CN105113234B - 一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，该方法是以紫外辐照引发的方式，将具有微观三维网络结构的吸水树脂聚合在具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面，形成一种大尺度的三维网络吸水材料。本发明原料来源广泛，操作简单易行，制得的吸水材料宏观尺寸可调，在自然条件下的保水性和重复使用性良好，即使吸水后也有较好的结构完整性。

Description

一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法

技术领域

本发明属于吸水材料领域，具体涉及一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法。

背景技术

长期以来，人类在对水的保存和利用中发现了许多吸水和吸湿材料，如脱脂棉、海绵、明胶、氯化钙、活性炭以及硫酸等。这些材料虽然来源广、价廉易得，但吸水能力较弱，一般只能吸收自重几倍至几十倍的水，并且保水能力差。随着社会的不断发展，这些吸水材料已远远不能满足人类生产和生活的需要，因此有必要开发吸水性能和保水性能更好的材料。

自1974年美国农业部用淀粉-丙烯腈的接枝共聚物进行水解合成开发了吸水树脂以来，吸水树脂因其具有优良的吸水、保水能力而作为医护、卫生、日化等材料得到广泛应用。

高吸水树脂是一种具有一定交联度的三维网络结构状的新型功能高分子材料，分子链上含有很多强亲水基团，能吸收相当于自身质量几百倍甚至几千倍的水，并且吸水后加压也不易失水。高吸水树脂形态一般是颗粒状或者粉末状，吸水性能好，制造工艺简单，由于高吸水聚合物优异的吸水保水性能，现已广泛应用于卫生材料、医药制剂辅料、农林园艺、建筑材料、食品保鲜剂和复合吸水材料等方面。全球已经有百万吨/年的应用规模，在发达国家高吸水聚合物已经成为一种基本的工农业生产材料。中国专利CN104327209A公开了一种卫生材料用高吸水树脂的制备方法，中国专利CN1044481A公开了一种高扩散性吸水树脂的制备方法，美国专利US2014031203公开了一种吸盐水倍率和凝胶强度都较好的吸水树脂的制备方法。该类高吸水树脂能很好地应用于卫生巾，纸尿裤，护理垫等卫生用品，吸水速度也较快，但在使用吸水树脂制作吸水制品时，大多需要先研磨成粉末状，容易造成粉尘污染，在制备婴儿及卫生用品时还需要再进一步固定在一定形状的纺织品夹层内，工艺复杂，难以铺设均匀，吸水后又容易聚集成团。因而从后续加工及应用考虑，假如能把超吸水粉末演变成纤维形态，将具有更宽广的应用前景。因为纤维状材料可以和其它纤维相混，易于通过纺纱、织造或非织造加工制成类似纺织品的吸液制品。根据这一需求，人们从上世纪八十年代中期开始研制高吸水纤维，英国公司Technical Absorbents在吸水树脂纤维化方面首先取得成功，1996年高吸水纤维开始投放市场。目前，实现高吸水纤维工业化生产的公司及产品主要有：英国Technical Absorbents公司采用英国考陶尔(COURTAULDS)和英国联合胶体公司技术生产的商品名为“Oasis”高吸水纤维、加拿大阿尔伯达省加尔卡利市Camelot Super absorbents有限公司采用美国阿科(ARCO)化学公司技术生产的商品名为“Fibersorb”高吸水纤维、东洋纺(TOYOBO)公司采用日本东洋纺和其集团旗下的日本埃克斯兰公司技术生产的商品名“Lanseal-F”高吸水纤维、日本钟纺(KANEBO)合纤公司采用钟纺和Technical Absorbents公司技术开发的商品名“BELL OASIS”高吸水纤维以及国内南通江潮纤维制品有限公司采用中国纺织科学研究院技术生产的商名“白兰”高吸水纤维等。

高吸水纤维是聚合物纺丝液经过纺丝工艺制备而成的纤维状高吸水材料，是继高吸水树脂之后发展起来的特殊功能纤维，除了拥有高吸水树脂的优异吸水性能外，还具有其它的优异性能，它是高吸水树脂的延伸与拓展。同时，它还是一种新型的吸水倍率高、吸水速度快、保水能力强、无毒、拒油的功能性高分子材料，其吸水倍率比常规合成纤维大几十倍甚至更高。中国专利CN104532402A公开了一种多功能超吸水海藻纤维的制备，与传统的海藻纤维相比，具有更好的预菌性、优异的吸水性，其吸水倍率是传统海藻纤维的2～3倍，目前，在欧洲、美国、日本等发达国家，高吸水纤维已广泛用于医疗卫生、建筑防护、石油化工、日用化工、食品包装、通讯环保等多个领域，在国内，高吸水纤维生产与应用刚刚起步。预计未来用其加工医卫应用的卫生护理、医用敷料、手术洞巾等吸液保液材料，以及工业应用的酒精、饮料、燃油、燃气等吸水过滤材料，是高吸水纤维主要发展方向。

非织造布，俗称无纺布，它是一种不需要纺纱织布而形成的织物，只是将纺织短纤维或者长丝进行定向或随机排列，形成纤网结构，然后采用机械、热粘或化学等方法加固而成。它直接利用高聚物切片、短纤维或长丝通过各种纤网成形方法和固结技术形成的具有柔软、透气和平面结构的新型纤维制品。中国专利CN104532401公开了一种可生物降解的超吸水无纺布，该无纺布由30-50wt％多功能超吸水海藻纤维、50-70wt％聚乳酸纤维复配而成，热粘合固网。所述无纺布具有良好的吸水性、保水性、抗菌性及生物降解性，主要用于一次性使用卫生用品。聚酯(即聚对苯二甲酸乙二醇脂，简称PET)是非织造布的一大门内产品，是一种成本低、重量轻、耐腐蚀、力学性能及化学稳定性良好的合成纤维。但是因其表面能较低，表面会呈现惰性和疏水性，因而用于作非织造布基布时其应用范围受到限制，为了提高聚酯非织造布的亲水性，则要改善PET的表面性能，因而需对其进行表面处理。目前，对纤维表面处理的方法很多，如臭氧氧化、等离子体处理、高能辐射接枝等，中国专利CN102392345A公开了一种对聚酯长纤的远程等离子体表面改性的方法，但这些技术往往存在着难以克服的缺点，如氧化处理反应时间长，易发生处理后效果退化现象；等离子体处理需要真空设备，不适合大规模操作；高能辐射引发的接枝聚合，因能量高，反应不易控制在材料表面进行，以致影响本体性能。

在诸多表面改性技术中，紫外光引发表面接枝的工业化前景看好。紫外光引发接枝耗能少，改性只发生在材料表面层，作用时间较短，无辐射，无污染，原材料消耗少，反应易于控制，条件易于实现且对PET纤维本体的影响小。另外，紫外光引发接枝的光源以及设备成本低，装置简单，易于连续化操作，所以极具工业化前景。

因此本发明通过紫外辐照的方式将具有微观三维网络结构的高吸水树脂负载到具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面上，制备了一种大尺度三维网络吸水材料，该吸水材料克服了高吸水树脂作为吸水材料应用于卫生行业普遍存在的分散不均匀、易移动、吸水后凝结成团的问题，同时还有望用于荒漠化严重地区的保水固沙，拓宽了其应用领域。

发明内容

本发明的目的在于在引发剂和交联剂存在的情况下，将亲水单体通过紫外辐照引发的方式，以聚酯非织造布为骨架材料，对其表面进行亲水改性，将具有微观三维网络结构的树脂聚合在具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面上，构建一种具有大尺度三维网络结构的吸水材料。

本发明涉及了一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，实验步骤为：

a)将聚酯非织造布用乙醇超声处理，除去表面的油剂，烘干后备用；

b)将100～600重量份丙烯酸、0.125～24重量份过硫酸铵和0.0125～2.4重量份N，N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于4000～5000重量份蒸馏水配成混合反应液，倒入装有经过步骤a)处理的聚酯非织造布的聚丙烯袋中，通氮气10min；

c)使聚酯非织造布充分浸泡后将多余的反应液倒出，将聚丙烯袋连同聚酯非织造布置于紫外辐照装置中，每面辐照5～40min，用蒸馏水洗涤除去未反应的单体和均聚物及杂质，然后放入0.01～0.1mol/L的NaOH溶液中超声中和5～60min，干燥后得具有大尺度三维网络结构的吸水材料；

d)对蒸馏水的吸收：将步骤c)得到的具有大尺度三维网络结构的吸水材料置于足够量的蒸馏水中充分吸水后测其吸水倍数，量其尺寸，并在自然条件下测其24h保水率，将吸水材料重复使用，测其吸水量。

本发明的优点在于：1)应用紫外辐照的方式引发聚合，聚合速度较快；2)在聚合反应前将反应液倒掉，这在一定程度上提高了聚合的均匀性；3)将具有微观三维网络结构的树脂聚合在具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面上，构建了一种具有大尺度三维网络结构的吸水材料，该吸水材料宏观尺寸可调，保水性和重复使用性良好，即使吸水后也有较好的完整性和机械强度；4)可以简化纸尿裤制作工艺，克服树脂作为纸尿裤吸水材料造成的粉尘污染和加工固定问题。

具体实施方案

下面将结合具体实施方案介绍本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一

一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，实验步骤为：

a)将尺寸为8cm×8cm×0.2cm的聚酯非织造布用乙醇超声处理，除去表面的油剂，烘干后备用；b)将4mL丙烯酸、0.12g过硫酸铵和0.04gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于50mL蒸馏水配成混合反应液，倒入装有经过a)处理的聚酯非织造布的聚丙烯袋中，通氮气10min；c)使聚酯非织造布充分浸泡后将多余的反应液倒出，将聚丙烯袋连同聚酯非织造布置于紫外辐照装置中，每面辐照20min，再用蒸馏水除去未反应的单体和均聚物及杂质，然后放入0.03mol/L的NaOH溶液中超声中和20min，干燥后得具有大尺度三维网络结构的吸水材料。该吸水材料的吸水倍率为87g/g，尺寸为8.1cm×8.2cm×0.4cm，吸水树脂的厚度为1μm，自然条件下24小时的保水率为81％，重复使用7次后仍能保持73％的最大吸水量，吸水后的尺寸为8.5cm×8.5cm×0.7cm。

实施例二

一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，实验步骤为：

a)将尺寸为16cm×16cm×0.2cm的聚酯非织造布用乙醇超声处理，除去表面的油剂，烘干后用备用；b)将16mL丙烯酸、0.48g过硫酸铵和0.16gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于200mL蒸馏水配成混合反应液，倒入装有经过a)处理的聚酯非织造布的聚丙烯袋中，通氮气10min；c)使聚酯非织造布充分浸泡后将多余的反应液倒出，将聚丙烯袋连同聚酯非织造布置于紫外辐照装置中，每面辐照20min，再用蒸馏水除去未反应的单体和均聚物及杂质，然后放入0.03mol/L的NaOH溶液中超声中和20min，干燥后得具有大尺度三维网络结构的吸水材料。该吸水材料的吸水倍率为102g/g，尺寸为16.3cm×16.2cm×0.4cm，吸水树脂的厚度为1.5μm，自然条件下24小时的保水率为75％，重复使用7次后仍能保持71％的最大吸水量，吸水后的尺寸为16.5cm×16.6cm×0.8cm。

实施例三

一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，实验步骤为：

a)将尺寸为32cm×32cm×0.2cm的聚酯非织造布用乙醇超声处理20min，除去表面的油剂，烘干后备用；b)将64mL丙烯酸、1.92g过硫酸铵和0.64gN，N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于800mL蒸馏水配成混合反应液，倒入装有经过a)处理的聚酯非织造布的聚丙烯袋中，通氮气10min；c)使聚酯非织造布充分浸泡后将多余的反应液倒出，将聚丙烯袋连同聚酯非织造布置于紫外辐照装置中，每面辐照30min，再用蒸馏水除去未反应的单体和均聚物及杂质，然后放入0.1mol/L的NaOH溶液中超声中和10min，干燥后得具有大尺度三维网络结构的吸水材料。该吸水材料的吸水倍率为113g/g，尺寸为32.4cm×32.2cm×0.5cm，吸水树脂的厚度为2.1μm，自然条件下24小时的保水率为69％，重复使用7次后仍能保持78％的最大吸水量，吸水后的尺寸为32.8cm×32.5cm×0.8cm。

Claims (6)

1.一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征是以紫外辐照引发的方式，将具有微观三维网络结构的吸水树脂聚合在具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面，形成一种宏观尺寸可调的大尺度三维网络吸水材料；

所述大尺度三维网络吸水材料的制备步骤为：

a)将聚酯非织造布用乙醇超声处理，除去表面的油剂，烘干后备用；

b)将100～600重量份丙烯酸、0.125～24重量份过硫酸铵和0.0125～2.4重量份N，N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于4000～5000重量份蒸馏水配成混合反应液，倒入装有经过步骤a)处理的聚酯非织造布的聚丙烯袋中，通氮气10min；

c)使聚酯非织造布充分浸泡后将多余的反应液倒出，将聚丙烯袋连同聚酯非织造布置于紫外辐照装置中，每面辐照5～40min，用蒸馏水洗涤除去未反应的单体和均聚物及杂质，然后放入0.01～0.1mol/L的NaOH溶液中超声中和5～60min，干燥后得具有大尺度三维网络结构的吸水材料；

d)对蒸馏水的吸收：将步骤c)得到的具有大尺度三维网络结构的吸水材料置于足够量的蒸馏水中充分吸水后测其吸水倍数，量其尺寸，并在自然条件下测其24h保水率，将吸水材料重复使用，测其吸水量。

2.根据权利要求1所述的一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征在于：附着在具有宏观三维网络结构的聚酯非织造布纤维表面上的吸水树脂的厚度为0.5μm～5.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征在于：该吸水材料自然条件下24小时的保水率为60％～90％。

4.根据权利要求1所述的一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征在于：该吸水材料重复使用7次后仍能保持最大吸水量的70％～90％。

5.根据权利要求1所述的一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征在于：该吸水材料的宏观尺寸可通过聚酯非织造布的尺寸调整，长度1.0cm～1.0m，宽度1.0cm～1.0m，厚度0.1cm～1.0cm。

6.根据权利要求1所述的一种大尺度三维网络吸水材料的制备方法，其特征在于：该吸水材料吸水后尺寸增幅为长度0.2cm～2.0cm、宽度0.2cm～2.0cm和厚度0.1cm～1.0cm。