能最佳。
2.2.4 中和度的影响
中和度对树脂吸水速率的影响见图6。由图可见,中和度越大,树脂吸水速率越快。随中和度增加,树脂内部与外部Na+浓度差增大,渗透压增加,树脂吸水速率加快。但从平衡吸水倍率来看,中和度为30%的吸水倍率最大,中和度为50%和90%的吸水倍率相近。综合考虑,SAPC中和度为90%时,吸水性能最佳。
3 结 论
(1)添加粘土会加快氧化还原引发体系活性自由基的产生速率,并同时会降低链增长过程中聚合反应速率。聚合反应速率和粘土的种类有关,膨润土对丙烯酸钠活性自由基链的链转移或链终止速率常数比凹凸棒更大。在凹凸棒-膨润土复合粘土用量一定条件下,膨润土用量越大,聚合反应速率越慢。
(2)在相同膨润土和凹凸棒用量下,添加凹凸棒的吸水树脂其平衡吸水倍率更高,但吸水速率更慢。将膨润土和凹凸棒复合,可发挥两者间的协同作用,在保持较高的平衡吸水倍率的同时,提高吸水速率。
(3)当m(凹凸棒)∶m(膨润土)=2∶1,交联用量为0.07%,氧化剂用量为0.8%,中和度为90%时,SAPC的吸水速率最快。
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