材料化学综合实验课件

品。溶液法具有方法简单、体系纯净、交联结构均匀的特点，产物为团状，需要烘干、粉碎等后续处理工序，尤其是该体系中含水量较大、烘干费时、耗能。溶液聚合法可采用先聚合，合成线性聚合物，后加交联剂进行表面交联的方法，或单体与交联剂同时加入，在氮气保护下升温，再加入引发剂，经引发聚合，进行共聚交联的方法来得到内部交联均匀分布的吸水材料。

合成低分子量聚丙烯酸钠的过程中，涉及各种的化学反应，其中最重要的是中和反应和聚合交联反应。 （1）部分中和反应：

CH2NaOHCHCOOHCH2CHCOONa+ H2O

（2）引发反应、聚合交联反应

溶液聚合法合成低分子量聚丙烯酸钠主要需控制的因素有：交联剂种类和用量、引发剂种类和用量，中和度（丙烯酸单体用，中和度一般控制在60％～90％），反应温度、时间（一般在50～80℃，保证自由基反应正常进行；反应时间在2～5h）,水解条件（需要时选择）。 （1）反应性单体

合成低分子量聚丙烯酸钠使用的水溶性单体，主要有丙烯酸和/或其碱金属盐、铵盐，甲基丙烯酸和/或其碱金属盐、铵盐，甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸甲酯，丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸已酯，丙烯酸已酯，甲基丙烯酸丙酯等，其中使用最多的单体是丙烯酸。 （2）交联剂

合成低分子量聚丙烯酸钠，不论采用哪种单体（丙烯酸、丙烯酸盐、丙烯酰胺等），最终产物都要形成适度交联的三维网状结构，交联网状结构主要是通过交联剂来实现。丙烯酸类单体，即便不用任何交联剂也会产生某种程度的自交联。但为了产品性能的稳定，一般需在单体溶液中加入交联剂交联，使产物由水溶性转变适度交联的水溶胀物。聚丙烯酸钠制备的交联剂，在结构上具有两个或两个以上不饱和基团。其主要类型有两种，即利用多功能团与丙烯酸分子上羟基或活泼氢的反应的多功能团化合物和含有多个末端烯键的乙烯基类化合物。常用的交

联剂有双丙烯酰胺类、多元醇类、多元醇酯、二缩水甘油醚、卤环氧化合物、多元烯丙基等。

交联剂的作用机理是交联剂分子上的双键直接参与了自由基共聚反应。交联网络的均匀性取决于乙烯基交联剂的活性。交联剂的用量一般为单体质量的0.001％～2％。 （3）引发剂

主要使用水溶性聚合引发剂。过氧化物类有过氧化氢、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵等；氧化还原引发剂有硝酸高铈盐、过氧化氢－硫酸亚铁、过硫酸盐－亚硫酸氢钠（或亚硫酸钠）等；偶氮类引发剂有2,2’－偶氮二异丁腈、2,2’－偶氮双（2－脒基丙烷）二盐酸盐等。引发剂的用量一般为单体质量的0.001％～5％。 4.3低分子量聚丙烯酸钠的性能与表征 4.3.1聚丙烯酸钠平均分子量的测定

一般来说作为分散剂的聚丙烯酸钠的分子量在1000～5000左右。聚丙烯酸钠属于阴离子性聚合物电解质，当其分子量低时，低聚物离子不能吸附悬浮物粒子，而是被悬浮粒子所吸附，吸附了低聚物离子的颗粒形成双电层，改变了电荷状态，在静电荷作用下，颗粒相互排斥，这样避免了颗粒碰撞而长大沉积，而使颗粒分散在溶液中。

用粘度法测定聚丙烯酸钠的分子量。首先用乌氏粘度计在25℃下，以水为溶剂，测定水流出的时间t0和各种实验条件下合成的聚合物水溶液的流出时间t再由下列公式计算合成聚合物的特性粘度。

?tt?2???1?ln?t0??t0????C

式中：???－特性粘度；C－溶液浓度；t－溶液流出的时间（s）；t0－溶剂流出时间（s）

高聚物溶液的特性粘度???和高聚物分子量之间的关系用以下经验方程式来表示：

?????10?M???3.37??410.66

式中：M－聚合物粘均分子量

4.3.2固含量测试

将样品搅匀后称取一定量的试样（足以保证最后试样的干固量）置于的培养皿中，使试样均匀的流布于培养皿的底部。然后置于120℃烘箱内干燥，1h后取出，放入玻璃干燥器中冷却至室温后称量，再将培养皿放入烘箱内，干燥30 min后放入干燥器中冷却至室温后称量，重复上述操作，直至前后两次称量差不大于0.01g 为止（全部称量精确至0.01g )，并按下式计算固含量：

固含量％＝（加热后重/取样重）×100％ 4.4低分子量聚丙烯酸钠的应用

低分子量聚丙烯酸及其钠盐应用前景日益广泛，尤其在陶瓷工业中能大大改善泥浆的性能。聚丙烯酸钠具有一定的高分子链可起到立体稳定作用，而本身带的电荷可起到静电稳定作用。因此，可以降低料浆的粘度，防止颗粒团聚。实验表明，聚丙烯酸钠是一种较好的陶瓷料浆减水剂，同时对坯体的干燥强度还具有一定的增强效果。加入分散剂，使得整个瓷土颗粒表面和边缘都呈负电荷，并且在其周围形成双电层，瓷土颗粒依靠这种静电排斥和空间位阻来维持原来的稳定状态。对于未使用分散剂的悬浮液，由于瓷土颗粒表面和边缘带有不同电荷，这些不同电荷相互作用，使得瓷土颗粒相互吸引、附聚，最终导致颗粒粒径变大。

通常采用涂－4杯黏度计测试泥浆的黏度，它适合于测试泥浆流出时间为10~150s的产品。涂-4杯黏度计由塑料或黄铜加工而成，但以金属黏度计为准。上部为圆柱形，下部为圆锥形，壁表面粗糙度0.4um。锥性底部有一漏嘴，高(4±0.02)mm，孔内直径为(4±0.02)mm，用不锈钢制成。黏度计锥体内部的角度为81°±15’，总高度73mm，圆柱体内径50+2mm，容量为100ml。温度计分度为0.1℃，秒表精度为0.2s。

涂－4粘度计测定的粘度是：一定量的试样在一定的温度下，从规定直径的孔所流出的时间。涂－4粘度计的校正：在25±0.5℃的室温下，在容器中注满蒸馏水，蒸馏水全部流出所需时间应为11.5±0.5S。 4.5实验结果和讨论

将实验过程的工艺参数与性能测试结果设计表格列出。结合所学的知识对所制备的聚丙烯酸系高吸水性材料的性能及制备过程进行评述。编写综合实验报告。对于某些性能和数据在实验过程中无法获得，可参考有关文献和资料来确定。

4.6注意事项

(1)反应初所需的化学试剂要准确称量，此步骤直接影响到所制备样品的结构性能。

(2)交联剂和引发剂的加入要控制适量，并且实验中要注意隔离氧气，否则会增加胶化时间。

(3)高吸水性材料在制备过程中应避免与水接触。

(4)综合实验的时间较长，影响因素较多，实验时要认真观察、详细记录，出现不满意的结果要认真分析、找出原因。 4.7思考题

(1) 聚丙烯酸系高吸水性材料的制备方法及影响因素？

(2) 聚丙烯酸系高吸水性材料制备时所使用的交联剂的作用机理？ (3) 聚丙烯酸系高吸水性材料吸液能力、保水能力的测定方法？ (4) 简谈聚丙烯酸系高吸水性材料的主要应用领域。

附录1 低分子量聚丙烯酸钠减水剂的合成（1）

一、主要实验药品及仪器

实验药品：丙烯酸(化学纯)、氢氧化钠（分析纯）、过硫酸钾、N，N’-二甲基双丙烯酰胺、去离子水

实验仪器：恒温水浴槽、三口烧瓶、滴液漏斗、电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、烘箱等。 二、实验步骤

在装有搅拌器，温度计，滴液漏斗的250mL的三口瓶中加入异丙醇（链转移剂）和一定量的去离子水，升温至一定温度，在搅拌的情况下滴加丙烯酸、过硫酸钠（引发剂）水溶液1~2h，保温反应2h，冷却至40～50℃，然后加入质量分数30％的NaOH溶液，调整pH值至7~8，得到淡黄色聚丙烯酸钠粘稠液体。 三、实验结果及分析

要求描述实验过程中所观察到的具体现象，结合性能表征对测试结果作初步分析。