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聚(丙烯酸-co-N-乙烯基吡咯烷酮)水凝胶的前端聚合法制备及染料吸附 冯 巧，张亚轩，张延辉，韩未利，夏志伟 （河南城建学院 化学与材料工程学院，河南 平顶山 467036） 摘要：在水溶液中用前端聚合法制备了聚(丙烯酸-co-N-乙烯基吡咯烷酮)水凝胶，研究了单体配比对前端聚合参数、水凝胶的溶胀性能和热稳定性的影响，检测了水凝胶对水体中有机染料的吸附性能。结果表明，共聚凝胶的吸水性能明显优于均聚物（聚丙烯酸，PAC），AC:NVP=5:5 mol:mol时，水凝胶饱和溶胀比最大，达到577 g/g，约为PAC的3倍。与吸附酸性品红和亚甲基蓝相比，水凝胶吸附碱性品红的能力更强，当AC:NVP=7:3 mol:mol时吸附量最大，为539 mg/g；共聚水凝胶具有pH敏感性，溶液pH升高有利于对亚甲基蓝的吸附。DSC测试表明，相比于溶液聚合，前端聚合法制备的产物中单体排布序列更均匀。 关键词：前端聚合，丙烯酸，N-乙烯基吡咯烷酮，水凝胶，有机染料，吸附 中图分类号 : O632.51　 前言 水凝胶是一种适度交联、具有三维网络结构的功能型高分子材料[1]。它可以吸收超过自身重量几倍到几百倍的水分而不溶于水中。水凝胶因其优异的吸水、保水性能和良好的生物相容性广泛应用于工业、农业、医药、生物工程和环保材料领域。 近年来，我国印染工业迅速发展，大量的印染废水排放造成严重的环境污染。印染废水常用的处理方法有化学氧化、臭氧处理、生物降解和吸附法等。其中吸附法效率高，操作简单，处理过程中没有毒副产物，被认为是较为理想的方法。常用吸附剂有活性炭、硅藻土、水凝胶、粉煤灰、沸石等。 聚丙烯酸(PAC)水凝胶原料廉价易得，对环境无毒无害，适合作为吸附剂使用。聚N-乙烯基吡咯烷酮（PVP）具有低毒、化学稳定等优良性质。两者的共聚产物聚(丙烯酸-co-N-乙烯基吡咯烷酮) (P(AC-co-NVP))具有良好的吸附性能，常用于工业废水的处理[2]。 水凝胶的制备多采用溶液聚合、反向悬浮聚合和辐射聚合等工艺。传统的溶液聚合法操作简单，反应热可控，但存在用时长、耗能高的不足[3]；反向悬浮聚合能够获得粒径均一的颗粒状产物，而后期需要分离和洗涤产物，工艺较为复杂[4]；辐射聚合法过程容易控制，产物纯净，但可能存在辐射危险[5]。因此，人们仍致力于探索更加节能、省时、安全的合成工艺。 前端聚合(frontal polymerization，FP) 是一种利用反应自身放热推动反应区域向单体区域连续移动，将单体转变为聚合物的反应过程[6]。前端聚合在管型反应器中进行，只需在引发反应时加热，具有操作简单，反应快，耗能少的特点。前端聚合已经被用来制备多种共聚物，例如， Mariani等[7]制备了聚(丙烯酸-co-丙烯酸羟乙酯)水凝胶，聚合物转化率高达90-96%；Chen等[8]以甘油为溶剂制备了聚(N-乙烯基吡咯烷酮-co-甲基丙烯酸羟乙酯)水凝胶，产物具有规整的海绵状结构，溶胀率是传统聚合的2倍；Chen的课题组还用长波激光引发前端聚合制备了聚(N-羟甲基丙烯酰胺-co-N-乙烯基己内酰胺)[9]，并将这一工艺用于有毒液体和固体的封堵，效果理想。 本实验拟采用前端聚合法制备P(AC-co-NVP)水凝胶，改变单体配比，研究前端聚合参数、产物吸水性能和热性能的变化，探索对亚甲基蓝、碱性品红和酸性品红的吸附性能最好的水凝胶配方，以期获得用于染料废水处理的理想材料。 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 丙烯酸(AC)，N-N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)：分析纯，天津光复精细化工研究所；N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；过硫酸铵(APS)、无水乙醇：分析纯，洛阳化学试剂厂；氢氧化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠：分析纯，天津博迪化工股份有限公司；亚甲基蓝、酸性品红：分析纯，北京化工厂；碱性品红：分析纯，上海试剂三厂。所有试剂未经纯化，直接使用。 Q100DSC热分析仪：美国TA公司；Bruker vector 33傅里叶红外光谱仪：德国Bruker Biospin公司；QUANTA450扫描电子显微镜：荷兰 FEI公司；TGA/DSC1/1100热分析仪：瑞士METTLER TOLEDO公司；UV Bluestar A紫外可见分光光度计：中国北京莱伯泰科仪器有限公司。 1.2 实验过程 1.2.1水凝胶的制备 前端聚合法：按表1配比称取各试剂，将0.7 mol单体与0.0325 gMBA溶于7 g蒸馏水中，待试剂完全溶解后加入0.1 gAPS，超声振荡五分钟，倒入内径1.25 cm带有刻度的试管中，固定在铁架台上；将一K型热电偶插入液面以下3 cm处，测定该点反应温度；用电烙铁加热溶液表层，引发反应，反应开始后撤离热源，摄像机记录反应