徐志良，范力仁，沈上越，许剑，凌辉(中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院，湖北武汉430074)Influence of Ca2+ surface crosslinking on properties of montmorillonite/Polyacrylate superabsorbent compositeXU Zhi-liang, FAN Li-ren, SHEN Shang-yue, XU Jian, LING Hui(The Faculty of Material Science and Chemical Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)
Abstract：The research applied CaCl2 solution as surface crosslinking agent to Montmorillonite/Polyacrylate superabsorbent composite, and discussed effect of concentration of CaCl2 solution and surface cross-linking time on composite performances. The result shows that surface crosslinking improves water retention capability increases hydrogel strength，but reduced its water absorption capability a little.Key words：superabsorbent；montmorillonite；surface crosslinking；water retention；hydrogel strength摘要：采用水溶液聚合法制备了蒙脱石/聚丙烯酸（钠）吸水保水复合材料，并用CaCl2溶液对其进行表面交联处理。本文研究了表面交联剂CaCl2溶液的浓度和表面交联时间对复合材料吸水、保水性能以及凝胶强度的影响。实验结果表明，Ca2+表面交联处理提高了复合材料的保水能力和凝胶强度，同时也使其吸水能力略有下降。关键词：高吸水性树脂；蒙脱石；表面交联；保水；凝胶强度中图分类号：TB324 文献标识码：A文章编号：1001-9731（2004）增刊1 引言 蒙脱石/聚丙烯酸（钠）是一种以天然矿物蒙脱石与聚丙烯酸（钠）复合而成的新型多功能吸水保水复合材料[1]。它有着特殊的微观结构及物理化学性质，能吸收自身重量几十倍至几百倍的水溶液而成为水凝胶，水凝胶网络内所含的水不能被简单的物理方法挤出。与传统高吸水材料相比，这种复合材料具有很多优异的性能，如原材料成本低，制备工艺简便，具有一定的抗离子性等，可在农业、林业、水利、沙产业等领域发挥抗旱保苗、增产增收、改良土壤，防风固沙、水土保持等多种功能，但要实现其在这些领域中的实际应用，还需在保持相对高吸水倍率的前提下，提高复合材料的保水能力和凝胶强度。 本研究将硅酸盐矿物蒙脱石与亲水性高分子单体丙烯酸（钠）混合，通过溶液聚合制备了蒙脱石/聚丙烯酸（钠）吸水保水复合材料；利用蒙脱石/聚丙烯酸（钠）复合材料表面存在的大量羧基，采用高浓度氯化钙溶液进行材料表面处理，使其表面形成由钙离子交联的网络结构，进而提高材料保水能力和凝胶强度。2 实验2.1 原料和试剂 丙烯酸，氢氧化钠，过硫酸钾，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，蒙脱石，氯化钙。2.2 复合材料的合成 将含量为90%（质量分数）以上的蒙脱石与中和度为90%的丙烯酸（钠）混合，按专利[1]中所叙述的方法制备蒙脱石/聚丙烯酸（钠）吸水保水复合材料，随后将它剪切成块并干燥至恒重，装袋得样品I。2.3 表面Ca2+交联处理 将样品I浸泡于一定浓度的CaCl2水溶液中进行Ca2+表面交联处理，一定时间后取出、干燥，得样品II。2.4 性能测定2.4.1 复合材料吸水性能测定 用浸泡平衡法[3]测量样品I及样品II在蒸馏水和0.9%（质量分数）NaCl溶液中的饱和吸液倍率Q1、Q2，并收集、保存水凝胶，得样品III。2.4.2 复合材料保水性能测定 用恒温鼓风干燥法于40℃测定样品III日均失水率R，其中R=日均失水量/水凝胶饱和吸水量。2.4.3 复合材料凝胶强度测定 取上表面积为S，高度为0.9~1.1cm的长方体样品III置于yp1200型电子天平上，在样品上放置适当大小的载玻片，于载玻片上均匀施加压力直至凝胶破裂，记录凝胶破裂时的压力M，按E=M/S计算凝胶强度。单位为g/cm2。E值越大，则表明复合材料的凝胶强度越大。3 结果与讨论3.1 表面交联剂CaCl2浓度对复合材料吸水、保水性能的影响 当Ca2+表面处理时间为4min时，CaCl2溶液的浓度变化对复合材料吸水、保水性能的影响如表1所示。由表可以看出，随着CaCl2浓度由0增大到60%（质量分数），复合材料在蒸馏水和0.9%（质量分数） NaCl溶液中的饱和吸液倍率Q及其水凝胶日均失水率R均缓慢降低。当CaCl2浓度为60%（质量分数）时，与未经表面交联的复合材料相比，Q1、Q2、R1、R2分别降低了7.5%，14.5%，2.18%，0.85%。3.2 表面交联时间对复合材料吸水、保水性能的影响 当表面交联剂CaCl2溶液的浓度为40%（质量分数）时，不同的表面交联时间对复合材料吸水、保水性能的影响如表2所示。由表2可以看出，随着复合材料在CaCl2溶液中浸泡时间的增加，复合材料在蒸馏水和0.9%（质量分数）NaCl盐水中的饱和吸水倍率Q均逐步降低，其水凝胶日均失水率R也缓慢下降。当表面交联时间为8min时，与未经表面交联的复合材料相比，Q1、Q2、R1、R2分别降低了5.6%，15.5%，2.61%，0.72%。3.2 表面交联时间对复合材料吸水、保水性能的影响 当表面交联剂CaCl2溶液的浓度为40%（质量分数）时，不同的表面交联时间对复合材料吸水、保水性能的影响如表2所示。由表2可以看出，随着复合材料在CaCl2溶液中浸泡时间的增加，复合材料在蒸馏水和0.9%（质量分数）NaCl盐水中的饱和吸水倍率Q均逐步降低，其水凝胶日均失水率R也缓慢下降。当表面交联时间为8min时，与未经表面交联的复合材料相比，Q1、Q2、R1、R2分别降低了5.6%，15.5%，2.61%，0.72%。
3.4 表面交联时间对复合材料水凝胶强度的影响 采用40%（质量分数）CaCl2溶液作表面交联剂，交联时间对复合材料凝胶强度的影响如图2所示。由图2可以看出，40%（质量分数） CaCl2溶液的表面交联处理增大了凝胶强度，并且在短时间内随着交联时间的延长，凝胶强度不断增大。当交联时间T=6.0min时， Emax=215g/cm2，与未经表面交联的复合材料相比，凝胶强度提高了76%。当交联时间超过6min时,凝胶强度却逐渐下降。
4 结论 Ca2+表面交联使复合材料在蒸馏水和0.9%（质量分数）NaCl盐水中的饱和吸液倍率Q略有下降，也使复合材料水凝胶的日均失水率R降低，表明Ca2+表面交联能在一定程度上提高复合材料的保水能力。 CaCl2溶液对复合材料进行表面交联处理较大地提高了材料的凝胶强度。 采用40%（质量分数）CaCl2溶液作表面交联剂，当表面交联时间由6min 延长到8min 时，凝胶强度相应地由215g/cm2降为175g/cm2，表明过度的表面交联将降低复合材料的凝胶强度。参考文献：[1] 发明专利申请200310111333.3.[2] 邹新禧.超强吸水剂[M].北京:化学工业出版社，1991. 205-206.基金项目：国家十五重大科技专项“863”计划基金资助项目（2002AA2Z4171）作者简介：徐志良（1982－），男，浙江常山人，在读硕士，现从事功能高分子材料研究。论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日
