无机纳米粒子填充的聚合物吸水材料制备：实验原理

吸水材料，特别是高吸水材料，是一类具有应用价值的功能材料。在植物种子胞衣、土壤保湿、医药卫生、环境保护、建筑材料等方面，吸水材料具有独特的作用。通过复合化、功能化改善材料的性能，不仅可以降低材料成本，而且有利于提高功效，开发新材料。本实验主要用无机非金属纳米粒子作为填充剂，制备具有良好性价比的高吸水材料。

1.反应机理

丙烯酰胺分子中有共轭体系结构，由于羰基吸电子能力很强，使C═O上的电子云的密度降低，因此很容易在C═O上进行自由基型和离子型的连锁加聚反应。当杂交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺存在时，聚合反应与交联反应同时进行，生成具有网状结构的高黏聚合物，反应式如图12-1所示。

当反应在高分散的黏土悬浮液中进行时，聚合物就会把数量级为纳米级的黏土粒子包覆在网状结构的空隙中，形成一种具有较好强度和吸水性能的无机—有机复合材料。

2.吸水原理

通过水合作用，此类材料能够迅速吸收超过自重十几倍乃至上千倍的液态水而呈凝胶状，且保水性好。所吸收的水即使在高压下也不会溢出。该材料是一种新型的功能高分子聚合材料。与传统的吸水性材料（如纸、棉、海绵等）相比，高吸水性树脂具有吸水容量大、吸水速度快、保水能力强等优越性能。

此类材料的吸水机理：当高分子与水相遇时，表面亲水基团—NH ₂ 和水分子进行水合作用，形成氢键，这部分水是结合水。高分子网束随之扩展，钠基膨润土中的亲水性离子Na ⁺ 水解成可移动的离子，这样高分子网束内和外部水间产生了离子浓度差，从而产生了内外渗透压。在渗透压的作用下，水分子向高分子网络中渗透，渗透进入网络的是自由水；同时，自由水又与内部亲水基团—NH ₂ 和—C═O形成氢键，于是进一步产生基团的水解和渗透压差。因此，水源源不断地进入高吸水性树脂网络。吸水过程包含三个部分：氢键的形成、水解和渗透压差引起的扩散。溶胀过程在两种情况下达到平衡：一是高分子网络全部展开，吸水率达到最大；二是当高分子网络内外的渗透压相等时，网络停止溶胀，达到吸水平衡。