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超吸水性树脂是一种具有松散结构的低交联的强亲水性高分子化合物。它既不溶于水,也难溶于有机物,具有吸收自身重量几百倍甚至几千倍水的能力,且吸水速率高,保水性能好,即使加压也难以把水分离出来,因此,超吸水性材料在轻工业、农业、化工和医疗卫生等部门有着广范的前途。
目前对高吸水性树脂的实验研究报道多集中在产品的合成以及应用领域,理论方面的研究不多见,特别是对于高吸水性树脂的热分解动力学的研究尚未见报道,使得理论研究落后于研发应用。如果没有厚实的理论基础,吸水树脂的研制开发就会受到束缚,因此加强理论研究是十分迫切和必要的。
采用水溶液聚合法合成了聚丙烯酸钠高吸水性树脂,其吸水倍率70.g·g-1、吸0.9%NaCl溶液倍率为82 g·g-1,30 min内吸水量达到饱和吸水量的75%以上,在80℃的烘箱中干燥,10个小时后的保水率还超过30%。探讨了交联剂、引发剂、单体浓度、中和度和聚合温度对吸水倍率的影响,最佳的合成工艺为:单体浓度65%(重量比),中和度80%(单体摩尔浓度比),聚合温度80℃,引发剂用量为单体重量的0.2%,交联剂用量为单体重量的0.01%。
采用TG/DTA法研究了在不同升温速率下的聚丙烯酸钠的热分解过程,发现其热分解过程分为三个主要分解阶段,分别为脱水,脱羧和主链的解聚。采用多重扫描速率法求得了聚丙烯酸钠脱羧阶段的活化能E为132.88 KJ·mol-1,指前因子为1g(A)=9.103,机理函数为相边界反应机理其积分形式和微分形式分别为G(α)=1-(1-α)1/2,f(α)=2(1-α)1/2。
采用水溶液聚合法合成了高岭土/聚丙烯酸钠高吸水性树脂,其吸水倍率为120.g·g-1、吸0.9%NaCl溶液倍率为10.g·g-1,在80℃的烘箱中干燥,10个小时后的保水率还超过40%。探讨了高岭土用量、交联剂、引发剂、单体浓度、中和度和聚合温度对吸水倍率的影响,最佳的合成工艺为:高岭土用量为单体质量的10%,单体浓度65%(重量比),中和度80%(单体摩尔浓度比),聚合温度80℃,引发剂用量为单体重量的0.3%,交联剂用量为单体重量的0.015%。
采用TG/DSC联用的方法研究了在不同升温速率下的高岭土/聚丙烯酸钠的热分解过程,发现其热分解过程分为三个主要分解阶段,分别为脱水,脱羧和主链的解聚。采用等转化率法和多元非线性回归相结合的方法求得了高岭土/聚丙烯酸钠脱羧阶段的热分解动力学,并求得了其动力学参数为:活化能E=336.52 KJ·mol-1,指前因子log(A)=22.15,热分解机理模型函数为:自催化的n级反应模式,反应级数为n=1.59,所对应的函数为f(α)=(1-α)1.59。
本论文的创新之处:(1)首次采用热分析的手段对聚丙烯酸钠类高吸水性树脂进行了动力学研究,并求得了相应的动力学参数;(2)初步探索了聚丙烯酸钠类高吸水性树脂脱羧阶段的热分解机理函数。
本文采用热分析的手段研究了高吸水性树脂的热分解动力学,并得到了其热分解的机理函数,为高吸水性树脂的动力学研究提供了有益的基础信息。