超吸水人棉沙障的制备和性能_花玉成.pdf

印染（2023 No.2）超吸水人棉沙障的制备和性能花玉成，王海峰，管永华，王涛，彭佳钰()南通大学 纺织服装学院,江苏 南通 226019摘要：以丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）为单体，过硫酸钾为引发剂，合成高聚物溶液；以胶黏剂GH-710、氢氧化铝作为交联剂，将其整理到织物上。考察了单体配比、丙烯酸中和度、聚合温度、交联剂用量等对织物吸水倍率的影响，并对吸水机理进行探讨。结果表明：水浴温度65，丙烯酸20 mL、中和度80%，丙烯酸和丙烯酰胺质量比为0.4 1，过硫酸钾质量为0.12 g，胶黏剂GH-710、氢氧化铝分别为单体总质量的3%、0.5%，烘干温度80 时，经超吸水树脂整理后的人棉沙障吸水倍率最好，可达180 g/g。关键词：超吸水树脂；丙烯酸；吸水倍率；人棉沙障中图分类号：TS195.5文献标志码：B文章编号：1000-4017（2023）02-0046-04Preparation and properties of super absorbent rayon sand barrierHUA Yucheng,WANG Haifeng,GUAN Yonghua,WANG Tao,PENG Jiayu()School of Textile and Clothing,Nantong University,Nantong 226019,ChinaAbstract:Using acrylic acid(AA)and acrylamide(AM)as monomers and potassium persulfate as initiator,the polymer solution is synthesized.The adhesive GH-710 and aluminum hydroxide are used as crosslinking agents to finish the fabric.The effects of monomer ratio,neutralization degree of acrylic acid,polymerization temperature and dosage of cross-linking agent onthe water absorption rate of fabric are investigated,and the water absorption mechanism is discussed.The results show thatwhen the water bath temperature is 65,acrylic acid is 20 mL,the neutralization degree is 80%,the mass ratio of acrylic acid to acrylamide is 0.4 1,the mass of potassium persulfate is 0.12 g,the adhesive GH-710 and aluminum hydroxide are 3%and 0.5%of the total mass of monomer,respectively,and the drying temperature is 80,the water absorption rate of rayonsand barrier treated with super absorbent resin is the best(up to 180 g/g).Key words:super absorbent resin;acrylic acid;water absorption;rayon sand barrier收稿日期：2022-11-08；修回日期：2023-01-20基金项目：内蒙古重大专项（zdzx2018060）。作者简介：花玉成（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为生态染整新技术。通信作者：王海峰，男，副教授，硕士生导师。E-mail：。0前言高吸水树脂是一种含有强亲水基团的三维网状结构并具有一定交联度1的聚合物，能够吸收比其自身重数百倍的水，吸水后由原本的固体变成凝胶状，体积变大，凝胶水分难流失，而且环保安全，与传统材料相比释水速率较低，因此被广泛应用于农业、园林、建筑材料以及日用化工2等领域。在合成系高吸水树脂中，聚丙烯酸系树脂具有较强的吸水能力且保水性较好，在高吸水状态下强度很高，光、热稳定性良好，无味无毒无腐蚀性，是很有应用前景的高吸水性树脂之一3。土地沙漠化是当今世界严重的生态环境问题之一4，目前有草方格沙障、黏土沙障等诸多固沙技术5，但仍存在不足，如草方格沙障使用寿命短，黏土沙障只适用于黏土丰富的地区。纺织品固沙是近年来防沙治沙的研究热点。沙漠地区缺水，日蒸发量大，对于绿植的生长极为不利。与研究较热的化纤材料沙障相比，人棉材料沙障具有可降解的特点。将人棉沙障与超吸水树脂结合，降雨后能够吸水保水，使肥料不会流失过多，土地可保持一定的湿度而促进植物生长。本试验拟将合成树脂的初缩体交联后浸轧到人棉沙障上，通过交联而得到超吸水织物。1试验部分1.1材料与仪器材料77 根/10 cm80 根/10 cm，100 g/m2人棉沙障，丙烯酸（AA）、NaOH（均为分析纯，西陇科学股份有限公司），丙烯酰胺（AM）、过硫酸钾、氢氧化铝（均为分析纯，上海凛恩科技发展有限公司），胶黏剂 GH-710（工业级，南通斯特恩纺织科技有限公司）仪器HH.S21.4型水浴锅（上海华联环境试验设备公司恒昌仪器厂），SXJQ-1型数显直流无级调速搅拌器（郑州长城科工贸有限公司），101AB-1型电热恒温鼓风干燥箱（海门市恒瑞通用仪器厂），EL303型电子天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司46超吸水人棉沙障的制备和性能印染（2023 No.2）1.2试验方法1.2.1超吸水树脂浆液合成工艺取一定质量的氢氧化钠，溶解于烧杯中，冷却至室温；取20 mL丙烯酸，在冰水浴中缓慢滴入氢氧化钠溶液并搅拌，配制丙烯酸中和液，倒入四口烧瓶中；取一定质量分数（占AA总质量）的丙烯酰胺倒入四口烧瓶，充分搅拌，加入0.12 g引发剂过硫酸钾，加入适量水使单体质量分数为20%，搅拌均匀。将四口烧瓶置于一定温度的水浴锅中，用电动搅拌器搅拌至黏稠后倒出，备用。1.2.2超吸水织物整理工艺在烧杯中倒入一定量的超吸水树脂初缩体，分别加入不同质量分数（占单体总质量）的胶黏剂GH-710和氢氧化铝，不断搅拌，制备整理液。取一定面积的人棉沙障，二浸二轧（轧液率200%）整理液，再放入恒温烘箱中干燥、交联一段时间后，制得超吸水人棉沙障。1.3测试方法1.3.1中和度的计算丙烯酸中和度是指部分丙烯酸被氢氧化钠中和后转化为丙烯酸钠，计算方法如式（1）：中和度=m17240m2w100%（1）式中：m1氢氧化钠的质量，gm2丙烯酸溶液的质量，gw丙烯酸的质量分数，%72丙烯酸的摩尔质量1.3.2吸水倍率测定取面积为S的干燥人棉沙障试样，称得质量为m3，放入烧杯中加入适量蒸馏水，浸没约3 h后取出，挂置2 min，称得质量为m4，同面积未处理人棉沙障的质量为m0。按照式（2）计算高吸水性人棉沙障吸水倍率：吸水倍率=m4-m3m3-m0（2）1.3.3保水能力测定保水能力是指超吸水人棉沙障吸水后的膨胀体保持水溶液处于不离析状态的能力。将一定质量的超吸水人棉沙障吸足水分后置于烧杯中，每隔5 h取出，称质量，通过式（3）计算保水率，以衡量人棉沙障的保水能力。R=m7-m5m6-m5100%（3）式中：R保水率，%m5试样初始质量，gm6试样吸水后的质量，gm7试样自然状态下蒸发后的质量，g1.3.4织物表面形貌表征采用J SM25610型扫描电镜对整理前后织物的表面形貌进行观察。2结果与讨论2.1工艺因素对吸水倍率的影响2.1.1 丙烯酰胺与丙烯酸配比设定丙烯酸中和度为70%，聚合温度65，过硫酸钾质量0.12 g，胶黏剂GH-710质量分数1.5%，Al（OH）3质量分数0.4%，烘干温度80，探讨丙烯酸和丙烯酰胺单体的质量比对超吸水织物吸水倍率的影响，结果如图1所示。1OO959O858O757O656O吸水倍率/(gg-1)AM:AA质量比O?1:1 O?2:1 O?3:1 O?4:1 O?5:1m（AM）m（AA）图1单体配比对织物吸水倍率的影响Fig.1Influence of monomer ratio on water absorption of fabric由图1可知，随着丙烯酰胺配比的提高，超吸水织物的吸水倍率逐渐增大。当丙烯酰胺与丙烯酸的质量比达到0.4 1时，吸水倍率达到最大。这主要是因为丙烯酸和丙烯酰胺之间发生了双单体协同效应6，提高了树脂的吸水能力；另外，丙烯酰胺配比的增加，使产物黏度降低，有利于吸水速率的提高。继续提高丙烯酰胺配比，因其分子中存在疏水性非离子基团CONH2，导致树脂呈一定的疏水性，因此吸水倍率降低。因此，确定丙烯酰胺与丙烯酸的质量比是0.4 1。2.1.2中和度设定聚合温度65，丙烯酰胺与丙烯酸的质量比0.4 1，过硫酸钾0.12 g，胶黏剂GH-710质量分数1.5%，Al（OH）3质量分数0.4%，烘干温度80，考察丙烯酸中和度对超吸水织物吸水倍率的影响，结果如图2所示。由图2可知，随着丙烯酸中和度的增大，织物的吸水倍率快速提高，当中和度超过80%后，吸水倍率开始下降。这是由于丙烯酸与NaOH中和后生成的丙烯酸钠盐溶液中含有COONa，该离子基团在水中会大量解离，而非离子基团难发生解离。随着中和度的提高，COONa解离而附着在树脂分子链上的羧酸根负离子（COO-）增加，阴离子间存在斥力，聚合物分子链发生扩张，因此可以吸收更多的水分，提升了织物的吸水能力。但当中和度过高时，一方面溶液中过多的Na+会与47印染（2023 No.2）COO-产生屏蔽效应7，分子链向外伸展的程度减缓，另一方面羧酸根负离子之间的静电斥力增大，聚合反应速率降低8，难以生成大量的聚丙烯酸高分子，降低了吸水倍率。丙烯酸中和度为80%时，织物的吸水效果最佳。12O11511O1O51OO959O858O757O656O55吸水倍率/(gg-1)中和度/%45 5O 55 6O 65 7O 75 8O 85 9O 95图2丙烯酸中和度对织物吸水倍率的影响Fig.2Effect of neutralization degree of acrylic acid on water absorption of fabric2.1.3聚合温度设定丙烯酸中和度为80%，丙烯酰胺与丙烯酸的质量比0.4 1，过硫酸钾0.12 g，胶黏剂GH-710质量分数1.5%，Al（OH）3质量分数0.4%，烘干温度80，考察聚合温度对超吸水织物吸水倍率的影响，结果见图3。12O11511O1O51OO959O858O757O吸水倍率/(gg-1)聚合温度/5O 6O 7O图3聚合温度对超吸水织物吸水倍率的影响Fig.3Effect of polymerization temperature on water absorptionof fabric由图3可知，当聚合温度在5065 时，随着聚合温度的升高，织物的吸水性能随之提高，至65 时达到最大。根据Arrhenius方程k=Ae-Ea/RT可知：当温度较低时，反应速率较慢，树脂在一定时间内的聚合度也较低，故吸水倍率也低；当温度超过65 时，反应速率过快，树脂交联度超过临界值，根据Flory公式可知交联度过大会导致树脂吸水能力下降，并且随着温度升高发生了链终止反应，阻止了树脂形成长链9，导致高分子链无法完全扩展，吸水倍率降低。因此，聚合温度为65 时，织物的吸水性能最好。2.1.4胶黏剂GH-710用量设定丙烯酸中和度为80%，聚合温度65，丙烯酰胺与丙烯酸的质量比0.4 1，过硫酸钾0.12 g，氢氧化铝质量分数0.4%，烘干温度80，考