所吸收的水即使在较高压力下也不会溢出的一种新型的功能高分子聚合物。与传统的吸水材料(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。其吸水机理如下：当高分子遇见水时，先是表面亲水基团NH2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的离子——Na+ 水解成可移动的离子，这样高分子网络内和外部水间产生了离子浓度差，从而产生了内外的渗透压，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-NH2 和—C=O形成氢键，于是进一步有基团的水解和渗透压差，所以水源源不断进入高吸水性树脂网络。因此吸水过程包含了三个部分：氢键形成、水解、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伸展开，吸水率达到最大；另一是当高分子网络内外的渗透压相等时，树脂也停止溶胀达到吸水平衡。

三、仪器与药品

高速搅拌机 1台 分析天平 1台 恒温水箱 1台 玻璃烧杯 （80 mL） 8个 （200mL） 4个 吸管 4支 量筒 （100 mL）1只

玻璃棒 丙烯酰胺单体（AM） N，N-亚甲基双丙烯酰胺 亚硫酸氢钠 过硫酸钾 无水碳酸钠 天然钠基膨润土

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四、制备方法

1、用电子天平准确称量不同质量（见表1）的天然钠基膨润土，分别置于4个200 mL烧杯中，分别称取占粘土10%的无水碳酸钠和量取150 mL蒸馏水于烧杯中，搅拌至无大的团聚颗粒。 2、用搅拌机将上述悬浮液分散3—5分钟。

3、用分析天平称取（如表1）的同质量的丙烯酰胺单体（AM），并溶于粘土悬浮液中，再用搅拌机分散1—2分钟。

4、用分析天平称取（如表1）的不同质量的交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺于4只80mL烧杯中，用少量水溶解，并加入到分散的粘土悬浮液中。

5、用分析天平称取（如表1）的不同质量的引发剂过硫酸钾、亚硫酸氢钠于4只80mL烧杯中，用少量水溶解，待用。

6、将粘土悬浮液放入45℃恒温水浴箱中预热，预热时用玻璃棒搅拌，使之受热均匀,使粘土悬浮液达到45℃左右。

7、缓慢加入引发剂（边加边搅拌），加完后继续搅拌1—2分钟，静置。

8、待成胶后，取出，用清水洗去未反应完全的丙烯酰胺单体（AM）和未包覆的粘土颗粒。 9、用小刀将聚合物胶块切割成0.5～1.0cm见方的小块，放入80～120℃的烘箱中，干燥8～10小时。 10、将干燥后的样品粉粹、筛分，留备性能评价。

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表 1 实验药品加量表 药品 样品 1 2 3 4 五、性能评价 1、外观

目测干燥前后成品的颜色和形状。 2、吸水倍数的测定

称取样品5 g ，称准至0.01 g ，放入已装入200 mL蒸馏水的200 mL烧杯中，浸泡24小时。24小时后，从烧杯中取出样品，放在滤纸上吸去表面的水分，然后称其质量m , 称准至0.01g。吸水倍率N按下公式计算：

N = (m – 5.00)∕5.00

3、强度和韧性的观测

将干燥前的聚合物胶块用力拉伸，观察其弹塑性变化。 将测定完吸水倍数的凝胶碎块用力碾压，观察其弹塑性变化。 六、思考题 1. 2. 3.

吸水聚合物中为什么要加入无机纳米粒子?

结合你所了解的矿物材料，谈谈不同类别的无机填充粒子在吸水聚合物中所起的作用会有何不同?

结合所学过的有关聚合物知识，谈谈如何改善无机纳米粒子填充的聚合物吸水材料吸水膨胀后形成的凝胶材料的韧性？

天然钠基 膨润土(ml) 41.67 71.67 110.83 166.67 丙烯酰胺（AM）(g) 20 20 20 20 N，N-亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）(g) 0.008 0.01 0.006 0.006 ，亚硫酸氢钠∕过硫酸钾（引发剂）(g) 0.06/0.12 0.04/0.08 0.02/0.04 0.04/0.10

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实验三、13X沸石对废水中总硬度的吸附实验

一、实验目的

1、学习并掌握吸附试验方法。 2、

二、仪器及药品

空气浴振荡器，烘箱、分析天平、100 mL磨口三角瓶，研钵，滤纸，漏斗，移液管。 13X沸石，钙离子储备液。

三、实验原理

13X沸石是人工合成的沸石分子筛。沸石分子筛是一类重要的无机微孔材料，具有优异的择形催化、酸碱催化、吸附分离和离子交换能力，在许多工业过程包括催化、吸附和离子交换等有广泛的应用。沸石分子筛的基本骨架元素是硅、铝及与其配位的氧原子，基本结构单元为硅氧四面体和铝氧四面体，四面体可以按照不同的组合方式相连，构筑成各式各样的沸石分子筛骨架结构。

?笼和β笼是A、X和Y型分子筛晶体结构的基础。A型分子筛属立方晶系。将β笼置于立方体的八个顶点，用四元环相互连接，围成一个?笼，?笼之间可通过八元环三维相通，八元环是A型分子筛的主窗口。NaA（钠型）平均孔径为4 ?，称为4A分子筛，离子交换为钙型后，孔径增大至约5 ?，而钾型的孔径约为3 ?。X型和Y型分子筛具有相同的骨架结构，区别在于骨架硅铝比例的不同，习惯上，把SiO/AlO比等于2.2～3.0的称为X型分子筛，而大于3.0的叫做Y型分子筛。类

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似金刚石晶体结构，用β笼替代金刚石结构中的碳原子，相邻的β笼通过一个六方柱笼相接，形成一个超笼，即八面沸石笼，由多个八面沸石笼相接而形成X、Y型分子筛晶体的骨架结构；十二元环是X型和Y型分子筛的主孔道，窗口最大有效直径为8.0 ?。阳离子的种类对孔道直径有一定影响，如称作13X型分子筛的NaX，平均孔径为9～10 ?，

由于13X型分子筛具有一定的孔径，具有很强的吸附和离子交换性能，因而可以在水处理方面应用，用来吸附特定离子。

四、实验步骤

1、吸附动力学实验

（1）称取13X沸石0.12 g，分别倒入8个100 mL磨口三角瓶中，再分别加入一定量的钙离子储备液于三角瓶中，加水至40 mL，使初始总硬度为500mg/ml。

（2）将三角瓶放入恒温振荡器中，室温下振荡，振荡速度为170转/分。

（3）分别间隔5、10、15、20、25、30、35、40分钟取出一个三角瓶立即测定PH值，随后将混浊液过滤，取10.00 mL滤液进行总硬度测定。绘制c-t曲线，依据测定结果确定反应达平衡的时间。 2、PH值对吸附过程的影响

（1）称取13X沸石0.12g，分别倒入8个100 mL磨口三角瓶中，再分别加入一定量的钙离子储备液于三角瓶中，加水至40 mL，使初始总硬度为500mg/mL。 （2）调节溶液的PH值分别为3、5、7、9。

（3）将三角瓶放入恒温振荡器中，室温下振荡，振荡速度为170转/分，振荡时间为平衡时间，在平衡时间处取出三角瓶立即测定PH值，随后将混浊液过滤，取10.00 mL滤液进行总硬度的测定。 3、吸附等温线的绘制

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（1）分别称取13X沸石0.12 g，分别倒入8个100 mL磨口三角瓶中，再分别加入一定量的钙离子储备液于三角瓶中，加水至60 mL，使初始总硬度为50、100、200、400、600、800、1000、1200 mg/mL。 （2）将三角瓶放入恒温振荡器中，室温下振荡，振荡速度为170转/分。振荡时间为平衡时间，在平衡时间处取出三角瓶立即测定PH值，随后将混浊液过滤，取10.00 mL滤液进行总硬度的测定。 （3）绘制吸附等温线

以平衡浓度为横坐标，以吸附量为纵坐标，绘制吸附等温线。

吸附量的计算方法为：吸附量（mg/g）=（初始浓度-平衡浓度）/沸石浓度 4.总硬度的测定方法

（1）用移液管移取澄清水样25 mL于250 mL的锥形瓶中，加入10 mL三乙醇胺，10 mL氨性缓冲液和1-2滴铬黑T指示剂，摇匀后用EDTA标准溶液滴定由紫红色变为兰紫，即为终点。 （2）钙镁的滴定

用移液管移取澄清水样25 mL于250 mL的锥形瓶中，加入25 mL蒸馏水，4 mL 20%NaOH溶液，钙黄绿素指示剂。摇匀后用EDTA标准溶液滴定到溶液由绿色变为粉红色，即为终点。

实验四、碳酸钙粉体表面改性表面改性研究

一．实验目的

1. 了解无机材料表面改性的方法。 2. 掌握无机材料表面改性后材料的性质。 二．实验原理和意义

很多非金属矿粉体材料,尤其是石英粉、粘土矿粉、滑石、云母、硅灰石等天然非金属矿粉体材料,是橡胶、塑料工业的重要填料。在橡胶、塑料基体中,加入上述非金属矿粉体填料后形成的复合材料,其力学性能在很大程度上受填料和橡胶、塑料基体两相间应力传递的控制。这种传递要通过两相的界面,因而界面性质会影响复合材料的性质。复合材料的破坏往往是从弱的界面处开始的,提高界面间的粘结强度是提高复合材料强度的关键。无机非金属矿物填料与橡胶、塑料基体是两种性质上完全不同的材料,它们之间存在着很大程度上的不相容性。直接使用这些矿物粉体作填料,其界面间易产生剪切应力,最终影响复合材料的性能。因此,作橡胶、塑料填料的非金属矿粉体,通常需要对其进行表面改性处理。而石英粉及硅酸盐类矿物粉体最适合的改性剂,通常用硅烷类偶联剂。这类改性剂实质上是一类具有有机基团的硅烷,可用通式表示为:Ｙ(ＣＨ2)ｎＳｉＸ,其中ｎ=0～3,Ｘ为可水解性基团,通常是甲氧基、乙氧基、乙酰氧基等。这些基团水解时即形成硅醇,与硅酸盐类无机质结合形成硅氧烷。Ｙ是乙酰基、氨基、环氧基、脲基等有机基

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团,这些有机基团可与有机物质反应而结合。石英粉及硅酸盐矿物粉体与硅烷类偶联剂,在一定条件下能发生反应形成有机复合体。将这种复合体作为填料加入到有机基体材料中时,其中的硅烷偶联剂将在无机物质和有机物质的界面间架起“分子桥”,把两种性质悬殊的材料连接在一起,能起到提高复合材料的性能和增加粘结强度的作用。关于偶联剂的作用机理有多种理论,如化学键理论、表面浸润理论、变形层理论等,但至今还没有一种理论能够解释所有的事实。其中化学键理论是最老但仍然是最著名的理论。该理论认为:硅烷偶联剂含有化学官能团,它的一端能与玻璃或硅酸盐表面的硅醇基团反应生成共价键,另一端又能与树脂等有机物生成共价键。硅烷类偶联剂与硅酸盐无机材料之间的作用,在不同的处理条件下,偶联剂分子可以与无机材料发生覆盖、吸附和化学键合作用。其中只有当其与无机材料发生化学键合作用时,对无机材料才具有最好的改性效果。作为橡胶、塑料填料时才能显著地改善橡胶、塑料制品的力学性能、电学性能和抗老化性能。偶联剂分子与无机材料的结合方式,主要取决于无机材料的表面活性、改性处理温度以及硅烷类偶联剂水解液的ｐＨ值等。因此,本实验就用硅烷类偶联剂对碳酸钙进行表面改性的改性方法,考察改性后无机材料的性质。 三．实验方法 1 原料及处理

1.1 碳酸钙 经磨细后在105℃下干燥至恒重备用,其粒度分布见表1。

1.2 硅烷偶联剂 ＫＨ550,结构式为:Ｈ2ＮＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ(ＯＣ2Ｈ5)3(γ 氨丙基三乙氧基硅烷)。ＫＨ560,结构式为:ＣＨ2ＣＨＣＨ2Ｏ(ＣＨ2)3Ｓｉ(ＯＣＨ3)3(γ 缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷)。用pＨ=5的乙醇水溶液,将上述两种偶联剂分别制成5%浓度的水溶液,让其水解后再加入到样品中。 2 改性方法

用硅烷类偶联剂对石英及粘土类粉体材料的改性方法,有溶剂共回流法、水解偶联剂法、直混法等。本试验采用水解偶联剂法,即在样品中加入一定量的偶联剂水解液,然后在乳钵中充分研磨30min后,在室温下晾干。对于用ＫＨ 560处理的样品,再在100℃下恒温1ｈ,然后作红外吸收光谱分析;用ＫＨ 550处理的样品,分别在40、60、80、100、120℃恒温0.5ｈ取出,待冷却后,称取定量样品分别装入各试管。在各试管中分别加入一定量(10ｍｌ)无水乙醇萃取液,用手振荡试管30min后,经离心分离,取上层清液,在其中加

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