CN109666250B - 一种高强度高吸水率复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度高吸水率复合材料及其制备方法，涉及复合材料制备领域，解决了现有高强度高吸水率复合材料存在的抗压性差、吸水率低且制备工艺复杂、成本高的问题。本发明按重量份数计包括：纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂120～150份；聚乙烯醇10～30份；醋酸镁20～25份；丙烯酰胺15～20份；2,3′,4,5′,6,‑联苯五酰氯30～45份。丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,‑联苯五酰氯发生界面聚合，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成一层复合膜，其表面残留酰氯基团，与聚乙烯醇发生共价接枝反应而在复合膜表面形成致密的亲水涂层，提高吸水率，同时结合纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂本身具备的硬度、耐摩擦性、抗冲击性和耐溶剂性等高性能，使得最终制备的复合材料的综合性能显著提高。

Description

一种高强度高吸水率复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强度高吸水率复合材料及其制备方法。

背景技术

高强度高吸水率复合材料具有亲水基团，是一种高分子材料。其优异性能使其具有广阔的应用空间，多用于农业的保肥保水、生活用品的吸湿材料、防水涂料等等。由于使用环境的限制，通常使用高强度高吸水率复合材料时都要求其具有一定的抗压性。

目前，现有的高强度高吸水率复合材料有很多种类型，但是其所存在的问题是：多采用交联剂和引发剂进行反应，在交联剂的长期浸泡下，所制备出来的复合材料虽然具有高吸水性，但是容易碎，其抗压性能差，导致吸水率下降，不适合在受压环境中使用，限制了其应用。并且，现有制备高强度高吸水率复合材料的方法工艺复杂，成本较高，无法产业化。

发明内容

为了解决现有高强度高吸水率复合材料存在的抗压性差、吸水率低且制备工艺复杂、成本高的问题，本发明提供一种高强度高吸水率复合材料及其制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种高强度高吸水率复合材料，按照重量份数计算包括以下组份：

纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂120～150份；

聚乙烯醇10～30份；

醋酸镁20～25份；

丙烯酰胺15～20份；

2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯30～45份。

作为优选的实施方式，本发明的一种高强度高吸水率复合材料，按照重量份数计算包括以下组份：

纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂135份；

聚乙烯醇22份；

醋酸镁23份；

丙烯酰胺18份；

2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯34份。

作为优选的实施方式，所述聚乙烯醇的分子量为5000～18000。

作为优选的实施方式，所述2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯的结构式为：

本发明的一种高强度高吸水率复合材料的制备方法，包括以下步骤：

向纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入丙烯酰胺、2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。

作为优选的实施方式，所述纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂采用以下方法制备：

首先对纳米SiO₂采用偶联剂进行表面改性，然后采用共混法和原位聚合法制备纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂。

作为优选的实施方式，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-560。

作为优选的实施方式，在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，所述氮气的流速为50～120mL/min。

作为优选的实施方式，所述醋酸镁采用以下方法制备：

按照镁与醋酸的质量比为1:8.5的比例，向镁中滴加醋酸，醋酸滴加速率为1.2～1.4mL/min，反应温度为70～110℃，反应时间为1.5～2h，反应过程中不断搅拌，最终获得醋酸镁。

作为优选的实施方式，醋酸滴加速率为1.3mL/min，反应温度为95℃，反应时间为1.5h。

本发明的有益效果是：

本发明中，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，采用醋酸镁作为聚合反应的催化剂，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成了一层丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯的复合膜，该复合膜表面残留大量的酰氯基团，它会与分子量为5000～18000的亲水性聚合物-聚乙烯醇(PVA)发生表面共价接枝作用，进而在复合膜表面形成致密的亲水涂层，通过亲水涂层提高了复合材料的吸水率，同时结合纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂本身具备的硬度、耐摩擦性、抗冲击性和耐溶剂性等高性能，使得最终制备的复合材料的综合性能显著提高。

本发明的制备方法简单，成本低，适合大规模工业化生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种高强度高吸水率复合材料，按照重量份数计算包括以下组份：

纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂120～150份；

聚乙烯醇10～30份；

醋酸镁20～25份；

丙烯酰胺15～20份；

2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯30～45份。

其中，聚乙烯醇(PVA)的分子量为5000～18000。聚乙烯醇具有良好的水溶性、耐溶剂性和好的成膜性能，可以形成表层光滑、抗撕裂、强韧的膜，用于复合材料的制备，可以提高复合材料的吸水率。

其中，2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯的结构式为：

本发明的一种高强度高吸水率复合材料的制备方法，包括以下步骤：

向纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入丙烯酰胺、2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为50～120mL/min。

其中，纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂采用以下方法制备：

首先对纳米SiO₂采用偶联剂进行表面改性，然后采用共混法和原位聚合法制备纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂。通过采用纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂制备的复合材料，其复合材料的硬度、耐摩擦性、抗冲击性和耐溶剂性都有很大提高。

所采用的偶联剂选用硅烷偶联剂KH-560，化学名：γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane)，分子式C₉H₂₀O₅Si。主要用于提高纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂的物理性能，尤其是所得最终复合材料的机械强度、气性、耐热性等性能。

其中，醋酸镁采用以下方法制备：

按照镁与醋酸的质量比为1:8.5的比例，向镁中滴加醋酸，醋酸滴加速率为1.25mL/min，反应温度为70～110℃，反应时间为1.5～2h，反应过程中不断搅拌，最终获得醋酸镁。醋酸镁主要用作聚合反应的催化剂。

其中，丙烯酰胺采用以下方法制备：

将丙烯腈与水在铜系催化剂的作用下，于70～120℃、0.4MPa压力下进行液相水合反应；CH₂＝CH-CN+H₂O→CH₂＝CHCONH₂，反应后滤去催化剂，回收未反应的丙烯腈，丙烯酰胺水溶液经浓缩、冷却得丙烯酰胺结晶。该法工艺流程简单，丙烯酰胺的选择性和收率可高达98％以上。

本发明中，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，采用醋酸镁作为聚合反应的催化剂，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成了一层丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯的复合膜，该复合膜表面残留大量的酰氯基团，它会与分子量为5000～18000的亲水性聚合物-聚乙烯醇(PVA)发生表面共价接枝作用，进而在复合膜表面形成致密的亲水涂层，通过亲水涂层提高了复合材料的吸水率，复合材料的综合性能显著提高。

实施例1

向135份纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入18份丙烯酰胺、34份2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和23份醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入22份聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为75mL/min。

实施例2

向120份纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入20份丙烯酰胺、30份2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和20份醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入30份聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为50mL/min。

实施例3

向150份纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入15份丙烯酰胺、45份2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和25份醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入10份聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为110mL/min。

实施例4

向132份纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入18份丙烯酰胺、40份2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和21份醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入21份聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为90mL/min。

实施例5

向125份纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入16份丙烯酰胺、38份2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和23份醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入29份聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，氮气的流速为80mL/min。

采用现有吸水率和抗压性检测方法对实施例1至实施例5所制备的复合材料进行检测，检测结果如表1所示。

表1

样品	吸水率(g/g)	抗压性(0.7Psi)g/g
			实施例1	852	32.3
实施例2	849	31.8
			实施例3	847	30.5
实施例4	850	30.6
			实施例5	845	32.0

通过检测可知，本发明所制备的复合材料具有较高抗压性和较高的吸水率，吸水率高达852g/g，抗压性高达32.3g/g。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度高吸水率复合材料，其特征在于，按照重量份数计算包括以下组份：

纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂 120～150份；

聚乙烯醇 10～30份；

醋酸镁 20～25份；

丙烯酰胺 15～20份；

2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯 30～45份；

所述纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂采用以下方法制备：

首先对纳米SiO₂采用偶联剂进行表面改性，然后采用共混法和原位聚合法制备纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高吸水率复合材料，其特征在于，按照重量份数计算包括以下组份：

纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂 135份；

聚乙烯醇 22份；

醋酸镁 23份；

丙烯酰胺 18份；

2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯 34份。

3.根据权利要求1所述的一种高强度高吸水率复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇的分子量为5000～18000。

4.根据权利要求1所述的一种高强度高吸水率复合材料，其特征在于，所述2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯的结构式为：

5.制备权利要求1至4中任意一项所述的高强度高吸水率复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

向纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂中加入丙烯酰胺、2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯和醋酸镁，丙烯酰胺和2,3′,4,5′,6,-联苯五酰氯发生界面聚合反应，再向反应体系中加入聚乙烯醇发生表面共价接枝反应，在纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂表面形成亲水涂层，获得高强度高吸水率复合材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂采用以下方法制备：

首先对纳米SiO₂采用偶联剂进行表面改性，然后采用共混法和原位聚合法制备纳米SiO₂改性聚丙烯酸树脂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-560。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在整个反应过程中，向反应体系中通入氮气，所述氮气的流速为50～120mL/min。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述醋酸镁采用以下方法制备：

按照镁与醋酸的质量比为1:8.5的比例，向镁中滴加醋酸，醋酸滴加速率为1.2～1.4mL/min，反应温度为70～110℃，反应时间为1.5～2h，反应过程中不断搅拌，最终获得醋酸镁。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，醋酸滴加速率为1.3mL/min，反应温度为95℃，反应时间为1.5h。