聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的粘附性能測試及表征

蔣 磊，黃紅軍，萬國順，李志廣，王 康，張東升

（1. 軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2. 駐743廠軍代室，山西 太原 030027； 3. 吉林預備役步兵第四十七師，吉林 吉林 132000）

聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的粘附性能測試及表征

蔣 磊1，黃紅軍1，萬國順2，李志廣1，王 康1，張東升3

（1. 軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003；2. 駐743廠軍代室，山西 太原 030027； 3. 吉林預備役步兵第四十七師，吉林 吉林 132000）

為探討聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的粘附性能，設計了一種對其粘附性能的測定方法并進行了測試及表征，討論了不同實驗條件對樹脂粘附性能的影響。結果表明，該吸水樹脂的粘附性能隨吸水量、初始壓力和分離速率的增加具有一定的變化規(guī)律，并根據(jù)高分子結構理論、粘接的機械互鎖理論和應力松弛等理論進行了解釋。

聚丙烯酸鈉；吸水樹脂；粘附；測試方法

聚丙烯酸鈉吸水性樹脂是一種廣泛應用的合成樹脂類吸附樹脂，其具有吸水、吸濕量大，吸水速度快，合成簡便，成本較低等優(yōu)點。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等方面有較廣泛的應用[1-2]。

在制備聚丙烯酸鈉吸水性樹脂的過程中，我們發(fā)現(xiàn)在其聚合完畢后，具有一定含水量的樹脂常常粘附在反應容器內壁，極難取出；在吸水樹脂的使用過程中，由于吸水性樹脂易吸水、吸濕，其就造成粉碎好的樹脂由于粘附作用又發(fā)生了團聚，影響其使用效果。因此，有必要對其進行研究，探討出控制該性能的方法。本文將通過對其粘附性能的討論和表征，來探討其變化規(guī)律。并希望該研究結果有助于拓展吸水性樹脂的應用領域。

1 實驗部分

1.1 聚丙烯酸鈉樹脂的制備

在磁力攪拌條件下，用NaOH水溶液中和滴定丙烯酸(AA)溶液至一定中和度，將混合溶液置于70℃烘箱中加熱1h，然后在70 ℃條件下，加入定量的交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺和引發(fā)劑過硫酸鉀，進行聚合與交聯(lián)反應，反應約5 h，然后在100℃條件下干燥，產(chǎn)品性狀為白色固體粉末。

1.2 材料的粘附性能測定

對于材料的粘附性能測定，常采用的測試方法有拉伸剪切強度測定法和剝離強度測試法等，但對于本文所制樹脂來說并不完全適用。本文所制吸水性樹脂，在測定粘附性能時并無固化過程，且為幾乎無流動性的固體顆粒，難以涂布。故本文根據(jù)材料特性、用途及現(xiàn)有條件，以探頭法[3]為基礎，設計了一種測試方法，測試裝置如圖1所示。

1.3 粘附性能測定方法

將制備好的干燥樹脂過140目篩，并均勻撒于有機玻璃試片上（厚度約0.5 mm）,向試片表面噴水至表面潤濕，然后在90% RH的恒濕箱中放置30 min，待其充分溶脹后稱重，計算其吸水倍率。重復噴水-溶脹-稱重過程直至樹脂吸水至所需倍數(shù)時，將試片固定在推拉力測試機臺上，使探頭向下移動并與樹脂充分接觸至一定壓力值，然后以一定速率升起探頭，使之與材料和試片分離，并讀出拉力最大值，即為粘附力測定值。

圖1 粘附性能測試裝置示意圖Fig.1 Sketch of adhesion properties test equipment

在測定材料的粘附性能時，實驗參數(shù)（初始壓力、分離速率等）對粘附力測定值有很大影響；另外，材料的吸水量也是影響粘附作用的一個重要指標[4]。因此在本文中，將重點考查初始壓力、分離速率以及吸水量對材料粘附力測定值的影響。

1.4 紅外光譜分析

采用SHIMADZU公司的FTIR-8900型紅外光譜儀，以KBr壓片法對合成產(chǎn)物進行紅外光譜分析。

1.5 掃描電鏡分析

掃描電鏡分析用日立公司的S-4800型場發(fā)射掃描電鏡進行，樣品先進行表面噴金處理，再在一定掃描電壓下觀察樣品的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 材料的紅外光譜分析

圖2所示為中和度為70%的樹脂材料的紅外光譜圖。

圖2 材料的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of sodium polyacrylate resin

在圖2中，3 448 cm-1處出現(xiàn)了-OH的伸縮振動峰，1 560 cm-1和1 637 cm-1處為-COO-的伸縮振動峰，1 406 cm-1處為-COOH的伸縮振動峰，在792 cm-1處出現(xiàn)了-CH2-的變形振動峰，上述特征峰表明了聚合物中-COOH和-COONa基團的存在，材料應為聚丙烯酸鈉高聚物。

2.2 材料的掃描電鏡分析

圖3所示為材料表面的掃描電鏡照片。從圖3中可以清晰看到樹脂的無規(guī)則交聯(lián)三維網(wǎng)狀結構，而且在聚合物產(chǎn)物的結構中有較多的溝壑和孔隙，這種交聯(lián)結構和表面的孔洞，使PAANa樹脂有較大的比表面積和孔容，從而對水分具有很強的吸收性和容納能力。因此可以推斷，材料表面的結構在吸水后會更加舒展，也容易與被粘物表面充分接觸，產(chǎn)生較強的分子間作用，并有利于機械互鎖效應的形成，從而提高材料的粘附性能。

圖3 材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of sodium polyacrylate resin

2.3 材料吸水量對粘附性能的影響

吸水量對材料的粘附性能有很大影響，圖4即為制備出的聚丙烯酸鈉吸水性樹脂材料在不同吸水倍率下測得的粘附力值變化。

圖4 材料的粘附力值與吸水倍率的變化關系Fig.4 Effect of water absorbency on adhesion properties

由圖4可見，當材料的吸水量較少時，材料的粘附力測定值隨吸水倍率的增大而增大，當吸水倍率為2倍時，材料的粘附力測定值又呈下降趨勢。這是因為材料少量吸水后，水分子的進入使高分子鏈間距增大，鏈端伸展，更易于在被粘附物體表面鋪展和充分接觸，降低了界面的表面能；而當材料大量吸水后，由于絕大部分的粘附界面都已被水分子所占據(jù)，材料表面的極性基團密度減少，材料間的界面結合力下降，從而使粘附力隨吸水量增加而不斷減小。

2.4 探頭初始壓力對材料粘附性能的影響

圖5所示為材料粘附力隨探頭施加的初始壓力的變化曲線，從曲線中可以看出，材料的粘附力隨探頭初始壓力的增大而增大。這是因為，隨著初始壓力的增大，樹脂材料與試片和探頭的接觸更加緊密了。

圖5 探頭初始壓力對材料粘附力的影響Fig.5 Effect of probe pressure on adhesion properties

機械互鎖理論認為：任何即使是肉眼看來非常光滑的物體在微觀下仍是遍布溝壑、充滿孔隙的，當膠黏物與之充分接觸，填充了這些溝壑和孔隙，脫出時就會受到被粘物的阻礙，表現(xiàn)出鎖—鑰效應，從而增加能量消耗，使粘附強度增加[5]。增大初始壓力無疑會有助于材料與基材的充分接觸，從而增加了機械互鎖力；同時，充分接觸的另一個好處是使兩種材料的接觸面積增大，增強了界面相互作用，也使材料的粘附力增大。

2.5 分離速率對材料粘附性能的影響

圖6為材料的粘附力隨探頭分離速率的變化情況，從圖中可以看出，粘附力隨分離速率的增加而增大，這種情況可以用應力松弛來解釋。

應力松弛[6]是指材料中的應力隨時間衰減的過程，即應力衰減的依時過程。應力松弛是聚合物中一種普遍存在的現(xiàn)象。當突加的外力作用在聚合物上時，在聚合物內部就產(chǎn)生了應力和應變，應變使聚合物中的各級位置偏離了平衡位置，為了降低應力，就必然要朝著應力降低的方向運動，因此隨著時間的推移，應力逐漸降低。

圖6 分離速率對材料粘附性能的影響Fig.6 Effect of separation speed on adhesion properties

在本實驗的整個分離過程中，粘附界面的應力增加和應力松弛效應同時作用，所以應力增加過程和應力松弛過程是同時進行的。當分離速率較低時，由于分離較慢，應力松弛過程較長，故最后測得的粘附力也較??；當分離速率增加時，應力松弛過程越來越短，應力下降減少，材料就表現(xiàn)出接近于彈性體的性質，就導致粘附力值的增大。

3 結 論

（1）設計了針對吸水性樹脂的粘附性能測試方法和測試主要指標，并考察了測試過程中的粘附行為。

（2）用紅外光譜儀和掃描電鏡對材料的組成和表面形貌進行了表征，確定了材料的組成和結構。

（3）討論了材料吸水倍率與粘附力的變化關系，發(fā)現(xiàn)當吸水倍率為2倍時，粘附力最高。

（4）討論了初始壓力和分離速率對材料粘附性能的影響，并用并用高分子結構、機械互鎖理論和應力松弛理論進行了解釋。

［1］鄒新禧.超強吸水劑 [M].第二版.北京:化學工業(yè)出版社，2002.

［2］馬斐，程冬炳，王穎，等.聚丙烯酸類高吸水樹脂的合成及吸水機理研究進展[J].武漢工程大學學報，2011,33(1): 4-9.

［3］Creton C, Leibler L. How does tack depend on time of contact and contact pressure[J]. Journal of Polymer Science. 1996, 34(3):545-554.

［4］黃衛(wèi)寧，賈春利，李先玉，等. 食品(面團)體系表面膠粘性的流變學機理及其表征[J]. 食品與生物技術學報，2006，25(2)：120-126.

［5］余先純, 孫德林. 膠黏劑基礎[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2010.

［6］阿方薩斯 V. 波丘斯. 粘接與膠黏劑技術導論[M].原著第二版.北京:化學工業(yè)出版社, 2005．

Test and Characterization on Adhesion Property of Poly（sodium acrylate）Absorption Resin

JIANG Lei1，HUANG Hong-jun1，WAN Guo-shun2，LI Zhi-guang1，WANG Kang1，ZHANG Dong-sheng3
（1. Advanced Material Institute , Ordnance Engineering College, Hebei Shijiazhuang 050003，China; 2. Military Representative Office in No.743 Factory, Shanxi Taiyuan 030027，China; 3. No.47 Reserve Infantry Division, Jilin Jilin 132000，China）

In order to study the adhesion property of poly(sodium acrylate) absorption resin, a new test technique for adhesion property in swollen state was designed. Then influencing factors of the resin's adhesion property were discussed. The results indicate that adhesion property have some variation with the increase of water absorption, initial pressure and separation rate, and the phenomenon can be explained by the theory of polymer structure, mechanical interlock and stress relaxation.

Poly(sodium acrylate); Super absorption resin; Adhesion; Test technique

TQ 325.7

A

1671-0460（2011）12-1231-03

2011-10-27

蔣磊（1986-），男，吉林長春人，碩士研究生，研究方向：從事新型功能材料的研究。E-mail：jlddd03@126.com。