CN107163301A - 一种高吸水树脂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高吸水树脂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能高分子材料领域，特别涉及一种高吸水树脂及其制备方法和应用，本发明以非离子型聚合物——聚乙烯醇为吸水主体，木薯淀粉的物理保水与聚乙烯醇的化学吸附能力形成互补，同时引入木质素磺酸增强抗抗剪切能力，羟丙基甲基纤维素增强纵向拉伸能力，通过多步互穿制得，在高压力、高盐度条件下吸水率高，可以充分吸液以达到阻水效果；本发明采用的原料无毒无害、获得途径广、绿色环保，制备耗能低，适用于产业化生产；本发明的高吸水树脂具备优异的力学性能，耐高压、耐盐，适用于各种复杂环境，可用作光缆阻水材料。

Description

一种高吸水树脂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能高分子材料领域，特别涉及一种高吸水树脂及其制备方法和应用。
背景技术
随着全球信息化的高速发展，通信技术的不断进步，信号传输性能良好的单模光纤光缆得到了普遍应用；随着光缆铺设的地域越来越广，光缆施工的环境的复杂程度也越来越高；为了通信数据的保真及线路的长久使用寿命，保持光缆内部的湿度平衡就尤为重要了。
传统的阻水材料为纤膏缆膏，是一种以聚烯烃为基础油的非极性油膏类物质；由于填充度的要求高且在内部变形的条件下会出现浸水的现象，所以现在对于高规格的光缆开始采用以阻水纱阻水带等高吸水树脂(SAP)为主的材料。
通过SAP的吸水速度快高膨胀性的原理，在渗水口形成阻水层以防止水分继续进入；普通的SAP材料抗压性差，耐盐度低，在高压及高盐度的环境下会出现失水的现象；而吸水膨胀后与光缆壁挤压失水；传统的SAP是以丙烯酸类的为主，离子型聚合物在高盐度下的吸水性会急剧下降。
另一方面，光缆使用环境较为复杂，阻水材料的力学性能也至关重要，目前光缆所用SAP在力学性能上往往不能满足光缆的在各种环境下使用的要求。同时，传统的丙烯酸、丙烯酰胺系SAP还存在聚合副产物毒性大，不环保的缺陷。
发明内容
本发明针对现有光缆的阻水材料在高压高盐度情况下低吸液倍率且材料副产物不环保的固有缺点，提供一种高耐盐耐压环保型的高吸水树脂及其制备方法，并将其用于光缆的阻水材料。
本发明的技术方案如下：
一种高吸水树脂，由如下质量份数的各组分制成：
60-80份聚乙烯醇；
70-90份木质素磺酸；
220-250份木薯淀粉；
85-100份羟丙基甲基纤维素；
16-19份引发剂；
31-38份交联剂；
40-44份pH值稳定剂。
优选地，所述高吸水树脂的pH值稳定剂包括酸和碱，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾，所述酸为马来酸或盐酸。
优选地，所述高吸水树脂的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化月桂酰、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中任意一种。
优选地，所述高吸水树脂的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、甘油、乙二醇、二乙烯酮中任意一种。
一种高吸水树脂的制备方法，包括如下步骤：
A.将所述木薯淀粉进行糊化处理；
B.将所述聚乙烯醇与水按1:10-20的质量比混合，水浴加热至90-95℃，以30-50rpm的速度机械搅拌1-2小时，制得聚乙烯醇溶液；
C.将所述糊化处理的木薯淀粉溶液中加入所述羟丙基甲基纤维素，加热到55-65℃、以50rpm的速度机械搅拌1-2小时后升温到60-70℃，制得木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液；
D.55-65℃条件下，向所述木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液中加入引发剂和交联剂，以75-85rpm的速度搅拌20-30min后，以25-35rpm的速度搅拌进行预聚合，制得聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液；
E.将木质素磺酸与水按1:28-57的质量比混合，水浴加热至95-100℃，以35-45rpm的速度机械搅拌1-2小时后加入所述聚乙烯醇溶液、预聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液，以50rpm的速度机械搅拌20-30min；
F.90-95℃温度下，向步骤E所得混合溶液中加入引发剂和交联剂，以75-85rpm的速度机械搅拌40-60min；
G.降温到60-65℃后加入引发剂和交联剂，以55-65rpm的速度机械搅拌30-40min；
H.降温到50-55℃后加入引发剂和交联剂，以45-55rpm的速度机械搅拌30-40min；
I.将步骤H所得溶液以35-45rpm的速度机械搅拌120-180min后放入干燥箱中以65-70℃蒸干至恒重制得高吸水树脂。
所述步骤A-步骤H在惰性气体保护下进行。
上述制备方法为互穿多步，以非离子型聚合物为吸水主体，高粘度材料为基体，以制备出一种在适应于高盐度高压力下的光缆SAP；
为了保持材料的亲水性并且防止离子型基团在高盐度环境下失水的状况，非离子型的亲水基团如羟基基团就是很好的亲水基团，聚乙烯醇羟基基团含量高，聚合程度灵活，易于操作，是一种理想的非离子型SAP原料；
SAP的吸水能力分为物理吸附和化学吸附，聚乙烯醇的化学吸附能力强但物理吸附能力弱，保有自由水的能力弱使其吸液倍率不高；淀粉尤其是支链淀粉的物理保水能力强；木薯淀粉支链淀粉占比80％左右，有很好的锁水性能，自由水吸附能力强，与聚乙烯醇的化学吸附能力形成互补；
然而聚乙烯醇与木薯淀粉的缺点又是显而易见的：聚乙烯醇及木薯淀粉抗压能力较弱，在高压下的保水能力急剧下降；为保证光缆在复杂环境下依然可以保持高保水能力，其他类具有吸水能力且力学性能优良的高分子的引入就显得尤为重要；木质素磺酸又称磺化木质素，是造纸制浆行业的主要副产物之一，来源广泛；其热力学柔性属于中度刚性键聚合物；木质素磺酸盐主要由苯丙烷组成分子结构含有羟基、磺酸盐基及醚键等官能团，适宜做吸水高分子材料；
木质素基体有很好的抗剪切能力，但是其纵向拉伸能力较弱且本身弹性较弱；羟丙基甲基纤维素是由高纯度棉纤维醚化而成；羟丙基甲基纤维素具有纤维素的力学特点，纵向拉伸能力强；市面上普遍的可见的羟丙基甲基纤维素分子量小易溶于水；通过引发剂的作用提高其分子量是一种有效的改变其溶解性的方法；
传统材料以共混方法制备复合SAP，耗时耗能且材料混合不均各组分之间没有螯合导致易脱粉，相互之间没有协同作用的效果；此次制备方案采用新型多步互穿的方案，以不同材料之间的共聚方法的不同，分多次进行聚合，材料之间相互螯合。
优选地，所述木薯淀粉糊化处理的方法为：在氮气保护下，将所述木薯淀粉、水、所述碱按照质量比为13.7-15.6:500-938:1的比例混合，在35-45℃温度条件下以55-65rpm的速度机械搅拌糊化至溶液透明，加入所述酸调制中和度至80％。
优选地，所述步骤D、F、G、H中所用引发剂的质量比例为：3:5.3-8:5-6.4:2-2.5。
优选地，所述步骤D、F、G、H中所用交联剂的质量比例为：8:6.7-12:10-13:5-6.3。
因为是多次互穿，引发剂与交联剂的选择与分量及使用步骤的选择尤为关键，通过控制反应过程中的温度、搅拌速度、引发剂和交联剂的用量使得互穿实现且物质之间相互不影响，通过物理式的螯合实现材料之间的优势互补。
优选地，所述高吸水树脂的后处理方法为：将所述步骤I制得的产物粉碎，在45-50℃去离子水中搅拌洗涤2-4次，每次以35-45rpm的速度机械搅拌10-15min；洗涤完毕后以70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物即得成品。
所述高吸水树脂可用作光缆阻水材料。
相对于现有技术，本发明的优点如下，
本发明制备的高吸水树脂采用的原料：聚乙烯醇、木薯淀粉、木质素磺酸和羟丙基甲基纤维素均为无毒无害的物质，且反应过程中未引入有毒溶剂，也不产生有毒副产物，绿色环保，而传统的丙烯酸、丙烯酰胺系SAP所采用的原料本身就有毒，且聚合副产物毒性大；
本发明制备的高吸水树脂采用的原料获得途径广，制备耗能低，适用于产业化生产；
本发明制备的高吸水树脂以非离子型聚合物——聚乙烯醇为吸水主体，木薯淀粉的物理保水与聚乙烯醇的化学吸附能力形成互补，同时引入木质素磺酸增强抗抗剪切能力，羟丙基甲基纤维素增强纵向拉伸能力，通过多步互穿制得，在高压力、高盐度条件下吸水率高，可以充分吸液以达到阻水效果；
相比于传统材料以共混方法制备复合SAP，耗时耗能且材料混合不均各组分之间没有螯合导致易脱粉，相互之间没有协同作用的效果；本发明的制备方法采用新型多步互穿的方案，以不同材料之间的共聚方法的不同，分多次进行聚合，材料之间相互螯合，优势互补；
本发明的高吸水树脂具备优异的力学性能，耐高压、耐盐，适用于各种复杂环境，可用作光缆的阻水材料。
具体实施方式
实施例1：
1)前期淀粉糊化处理：取木薯淀粉225克、10公斤蒸馏水、加入40克40％质量份数的氢氧化钠充分溶解在35-40℃下以55-65rpm的速度机械搅拌糊化至淀粉溶液透明，加入125克20％质量份数的马来酸溶液调制中和度至80％。(全程通入氮气保护)
2)取100克聚乙烯醇，1-2公斤蒸馏水水浴加热至90-95℃以30-50rpm的速度机械搅拌1-2小时。(全程通入氮气保护)
3)将糊化处理完毕的木薯淀粉溶液中加入80克羟丙基甲基纤维素加热到55-65℃以45-55rpm的速度机械搅拌1-2小时后升温到65℃。(全程通入氮气保护)
4)60℃的木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液中加入3克过硫酸钾、8克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm速度搅拌20-30min后以25-35rpm搅拌进行预聚合。(全程通入氮气保护)
5)取70克木质素磺酸水2-4公斤蒸馏水浴加热至95-100℃后以35-45rpm的速度机械搅拌1-2小时后加入聚乙烯醇溶液、预聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液后以45-55rpm的速度机械搅拌20-30min。(全程通入氮气保护)
6)上述溶液在90-95℃条件下，加入8克过硫酸铵、12克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm的速度机械搅拌40-60min。(全程通入氮气保护)
7)降温到60-65℃后加入5克过硫酸钾、10克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以55-65rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
8)降温到55℃后加入2克过硫酸胺、5克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以45-55rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
9)溶液以35-45rpm的速度机械搅拌120-180min后放入干燥箱中以65-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物。
10)后在45-50℃去离子水中搅拌洗涤2-4次，每次以35-45rpm的速度机械搅拌10-15min。
11)洗涤完毕后以60-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物，即得成品。
实施例2：
1)前期淀粉糊化处理：取木薯淀粉250克、10公斤蒸馏水、加入40克40％质量份数的氢氧化钠充分溶解在35-40℃下以55-65rpm的速度机械搅拌糊化至淀粉溶液透明，加入139克20％质量份数的马来酸溶液调制中和度至80％。(全程通入氮气保护)
2)取90克聚乙烯醇，1-2公斤蒸馏水水浴加热至90-95℃以30-50rpm的速度机械搅拌1-2小时。(全程通入氮气保护)
3)将糊化处理完毕的木薯淀粉溶液中加入100克羟丙基甲基纤维素加热到55-65℃以45-55rpm的速度机械搅拌1-2小时后升温到65℃。(全程通入氮气保护)
4)60℃的木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液中加入3克过硫酸钾、8克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm速度搅拌20-30min后以25-35rpm搅拌进行预聚合。(全程通入氮气保护)
5)取90克木质素磺酸水2-4公斤蒸馏水浴加热至95-100℃后以35-45rpm的速度机械搅拌1-2小时后加入聚乙烯醇溶液、预聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液后以45-55rpm的速度机械搅拌20-30min。(全程通入氮气保护)
6)上述溶液在90-95℃条件下，加入7.2克过硫酸铵、10.8克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm的速度机械搅拌40-60min。(全程通入氮气保护)
7)降温到60-65℃后加入6.4克过硫酸钾、12.9克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以55-65rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
8)降温到55℃后加入2.5克过硫酸胺、6.3克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以45-55rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
9)溶液以35-45rpm的速度机械搅拌120-180min后放入干燥箱中以65-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物。
10)后在45-50℃去离子水中搅拌洗涤2-4次，每次以35-45rpm的速度机械搅拌10-15min。
11)洗涤完毕后以60-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物，即得成品。
实施例3：
1)前期淀粉糊化处理：取木薯淀粉220克、10公斤蒸馏水、加入40克40％质量份数的氢氧化钠充分溶解在35-40℃下以55-65rpm的速度机械搅拌糊化至淀粉溶液透明，加入122克20％质量份数的马来酸溶液调制中和度至80％。(全程通入氮气保护)
2)取60克聚乙烯醇，1-2公斤蒸馏水水浴加热至90-95℃以30-50rpm的速度机械搅拌1-2小时。(全程通入氮气保护)
3)将糊化处理完毕的木薯淀粉溶液中加入85克羟丙基甲基纤维素加热到55-65℃以45-55rpm的速度机械搅拌1-2小时后升温到65℃。(全程通入氮气保护)
4)60℃的木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液中加入3克过硫酸钾、8克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm速度搅拌20-30min后以25-35rpm搅拌进行预聚合。(全程通入氮气保护)
5)取80克木质素磺酸水2-4公斤蒸馏水浴加热至95-100℃后以35-45rpm的速度机械搅拌1-2小时后加入聚乙烯醇溶液、预聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液后以45-55rpm的速度机械搅拌20-30min。(全程通入氮气保护)
6)上述溶液在90-95℃条件下，加入5.3克过硫酸铵、6.7克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以75-85rpm的速度机械搅拌40-60min。(全程通入氮气保护)
7)降温到60-65℃后加入5.7克过硫酸钾、11.4克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以55-65rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
8)降温到55℃后加入2.1克过硫酸胺、5.3克N,N-亚甲基双丙烯酰胺以45-55rpm的速度机械搅拌30-40min。(全程通入氮气保护)
9)溶液以35-45rpm的速度机械搅拌120-180min后放入干燥箱中以65-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物。
10)后在45-50℃去离子水中搅拌洗涤2-4次，每次以35-45rpm的速度机械搅拌10-15min。
11)洗涤完毕后以60-70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物，即得成品。
实施例4：
实施例1保持其他条件不变，仅仅改变步骤1)中加入蒸馏水的质量为8公斤(A组)、15公斤(B组)制备高吸水树脂。
实施例5：
实施例1保持其他条件不变，仅将步骤4)和7)中引发剂(过硫酸钾)和交联剂(N,N-亚甲基双丙烯酰胺)分别用下列各组的引发剂和交联剂代替，来制备高吸水树脂：
组别 引发剂 交联剂
A组 过硫酸铵 N,N-亚甲基双丙烯酰胺
B组 过氧化月桂酰 乙二醇
C组 偶氮二异丁脒盐酸盐 二乙烯酮
D组 偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐 甘油
对比例1：
省略实施例1的步骤7)-8)制备高吸水树脂。
对比例2：
实施例1保持其他条件不变，仅仅改变步骤4)、6)、7)、8)中引发剂(过硫酸钾或过硫酸铵)和交联剂(N,N-亚甲基双丙烯酰胺)的用量制备高吸水树脂：
实施例6：
对实施例1-5，对比例1-2制备的到的产物进行吸水率、吸水速率、耐压性、耐盐性进行考察，结果如下：
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高吸水树脂，其特征在于，由如下质量份数的各组分制成：
60-80份聚乙烯醇；
70-90份木质素磺酸；
220-250份木薯淀粉；
85-100份羟丙基甲基纤维素；
16-19份引发剂；
31-38份交联剂；
40-44份pH值稳定剂。
2.如权利要求1所述高吸水树脂，其特征在于，所述pH值稳定剂包括酸和碱，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾，所述酸为马来酸或盐酸。
3.如权利要求1所述高吸水树脂，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化月桂酰、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中任意一种。
4.如权利要求1所述一种高吸水树脂，其特征在于，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、甘油、乙二醇、二乙烯酮中任意一种。
5.如权利要求1-4任一项所述的高吸水树脂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.将所述木薯淀粉进行糊化处理；
B.将所述聚乙烯醇与水按1:10-20的质量比混合，水浴加热至90-95℃，以30-50rpm的速度机械搅拌1-2小时，制得聚乙烯醇溶液；
C.将所述糊化处理的木薯淀粉溶液中加入所述羟丙基甲基纤维素，加热到55-65℃、以50rpm的速度机械搅拌1-2小时后升温到60-70℃，制得木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液；
D.55-65℃条件下，向所述木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液中加入引发剂和交联剂，以75-85rpm的速度搅拌20-30min后，以25-35rpm的速度搅拌进行预聚合，制得聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液；
E.将木质素磺酸与水按1:28-57的质量比混合，水浴加热至95-100℃，以35-45rpm的速度机械搅拌1-2小时后加入所述聚乙烯醇溶液、预聚合木薯淀粉-羟丙基甲基纤维素溶液，以50rpm的速度机械搅拌20-30min；
F.90-95℃温度下，向步骤E所得混合溶液中加入引发剂和交联剂，以75-85rpm的速度机械搅拌40-60min；
G.降温到60-65℃后加入引发剂和交联剂，以55-65rpm的速度机械搅拌30-40min；
H.降温到50-55℃后加入引发剂和交联剂，以45-55rpm的速度机械搅拌30-40min；
I.将步骤H所得溶液以35-45rpm的速度机械搅拌120-180min后放入干燥箱中以65-70℃蒸干至恒重制得高吸水树脂。
所述步骤A-步骤H在惰性气体保护下进行。
6.如权利要求5所述的高吸水树脂的制备方法，其特征在于，所述木薯淀粉糊化处理的方法为：在氮气保护下，将所述木薯淀粉、水、所述碱按照质量比为13.7-15.6:500-938:1的比例混合，在35-45℃温度条件下以55-65rpm的速度机械搅拌糊化至溶液透明，加入所述酸调制中和度至80％。
7.如权利要求5所述的高吸水树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤D、F、G、H中所用引发剂的质量比例为：3:5.3-8:5-6.4:2-2.5。
8.如权利要求5所述的高吸水树脂的制备方法，其特征在于，所述步骤D、F、G、H中所用交联剂的质量比例为：8:6.7-12:10-13:5-6.3。
9.如权利要求5所述的高吸水树脂的制备方法，其特征在于，所述高吸水树脂的后处理方法为：将所述步骤I制得的产物粉碎，在45-50℃去离子水中搅拌洗涤2-4次，每次以35-45rpm的速度机械搅拌10-15min；洗涤完毕后以70℃蒸干至恒重，粉碎干燥产物即得成品。
10.如权利要求1-4任一项所述的高吸水树脂用作光缆阻水材料。
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