植物栽培多彩吸水聚合物的制備方法探究摘要：采用丙烯酸、氫氧化鈉、丙烯酰胺為原料，以N,N—亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑。以過硫酸銨，無水亞硫酸鈉為引發(fā)劑，選擇顏色鮮艷又具有水不溶性的顏料為著色劑，采用溶液聚合法合成具有色彩晶瑩、吸水不褪色的多彩吸水聚合物。由于吸水聚合物的制備過程中容易發(fā)生暴聚現(xiàn)象，造成聚合物的外觀和吸水效果不理想。所以此次實驗的主要目的找到制備高吸水度的聚合物所需各試劑的用量關(guān)系，實驗操作條件，以及丙烯酰胺的作用。結(jié)果表明，適宜的條件為：丙烯酸（分析純）4mL，氫氧化鈉4.37g，蒸餾水15mL，丙烯酰胺6.90g,交聯(lián)劑0.0175g，5%過硫酸銨0.45mL，5%過硫酸鈉0.45mL，顏料少許。關(guān)鍵詞：交聯(lián)、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、暴聚、」 、八1.刖言多彩水晶吸水聚合物（又稱水晶泥）是近兩年來開發(fā)的的一種彩色的聚丙烯酸吸水聚合物，吸水后呈水晶般凝膠狀。可用于裝飾、園藝、盆載等，既能美化城市和家居環(huán)境。又能長期保水，不需經(jīng)常管理，具有一定的潛在價值和實際意義。水晶泥是能夠儲存水分、養(yǎng)料和微量元素的高吸水載體，為植物的生長提供水分和養(yǎng)料，而且對植物和人體無害，是室內(nèi)植物栽培的新材料。高分子的吸水樹脂是一種新型的高分子材料，其吸水量可達到自身重量的幾十乃至幾千倍，是一般傳統(tǒng)材料所不可比擬的。近二十年來，在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林、園藝、石油化工、日用工業(yè)、建筑等各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外人工合成高分子吸水劑的研究日益增多，合成聚合物吸水劑有聚丙烯酸系、聚乙烯醇系等。按照其高分子鏈上官能團的不同可分為離子型交換樹脂和非離子型交換樹脂。離子型交換樹脂吸水性強，但耐鹽性比較差，吸水速率較慢。非離子交換樹脂的吸水速度快，耐鹽性較好，但吸水能力較差。高分子吸水樹脂是一種形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親水性聚合物凝膠，它的制備可以采用水溶性聚合、反相乳液聚合或者反相懸浮聚合工藝。水溶性聚合和乳液聚合可以得到粉狀樹脂：懸浮聚合工藝可以得到微球尺寸可控、微粒結(jié)構(gòu)形態(tài)各異的高性能超吸水樹脂，且后處理工藝簡單、節(jié)省能耗，成為高吸水樹脂制備技術(shù).2.實驗部分2.1實驗試劑丙烯酸、氫氧化鈉、丙烯酰胺、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、過硫酸鈉、蘇丹紅，蒸餾水2.2水晶泥的制備2.2.1方法一精確量取4ml丙烯酸于燒杯中，精確量取5mL蒸餾水，將4.37g氫氧化鈉緩慢加入蒸餾水中溶解，冷卻至室溫。再加入4mL丙烯酸中，補加10mL蒸餾水。再置于冰水中，加入6.90g丙烯酰胺。攪拌溶解，加入交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺0.0175g,攪拌均勻。添加色素少量，加入0.15mL過硫酸鈉，再加入0.15mL過硫酸銨，攪拌，靜置。2.2.2方法二稱取2.86g丙烯酸于潔凈的燒杯中，添加蒸餾水9mL，加入3.496g氫氧化鈉，攪拌溶解，加入丙烯酰胺5.32g，添加色素結(jié)晶紫。加入交聯(lián)劑0.0196g。將上述溶液分成兩份，第一份緩慢加入5%的過硫酸銨0.2mL，攪拌加入5%的亞硫酸鈉0.2mL，攪拌均勻，靜置；另一份緩慢加入5%的亞硫酸鈉0.2mL,攪拌均勻，緩慢加入5%的過硫酸銨0.2mL，攪拌后，靜置。2.2.3方法三丙烯酸2.85g,氫氧化鈉3.446g，蒸餾水10mL，混合均勻。在上述溶液中緩慢加入5.333g丙烯酰胺，攪拌使其溶解。加入交聯(lián)劑0.155g攪拌使之充分分散，加入染料。加入5%的過硫酸銨0.4mL，再加入5%的亞硫酸鈉0.4mL，靜置，流水冷卻。2.2.4方法四丙烯酸5mL，加入30mL蒸餾水，在冰鹽浴的條件下加入4.72g氫氧化鈉，加入0.0170g交聯(lián)劑，5%的過硫酸鈉和過硫酸銨分別1mL，在水浴70r的條件下保溫4h，觀察聚合物的形態(tài)及測定吸水倍數(shù)。2.3吸水倍數(shù)的測定取ng水晶泥于80°C烘箱中干燥至前后兩次質(zhì)量稱重相差0.001g,放入大燒杯中，加入蒸餾水，兩天后用尼龍袋過濾，提起靜置5min,稱重。計算吸水倍數(shù)。Q=(n1-n)/n式中：Q為吸水倍數(shù)，n1為吸水后水晶泥的質(zhì)量，n為吸水前水晶泥的質(zhì)量。3.結(jié)果與討論3.1丙烯酰胺對聚合物形成的影響丙烯酸5mL、氫氧化鈉4.72g、Bis0.0170g、H2030mL、KPS5%1mL、平行三分，按相同的條件，另一組加入丙烯酰胺，上述中的第一組能夠形成比較稠的聚合物，形成聚合物的時間稍長，進行吸水測定時，聚合物緩慢分散在水中，呈流質(zhì)態(tài)，吸水效果較好，但是不能用來作為植物生長的固體基質(zhì)，而第二組的聚合物在吸水后體積增大，可切割成塊狀且不易變形。3.2實驗步驟對制備的影響第一方案：丙烯酸14.16g+水43.8g+丙烯酰胺26.56g+氫氧化鈉17.3g+交聯(lián)劑0.106g+色素+過硫酸銨5%2mL+亞硫酸鈉5%2mL第二方案:丙烯酸5.32g+氫氧化鈉3.496g+水9mL+丙烯酰胺5.32g+交聯(lián)劑0.0196g+色素+亞硫酸鈉5%2mL+過硫酸銨5%2mL第三方案：丙烯酸4ml+氫氧化鈉4.3368g+水15ml+丙烯酰胺6.8987g+交聯(lián)劑0.0175g+亞硫酸鈉0.45mL+過硫酸銨0.45mL第一方案采用直接混合法，氫氧化鈉加入后，一方面由于其溶解放出大量的熱，另一方面試劑之間的相互作用同樣放出大量的熱，導致反應(yīng)十分劇烈。溶液沸騰，并伴隨大量氨氣的釋放。加入引發(fā)劑，產(chǎn)生暴聚（由于反應(yīng)過于急烈，會導致水晶泥產(chǎn)生大量的氣泡）［1］，同樣有氨氣釋放，導致實驗失敗。第二方案從第一方案加以改進，試劑緩慢加入，并結(jié)合進行流水冷卻。此次加入的色素為結(jié)晶紫，但加入后顏色退去。由于結(jié)晶紫為水溶性的，所以此種聚合物的制備必須使用脂溶性的色素。加入過硫酸銨后能形成膠體，凝膠的粘度較大，當交聯(lián)劑用量很少時，內(nèi)部交聯(lián)不夠，導致樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不完全，是聚合物的粘度很大、很軟無晶狀結(jié)構(gòu)［2］，吸水倍數(shù)小。第三方案通過對第二方案的改進，實驗過程中采用緩慢反應(yīng)和冰鹽浴，氫氧化鈉預先溶解、冷卻，丙烯酸與氫氧化鈉的反應(yīng)更緩慢，更充分，加入丙烯酰胺是采用冰鹽浴，丙烯酰胺的溶解緩慢。使用蘇丹紅為著色劑，交聯(lián)劑的用量加以提高，先加入過硫酸鈉，并攪拌均勻，引發(fā)劑的用量有所減少。聚合物的生成比較緩慢，粘度下降，通過吸水性測試，效果比較理想。3.3吸水性能測試：3.3.1方法一的吸水性測試吸水時間：2天n1=455g,n=2g;Q=(n1-n)/n=(455-2)/2=227.53.3.2方法二的吸水性測試吸水時間：2天n1=144g,n=1.5g;Q=(n1-n)/n=(144-1.5)/1.5=953.3.3方法三的吸水性測試吸水時間：2天n1=61g,n=0.7314g;Q=(n1-n)/n=(61-0.7314)/0.7314=82.43.3.4方法四的吸水性測試進行吸水測定時，聚合物分散于水中，不能從水中取出，呈飽和狀態(tài)，無法測出吸水倍數(shù)。3.4實驗分析3.4.1氫氧化鈉實驗中氫氧化鈉的目的調(diào)節(jié)中和度，中和度對吸水樹脂的吸水性能起到很重要的作用。因此氫氧化鈉的加入量需要經(jīng)過精心的計算。由于氫氧化鈉溶于水會放出大量的熱，而丙烯酸是易揮發(fā)的液體。因此在將氫氧化鈉加入到丙烯酸時需要將氫氧化鈉先用少量水溶解，冷卻至室溫后再加入到丙烯酸中進行反應(yīng)。然后補足剩余的水。氫氧化鈉和丙烯酸的反應(yīng)會放熱，所以反映條件最好在冰水浴或者冰鹽浴中進行。3.4.2丙烯酸丙烯酸的濃度增加將使交聯(lián)度增加，吸水倍率將會因此而下降。控制好丙烯酸的用量對吸水樹脂很關(guān)鍵。3.4.3交聯(lián)劑在其他條件不變時，改變交聯(lián)劑的用量將會改變吸水樹脂的吸水倍率，隨著交聯(lián)劑用量的增加，吸水倍率將會隨之減小，因為交聯(lián)劑使吸水樹脂網(wǎng)格增加，導致樹脂更難變形，導致吸水倍率變小。若將交聯(lián)劑的用量減小，則樹脂內(nèi)部的交聯(lián)度不夠，使得網(wǎng)格不夠完全，沒有晶體結(jié)構(gòu)，吸水倍率同樣減小。3.4.4色素色素的種類可分為水溶性的色素和脂溶性色素。在實驗過程中，加入的結(jié)晶紫，為水溶性色素，在吸水后顏色容易掉，因為水溶性色素和吸水樹脂之間是簡單的物理附著。所以在對吸水樹脂進行著色時應(yīng)該使用脂溶性色素，這樣可使得顏色保持的更加久。3.4.5引發(fā)劑引發(fā)劑的加入量與引發(fā)位點的多少有關(guān)。引發(fā)劑的加入景，直接影響反應(yīng)的過程，引發(fā)劑的用量太少，基本不反應(yīng)，用量太多，可能導致反應(yīng)太快，引起暴聚。原因是反應(yīng)過程中翻出大量的熱，使混合液中的水分蒸發(fā)，產(chǎn)生大量的氣泡。另一方面，放出的熱，導致丙烯酰胺的分解，產(chǎn)生氨氣，因為在發(fā)生暴聚時，有氨氣的放出。將引發(fā)劑的用量控制在0.5ml到1ml之間可使反應(yīng)穩(wěn)定進行。3.4.6溫度在實驗過程中，溫度的控制十分重要。在制備過程中，條件比較溫和的情況下，制備的樹脂性能較好。在氫氧化鈉的加入條件下，需控制溫度，以防止丙烯酸的揮發(fā)，加入還原劑和引發(fā)劑后，在聚合物的形成過程中，會放出大量的熱。加以溫度控制，可以使反應(yīng)的速率降低，使聚合物的形成減緩，有利于聚合物形成更好的空間結(jié)構(gòu)。3.4.7丙烯酰胺通過實驗可以知道丙烯酰胺的作用主要是加強聚合物的穩(wěn)定性，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在聚合物吸水后，仍能保持較好的剛性，能進行切割，呈現(xiàn)比較好的凝膠狀。在應(yīng)用過程中，能夠作為基質(zhì)材料。4.結(jié)論采用丙烯酸、氫氧化鈉、丙烯酰胺為原料，以N,N—亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑。以過硫酸銨，無水亞硫酸鈉為引發(fā)劑，制備吸水聚合物的適宜條件為丙烯酸（分析純）4ml，氫氧化鈉4.37g，蒸餾水15mL，丙烯酰胺6.90g,交聯(lián)劑0.0175g，5%過硫酸銨0.45mL，5%過硫酸鈉0.45mL，使用脂溶性的顏料，并采用冰鹽浴相結(jié)合的方法制備。吸水效果可達到200倍以上，聚合物的物理強度比較好，不會爛膠。聚合物的吸水性能與交聯(lián)劑的用量有關(guān)，交聯(lián)劑的用量太少，樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不完全［3］，無晶體結(jié)構(gòu)［1］；交