2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 3
环境矿物资源对高分子吸水材料
几种性能的影响
赵鹏，朱红
（天津科技大学 海洋科学与工程学院，天津 300222）
摘要：将膨润土、电气石、硅藻土、杭锦2#土等矿物资源分别与丙烯酰胺-co-丙烯酸共聚型吸水树脂复合。对各种矿物资源的添加比例对吸水树脂的吸水倍率、吸水速率、失水速率、土壤蒸腾作用各项性能的影响进行了研究，并分别进行了植物生长试验，得到了添加比例为15%杭锦
#
2土的吸水树脂具有最佳吸水性能，添加膨润土后的吸水树脂对植物生长具有最好影响。
#
关键词：膨润土；电气石；硅藻土；杭锦2土；黑麦草；高吸水树脂；水溶液聚合
高吸水性树脂是一种功能高分子材料，它可吸收自身重量几十倍乃至几千倍的水，且在加压下也不脱水。因其优良的吸水和保水性能，在农业、医药、石油化工等行业得到了广泛应用，并越来越受到人们的关注，如高吸水性树脂用于沙漠地区，是恢复地表植被的良好措施之一。但如何因地制宜地利用当地的矿产资源合成吸水性能良好、价格低廉的吸水树脂是目前应该解决的课题之一。本文采用膨润土、硅藻土、电气石和杭锦2土等矿产资源分别和丙烯酸、丙烯酰胺（AM）聚合，通过其在聚合体系中占单体比例的不同，得到了吸水性能最佳的添加比例，并进行了植物生长试验，得到最利于植物生长的矿物纤维复合吸水树脂配方。
1 实验 1.1 原材料
丙烯酰胺，分析纯，天津市瑞金特化学品有 基金项目：天津市高等学校科技发展基金(0211102)。 作者简介：赵鹏，男，23岁，环境工程专业硕士研 究生，研究方向：环境材料。
＃
[1]
限公司产品；丙烯酸，分析纯，天津市登峰化学 试剂厂产品；钠基膨润土，辽宁省彰武县出品；改性杭锦2土，内蒙古杭锦旗出品；电气石，市 售；硅藻土，市售；（以上四种矿物资源细度均为200目）；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，分析纯，天津市大茂化学试剂厂产品；过硫酸钾，分析纯，天津市化学试剂研究所产品；氢氧化钠，分析纯，天津市天大化工实验厂产品。 1.2 高吸水树脂的合成
以NaOH 中和丙烯酸，加入一定量的单体AM，引发剂过硫酸钾、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，分别加入上述几种矿物材料进行水溶液聚合，聚合产品经干燥，造粒得固体颗粒产品。 1.3 性能测定
1.3.1 吸液倍率的测定
取0.5 g 干树脂放入500 mL 的烧杯中，然后加入去离子水，使树脂吸水至恒重，用医用纱布滤去多余水，称量，按下式计算吸水复合材料的。 平衡吸液倍数（Q ）
＃
4 《橡塑资源利用》 2006.No1
Q =(G2-G 1)/G1
式中 G1—干树脂质量，g；
图
1 矿物资源质量分数对树脂吸水倍率的影响
G 2—吸水凝胶质量，g。
1.3.2 吸水速率的测定
将0.5 g干树脂置于装有去离子水的500 mL烧杯中，每隔一段时间取出称量，以吸水倍率对时间作图。
1.3.3 保水性能的测定
将吸水达到饱和的树脂凝胶置于表面皿内，在烘箱温度为30 ℃并通风的条件下，每隔一段时间，称出失水重量并计算其占最大吸水量的百分数，并对时间作图。树脂保水性能还与温度及吸水树脂的颗粒大小有关，本实验在相同条件下测定其失水速率。 1.3.4 出苗率
将100粒黑麦草籽分别播种于混有不同吸水树脂的土壤中，树脂重量占土壤总重量的5％，加入70 ml水，观察其出苗情况。 1.3.5 土壤蒸腾失水性能
在自然通风的条件下定时称量土壤重量，对时间作图。
2 结果与讨论
2.1 矿物资源对树脂吸水倍率的影响
如图1所示添加15％杭锦2土于吸水树脂时
＃
＃
图2 添加不同比例膨润土后对树脂吸水速率的影响
2.2.2 硅藻土
如图3所示，随着时间的延长，材料的吸水量增加，其中硅藻土添加比例为15％的树脂吸水速率在本组内最快，在75 min时吸水倍率达到160倍。
图
3 添加不同比例硅藻土后对树脂吸水速率的影响
获得了最高吸水倍率。空白实验所得吸水倍率为305倍，杭锦2土添加量为15％时与吸水树脂有一定的协同作用。膨润土添加量为10％获得高吸水率，而添加量超过10％后吸水率急剧下降。电气石的添加比例对于吸水率的影响变化并不是很大，而硅藻土在添加量超过15％后吸水率会下降.
2.2 矿物资源对树脂吸水速率的影响 2.2.1 膨润土
由图2可知，膨润土添加比例为10％时的树脂初期吸水速率在本组内最快，基本在50分钟内达到吸水平衡。
[2]
2.2.3 电气石
如图4所示，添加不同比例的电气石后，树脂吸水速率基本相同，且吸水能力也变化不大，
2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 5 说明电气石本身对树脂的影响并不显著。
图4 添加不同比例电气石后对树脂吸水速率的影响
2.3.3 电气石
如图8所示，除添加电气石比例为10％的吸水树脂失水速率稍快外，本组内其他样品失水速
率基本相似。
图6 添加不同比例膨润土后对树脂失水速率的影响
2.2.4 杭锦2土
如图5所示，添加杭锦2土比例为15％的树
＃
＃
图
7 添加不同比例硅藻土后对树脂失水速率的影响
脂吸水速率最快，50 min时吸水倍率达到饱和吸水率的84％，90 min时基本达到平衡。
图5 添加不同比例杭锦2＃土后对树脂吸水速率的影响
图8 添加不同比例电气石后对树脂失水速率的影响
2.3 矿物资源对树脂失水速率的影响 2.3.1 膨润土
由图6可知，当膨润土添加比例大于10％后，其失水速率明显加快，可能是由于膨润土于大分子网络中所占空间比例较大，影响了网络对水分子的束缚能力，从而导致失水较快。 2.3.2 硅藻土
如图7，添加硅藻土后的吸水树脂其失水速率总体相近，其中添加比例为20％的吸水树脂在25小时前失水速率较快，而在此之后失水速率变慢，可能是由于在树脂受电气石结晶影响网格空间较大间隙水失去较快，而硅藻土亲水性导致结合水失去较慢。
2.3.4 杭锦2土
由图9可知，添加比例为10%的杭锦2土在本组内失水速率较快，其他样品则失水速率相近。 2.4 矿物材料对含吸水树脂土壤蒸腾作用的影响
由图10,图11,图12,图13知，添加不同类
＃
＃
6 《橡塑资源利用》 2006.No1 型吸水树脂后，土壤的蒸腾失水速率类似。
图9 添加不同比例杭锦2＃
土后对树脂失水速率的影响
达到20%以后可能是由于其生物电效应导致该
点出苗率高于同组其他。
图
12 添加电气石吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
[3]
图
10 添加膨润土吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
图13 添加杭锦2＃土吸水树脂后对土壤的蒸腾
作用的影响
图
11 添加硅藻土吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
图
14 吸水树脂对出苗率的影响曲线图
2.5 植物生长实验 2.5.1 出苗率
如图14所示，添加膨润土及杭锦2土的吸
＃
＃
2.5.2 植物生长情况
黑麦草种植20天后的生长情况如表1。从表中可知添加了膨润土和电气石的吸水树脂对植物的生长作用要优于另外两种环境矿物质合成的吸水树脂。这可能是由于电气石的自发电极化效应
水树脂对在添加到土壤中后，其对黑麦草的出苗率影响最好，其中杭锦2土的添加比例在15%附近时植物的出苗率接近100%，而电气石在添加量
2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 7 产生的负离子作用的效果。
丙烯酰胺，分析纯，天津市瑞金特化学品有
表1 植物生长情况表
矿物质添加比例 5％ 10％15％ 20％ 优 差 良 优
良 良 优 良
优 良 良 差
优 差 良 良
[4]
不是最有利的，而电气石由于具有发射远红外线、释放负离子、持续发生直流静电、释放矿物质和微量元素等作用对植物生长是有利的，但添加比例比较大，成本高。
（3）添加不同矿物资源的吸水树脂对土壤的在常温常压蒸腾失水作用相近，差别不大。 参考文献
[1] 蒋文伟.高分子吸水树脂研究进展[J].化学世界
1996，38（1）：25～29.
＃
膨润土 硅藻土 电气石 杭锦2＃土
3 结论
（1）在吸水树脂合成中添加杭锦2土比例为15％的样品具有最大吸水倍率304倍。据分析，可能的原因是杭锦2土这种独特的矿物资源中的粘土成分不但增加了大分子三维网格的空间，而且其自身的微孔结构和表面的亲水基团也有利于水分子的扩散和蓄涵。
（2）通过植物生长实验与保水实验的比较发现，保水能力最强的吸水树脂对植物生长来说并
＃
[2] 万涛，何文琼等.反相悬浮聚合膨润土复合聚丙烯酸
钠-丙烯酰胺高吸水性树脂的研究[J].弹性体，2003，13（2）：8～12.
[3] 魏健，刘渝燕，张开永.电气石应用专属性研究[J].
非金属矿，2003，1(1)：34～36.
[4] Donnay G .Structure mechanism of pyroelectr-
icity in tourmaline[J].Acta Cryst ，1977，A33:927～932.
广 告 征 订 启 事
《橡塑资源利用》（原《天津橡胶》）是由天津市橡胶工业研究所主办的面向橡胶类生产企业、科研院所、大专院校的技术类刊物。本刊创刊于1970年，历史悠久，发行面广，影响范围大。是《中国期刊网》全文收录期刊，《万方数据——数字化期刊群》全文收录期刊。本刊为大16开，双月刊，国内公开发行，刊号为CN12-1350/TQ，广告经营许可证号为[1**********]93，是您宣传企业形象，推广新产品、新技术，扩大企业知名度，提高企业效益的媒介与窗口。
有意向的单位请与天津市橡胶工业研究所 《橡塑资源利用》编辑部联系： 地址：天津新技术产业园区华苑产业区（环外）海泰南北大街15号 邮编：300384
电话：022-23787323 传真：022－23787322 E-mail: [email protected] 银行汇款：
户 名：天津市橡胶工业研究所 开户行：天津市商业银行津北支行 帐 号：[***********]
2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 3
环境矿物资源对高分子吸水材料
几种性能的影响
赵鹏，朱红
（天津科技大学 海洋科学与工程学院，天津 300222）
摘要：将膨润土、电气石、硅藻土、杭锦2#土等矿物资源分别与丙烯酰胺-co-丙烯酸共聚型吸水树脂复合。对各种矿物资源的添加比例对吸水树脂的吸水倍率、吸水速率、失水速率、土壤蒸腾作用各项性能的影响进行了研究，并分别进行了植物生长试验，得到了添加比例为15%杭锦
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2土的吸水树脂具有最佳吸水性能，添加膨润土后的吸水树脂对植物生长具有最好影响。
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关键词：膨润土；电气石；硅藻土；杭锦2土；黑麦草；高吸水树脂；水溶液聚合
高吸水性树脂是一种功能高分子材料，它可吸收自身重量几十倍乃至几千倍的水，且在加压下也不脱水。因其优良的吸水和保水性能，在农业、医药、石油化工等行业得到了广泛应用，并越来越受到人们的关注，如高吸水性树脂用于沙漠地区，是恢复地表植被的良好措施之一。但如何因地制宜地利用当地的矿产资源合成吸水性能良好、价格低廉的吸水树脂是目前应该解决的课题之一。本文采用膨润土、硅藻土、电气石和杭锦2土等矿产资源分别和丙烯酸、丙烯酰胺（AM）聚合，通过其在聚合体系中占单体比例的不同，得到了吸水性能最佳的添加比例，并进行了植物生长试验，得到最利于植物生长的矿物纤维复合吸水树脂配方。
1 实验 1.1 原材料
丙烯酰胺，分析纯，天津市瑞金特化学品有 基金项目：天津市高等学校科技发展基金(0211102)。 作者简介：赵鹏，男，23岁，环境工程专业硕士研 究生，研究方向：环境材料。
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[1]
限公司产品；丙烯酸，分析纯，天津市登峰化学 试剂厂产品；钠基膨润土，辽宁省彰武县出品；改性杭锦2土，内蒙古杭锦旗出品；电气石，市 售；硅藻土，市售；（以上四种矿物资源细度均为200目）；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，分析纯，天津市大茂化学试剂厂产品；过硫酸钾，分析纯，天津市化学试剂研究所产品；氢氧化钠，分析纯，天津市天大化工实验厂产品。 1.2 高吸水树脂的合成
以NaOH 中和丙烯酸，加入一定量的单体AM，引发剂过硫酸钾、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，分别加入上述几种矿物材料进行水溶液聚合，聚合产品经干燥，造粒得固体颗粒产品。 1.3 性能测定
1.3.1 吸液倍率的测定
取0.5 g 干树脂放入500 mL 的烧杯中，然后加入去离子水，使树脂吸水至恒重，用医用纱布滤去多余水，称量，按下式计算吸水复合材料的。 平衡吸液倍数（Q ）
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4 《橡塑资源利用》 2006.No1
Q =(G2-G 1)/G1
式中 G1—干树脂质量，g；
图
1 矿物资源质量分数对树脂吸水倍率的影响
G 2—吸水凝胶质量，g。
1.3.2 吸水速率的测定
将0.5 g干树脂置于装有去离子水的500 mL烧杯中，每隔一段时间取出称量，以吸水倍率对时间作图。
1.3.3 保水性能的测定
将吸水达到饱和的树脂凝胶置于表面皿内，在烘箱温度为30 ℃并通风的条件下，每隔一段时间，称出失水重量并计算其占最大吸水量的百分数，并对时间作图。树脂保水性能还与温度及吸水树脂的颗粒大小有关，本实验在相同条件下测定其失水速率。 1.3.4 出苗率
将100粒黑麦草籽分别播种于混有不同吸水树脂的土壤中，树脂重量占土壤总重量的5％，加入70 ml水，观察其出苗情况。 1.3.5 土壤蒸腾失水性能
在自然通风的条件下定时称量土壤重量，对时间作图。
2 结果与讨论
2.1 矿物资源对树脂吸水倍率的影响
如图1所示添加15％杭锦2土于吸水树脂时
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图2 添加不同比例膨润土后对树脂吸水速率的影响
2.2.2 硅藻土
如图3所示，随着时间的延长，材料的吸水量增加，其中硅藻土添加比例为15％的树脂吸水速率在本组内最快，在75 min时吸水倍率达到160倍。
图
3 添加不同比例硅藻土后对树脂吸水速率的影响
获得了最高吸水倍率。空白实验所得吸水倍率为305倍，杭锦2土添加量为15％时与吸水树脂有一定的协同作用。膨润土添加量为10％获得高吸水率，而添加量超过10％后吸水率急剧下降。电气石的添加比例对于吸水率的影响变化并不是很大，而硅藻土在添加量超过15％后吸水率会下降.
2.2 矿物资源对树脂吸水速率的影响 2.2.1 膨润土
由图2可知，膨润土添加比例为10％时的树脂初期吸水速率在本组内最快，基本在50分钟内达到吸水平衡。
[2]
2.2.3 电气石
如图4所示，添加不同比例的电气石后，树脂吸水速率基本相同，且吸水能力也变化不大，
2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 5 说明电气石本身对树脂的影响并不显著。
图4 添加不同比例电气石后对树脂吸水速率的影响
2.3.3 电气石
如图8所示，除添加电气石比例为10％的吸水树脂失水速率稍快外，本组内其他样品失水速
率基本相似。
图6 添加不同比例膨润土后对树脂失水速率的影响
2.2.4 杭锦2土
如图5所示，添加杭锦2土比例为15％的树
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7 添加不同比例硅藻土后对树脂失水速率的影响
脂吸水速率最快，50 min时吸水倍率达到饱和吸水率的84％，90 min时基本达到平衡。
图5 添加不同比例杭锦2＃土后对树脂吸水速率的影响
图8 添加不同比例电气石后对树脂失水速率的影响
2.3 矿物资源对树脂失水速率的影响 2.3.1 膨润土
由图6可知，当膨润土添加比例大于10％后，其失水速率明显加快，可能是由于膨润土于大分子网络中所占空间比例较大，影响了网络对水分子的束缚能力，从而导致失水较快。 2.3.2 硅藻土
如图7，添加硅藻土后的吸水树脂其失水速率总体相近，其中添加比例为20％的吸水树脂在25小时前失水速率较快，而在此之后失水速率变慢，可能是由于在树脂受电气石结晶影响网格空间较大间隙水失去较快，而硅藻土亲水性导致结合水失去较慢。
2.3.4 杭锦2土
由图9可知，添加比例为10%的杭锦2土在本组内失水速率较快，其他样品则失水速率相近。 2.4 矿物材料对含吸水树脂土壤蒸腾作用的影响
由图10,图11,图12,图13知，添加不同类
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6 《橡塑资源利用》 2006.No1 型吸水树脂后，土壤的蒸腾失水速率类似。
图9 添加不同比例杭锦2＃
土后对树脂失水速率的影响
达到20%以后可能是由于其生物电效应导致该
点出苗率高于同组其他。
图
12 添加电气石吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
[3]
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10 添加膨润土吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
图13 添加杭锦2＃土吸水树脂后对土壤的蒸腾
作用的影响
图
11 添加硅藻土吸水树脂后对土壤的蒸腾作用的影响
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14 吸水树脂对出苗率的影响曲线图
2.5 植物生长实验 2.5.1 出苗率
如图14所示，添加膨润土及杭锦2土的吸
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2.5.2 植物生长情况
黑麦草种植20天后的生长情况如表1。从表中可知添加了膨润土和电气石的吸水树脂对植物的生长作用要优于另外两种环境矿物质合成的吸水树脂。这可能是由于电气石的自发电极化效应
水树脂对在添加到土壤中后，其对黑麦草的出苗率影响最好，其中杭锦2土的添加比例在15%附近时植物的出苗率接近100%，而电气石在添加量
2006.NO.1 赵鹏等. 环境矿物资源对高分子吸水材料几种性能的影响 7 产生的负离子作用的效果。
丙烯酰胺，分析纯，天津市瑞金特化学品有
表1 植物生长情况表
矿物质添加比例 5％ 10％15％ 20％ 优 差 良 优
良 良 优 良
优 良 良 差
优 差 良 良
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不是最有利的，而电气石由于具有发射远红外线、释放负离子、持续发生直流静电、释放矿物质和微量元素等作用对植物生长是有利的，但添加比例比较大，成本高。
（3）添加不同矿物资源的吸水树脂对土壤的在常温常压蒸腾失水作用相近，差别不大。 参考文献
[1] 蒋文伟.高分子吸水树脂研究进展[J].化学世界
1996，38（1）：25～29.
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膨润土 硅藻土 电气石 杭锦2＃土
3 结论
（1）在吸水树脂合成中添加杭锦2土比例为15％的样品具有最大吸水倍率304倍。据分析，可能的原因是杭锦2土这种独特的矿物资源中的粘土成分不但增加了大分子三维网格的空间，而且其自身的微孔结构和表面的亲水基团也有利于水分子的扩散和蓄涵。
（2）通过植物生长实验与保水实验的比较发现，保水能力最强的吸水树脂对植物生长来说并
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[2] 万涛，何文琼等.反相悬浮聚合膨润土复合聚丙烯酸
钠-丙烯酰胺高吸水性树脂的研究[J].弹性体，2003，13（2）：8～12.
[3] 魏健，刘渝燕，张开永.电气石应用专属性研究[J].
非金属矿，2003，1(1)：34～36.
[4] Donnay G .Structure mechanism of pyroelectr-
icity in tourmaline[J].Acta Cryst ，1977，A33:927～932.
广 告 征 订 启 事
《橡塑资源利用》（原《天津橡胶》）是由天津市橡胶工业研究所主办的面向橡胶类生产企业、科研院所、大专院校的技术类刊物。本刊创刊于1970年，历史悠久，发行面广，影响范围大。是《中国期刊网》全文收录期刊，《万方数据——数字化期刊群》全文收录期刊。本刊为大16开，双月刊，国内公开发行，刊号为CN12-1350/TQ，广告经营许可证号为[1**********]93，是您宣传企业形象，推广新产品、新技术，扩大企业知名度，提高企业效益的媒介与窗口。
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电话：022-23787323 传真：022－23787322 E-mail: [email protected] 银行汇款：
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