測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法
2023-06-02 06:46:06 1
專利名稱：測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法
技術領域：
本發明涉及一種測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法。
背景技術：
高吸水性是一種具有很強吸水性能和保水性能的功能高分子材料。它能夠吸收幾百倍乃至上千倍於自重的水分，而且在外界環境的一定溫度壓力下能夠持久保持水分，這是海綿等傳統吸液材料所無法比擬的。上世紀六十年代，最早出現的吸水樹脂是由美國農業部將澱粉-丙烯氰接枝共聚物進行水解製得高吸水樹脂，由此拉開了全球廣泛研究吸水性聚合物的序幕。其後不久，研究報導了 「澱粉衍生物的吸水樹脂具有優異的吸水能力，且吸水後凝膠保水性很強，這些特徵都超出了以往的高分子材料」。此類高吸水樹脂最初實現工業化生產，獲得極大成功，由此拉開了全球範圍廣泛研究高吸水性材料的序幕。自1966年研製成功澱粉一丙烯氰接枝共聚物高吸水樹脂開始，工業化進展極為迅速，據統計，80年代初期，年生產能力不足萬噸。而到1989年世界高吸水樹脂產量為沈萬噸，其中美國10. 5萬，日本約7. 6萬噸，而到2000年，美國高吸水樹脂產量達50萬噸，日本產量達40萬噸。在此期間，各類性能優異的吸水保水材料相繼得到研製和生產。從化學結構看，澱粉系高吸水樹脂的主鏈和接枝側鏈上含有羧基和羥基等親水性基團，這些親水性基團與水分子的親和作用是其具有親水性的主要內因；從物理結構上看， 它具有低交聯密度的三維網狀結構。由於高吸水樹脂的奇特性能，自它問世以來便引起人們極大的興趣，在工業、農業、日常生活、醫療衛生等方面獲得廣泛應用。常用於脫水劑，速凝劑，封堵材料，堵水劑等。而在農業部門主要將其用於土壤改良劑、保水劑、育苗床基。由於高吸水樹脂應用廣泛，自美國農業部北方實驗研究所首先研製成功後，日本也進行了大量的開發研究。日本，德國，法國在上世紀七十年代末相繼投入工業化生產。我國廣東、上海等地企業在八十年代引進若干尿布溼生產線，開始了我國吸水材料工業化的步伐。早期研究澱粉接枝共聚反應，使用比較多的引發劑為鈰鹽。以鈰鹽作引發劑，接枝效率高，但價格昂貴。隨後人們又採用錳鹽、過硫酸鹽和氧化還原體系等引發劑。輻射法引發澱粉的接枝共聚反應可以在常溫下進行了，與化學引發法相比具有較多優點。由於澱粉與纖維素同屬糖類，人們又設想用纖維素為原料來製備高吸水樹脂。由於纖維素接枝率較低，研究人員先將其羧甲基化處理。但是澱粉、纖維素這類天然材料雖然來源廣泛，生物降解性能好，但同時面臨的問題就是易於腐敗變質，耐熱性能差，凝膠強度低，難以長期儲存。為克服上述缺點，人們逐漸將目光轉移向合成系高吸水性樹脂，主要以丙烯酸、丙烯氰、丙烯醯胺、聚乙烯醇等為原料，這已成為了現今高吸水樹脂的主要發展趨勢。高吸水樹脂從合成原材料上來分類，可分為澱粉系，纖維素系和合成系樹脂三大類。天然澱粉類由於原料豐富、廉價而研究較多，此方面的研究主要集中在澱粉的接枝方面，常用於與之接枝的有丙烯氰、丙烯酸、丙烯醯胺、丙烯酸酯等。同時可以利用土豆、玉米等農產品以降低生產成本。澱粉系產品的最大缺點就是耐熱性能差，長期保水能力不足，易腐爛，難以長期儲存。纖維素類吸水能力差，需要通過接枝的方法來改善其吸水能力，常用方法包括與親水性單體接枝共聚或者羧甲基化。儘管如此，產品吸水率仍然較低，且易於受微生物分解而失去保水能力。但它可用於製成高吸水性織物，與合成纖維混紡，改善產品最終性能。合成樹脂類主要為丙烯鹽系列和改性聚乙烯醇系列。丙烯鹽類的吸水能力與澱粉等天然高分子接枝共聚物相當，但產品不易腐敗，吸水率高，凝膠的強度大，結構穩定，產品綜合性能好，目前研究較多。聚乙烯醇國內只有少數單位進行研製，但聚乙烯醇由於聚合物中存在有親水性官能團(-0H)，因而除了一般吸水性樹脂的性能外，還具有其它吸水樹脂所不具備的優良性能，例如耐鹽性、高凝膠強度等。它與其它吸水樹脂相比具有的最大優越性在於吸水後易向土壤、沙層釋放，保持土壤的溼潤，為解決全球性糧食問題和改造沙漠問題提供解決的可能。高吸水樹脂最初用於農業和林業的抗旱保苗以及土壤改良方面。高吸水樹脂具備很好的吸水、保水性能，可以降低土壤的蒸發量，在土壤中還可以降水時吸收足量的水分， 而在乾旱時釋放出這些水分。Abd El-Rehim等人使用輻射法製備了系列的聚丙烯酸、聚丙烯醯胺高吸水樹脂，並將其加到土壤中，研究結果表明聚丙烯醯胺/丙烯酸鉀高吸水樹脂由於可以吸附並保持自身重量上千倍的水，提高了沙土的保水性能和耕作性能，從而有利於作物生長。我國最初將高吸水性樹脂用於農作物保水的是科學院化學所的黃美玉等人，他們先後將高吸水性樹脂用於蔬菜育苗及水果種植，結果表明高吸水樹脂對蘋果的移栽成活率和花前成熟期均有明顯的促進作用，對葡萄生長也明顯的促進作用，能促進葡萄早結果，並能使葡萄增產。目前樹脂種類不斷增多，產品開始向智能化、多功能材料高層次發展，應用領域由原先的土壤改良、保水抗旱、育種保苗的農業方面拓寬到日用化學品工業、建築材料工業、 醫療工業、交通運輸、油氣開採等行業。由於高吸水樹脂具有很強的吸水能力，而不吸收疏水性烴類物質特點，可以將它與無機物或有機脂類進行混配製成複合材料，對注水井和採油井進行處理，以改善低滲透層的吸水能力和降低出水率。如將無機物粉末粒子的表面用吸水性樹脂包覆，得到吸水性複合體；或者將吸水樹脂磨成一定粒徑範圍的顆粒，懸浮在滷水溶液中，製成調剖堵水劑，注入高滲透層後遇水膨脹，堵塞高滲透層(水層)起到調剖的作用。當被擠入油層時，由於它不具備吸油能力，因而在開採時容易攜帶出，達到選擇性封堵目的。高吸水性樹脂具有輕度交聯的三維網絡結構，其結構中含有大量親水基團保證了吸水性樹脂具有吸水膨脹性，對油無吸入性。並且，高吸水樹脂在油中會發生體積收縮現象。高吸水性樹脂是一種柔性高分子，可保證了吸水後在外力作用下會發生可逆形變。在採油領域應用時，高吸水樹脂在外力作用下可以驅動地層空隙的剩餘油向生產井運移，起到驅油效果。另外，高吸水樹脂顆粒也可以在地層孔隙中滯留，堵塞孔隙，起到堵水的效果，迫使地下水流動轉向。利用高吸水樹脂的這種選擇堵水性，可以提高原油採收率。由於地下水中各種無機離子的濃度較高，因此用於油田採油的高吸水樹脂，應該具有較好的耐鹽性。
粘土系有機-無機複合高吸水性樹脂與傳統的合成系高吸水性樹脂相比，由於粘土的引入，可以降低成本，提高凝膠的耐鹽性、凝膠強度等性能。在眾多品種粘土礦物中，層狀結構的膨潤土由於儲量豐富，性能優良而具有較好的應用前景。膨潤土主要有鈉基膨潤土和鈣基膨潤土兩種，自然界中存在的膨潤土以鈣基最為普遍。目前認為鈉基膨潤土的性能優於鈣基膨潤土。鈉基膨潤土吸水率大、膨脹度大、陽離子交換容量大；在水介質中分散性好，膠質價大，膠體懸浮液觸變性、黏度、潤滑性好，PH值高，熱穩定性好等。膨潤土系有機一無機復吸水性樹脂的研究也主要集中在使用鈉基膨潤土製備陰離子或非離子的高吸水性樹脂。複合吸水材料的溶脹倍率與凝膠強度存在很大的關係，如何測定出複合吸水材料的溶脹倍率與凝膠強度的關係，對合成複合吸水材料顯得至關重要。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，該測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法能測定出複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度的關係，且測量精度高，測量步驟簡單，降低了測量成本。本發明的目的通過下述技術方案實現測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，包括以下步驟(a)將待測定的複合吸水材料分別加入四種介質溶液中，使其分別在四種介質溶液中達到一定的溶脹倍率；(b)截取上述呈柱狀凝膠的混合溶液，兩端夾持，與彈簧拉力計相連；(c)通過彈簧拉力計測量出凝膠中部橫截面積A，讀出凝膠塊在拉力作用下斷裂前一瞬間的拉力值F;(d)通過橫截面積A和拉力值F，計算出凝膠強度S。所述四種介質溶液分別為去離子水、NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液。所述NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液的濃度均為0. 5%。所述步驟(a)中，溶脹倍率為20倍。綜上所述，本發明的有益效果是能測定出複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度的關係，且測量精度高，測量步驟簡單，降低了測量成本。
圖1為本發明的不同溶脹倍率對凝膠強度的影響示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不僅限於此。實施例本發明涉及的測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，包括以下步驟
(a)將待測定的複合吸水材料分別加入四種介質溶液中，使其分別在四種介質溶液中達到一定的溶脹倍率；(b)截取上述呈柱狀凝膠的混合溶液，兩端夾持，與彈簧拉力計相連；(c)通過彈簧拉力計測量出凝膠中部橫截面積A，讀出凝膠塊在拉力作用下斷裂前一瞬間的拉力值F;(d)通過橫截面積A和拉力值F，計算出凝膠強度S。上述步驟(d)中的計算公式為
權利要求
1.測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，其特徵在於，包括以下步驟(a)將待測定的複合吸水材料分別加入四種介質溶液中，使其分別在四種介質溶液中達到一定的溶脹倍率；(b)截取上述呈柱狀凝膠的混合溶液，兩端夾持，與彈簧拉力計相連；(c)通過彈簧拉力計測量出凝膠中部橫截面積A，讀出凝膠塊在拉力作用下斷裂前一瞬間的拉力值F;(d)通過橫截面積A和拉力值F，計算出凝膠強度S。
2.根據權利要求1所述的測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，其特徵在於，所述四種介質溶液分別為去離子水、NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液。
3.根據權利要求2所述的測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，其特徵在於，所述NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液的濃度均為0. 5%。
4.根據權利要求1所述的測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法，其特徵在於，所述步驟(a)中，溶脹倍率為20倍。
全文摘要
本發明公開了一種測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法。該測定複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度關係的方法包括將複合吸水材料融入介質溶液中並達到一定膨脹率；通過彈簧拉力計測量出橫截面積A和拉力值F；通過橫截面積A和拉力值F計算出凝膠強度等步驟。本發明能測定出複合吸水材料溶脹倍率與凝膠強度的關係，且測量精度高，測量步驟簡單，降低了測量成本。
文檔編號G01N3/08GK102466589SQ20101054212
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者袁俊海 申請人:袁俊海