卡波姆的水溶胀性主要取决于聚合物的交联密度,如果交联密度过高,会导致水分子无法顺利地扩散进入聚合物颗粒的内部,卡波姆无法完全溶胀,不能均匀地分散在水中,甚至产生分层;如果交联密度过低,虽然其水溶胀性极佳,但却降低了其凝胶强度,致使增稠效果下降。此外,卡波姆的透光率也与其水溶胀性密切相关,一般其水溶胀性越好,透光率越高。对于交联密度的高低,一般通过测定卡波姆的吸水率来进行衡量。一般吸水率越高,交联密度越低。
(图1)交联剂用量对卡波姆水溶胀性的影响
交联剂用量对卡波姆水溶胀性影响的宏观表现
从图1可以看出,随着交联剂用量的增加,润湿时间逐渐增加,透光率逐渐下降,吸水率逐渐下降,卡波姆在水中的分散性下降。这主要是由于随着交联剂用量的增加,使得聚合物的交联密度逐渐增大,凝胶网络变得紧密。尤其是当交联剂用量增加到2.0%时,润湿时间明显增加,透光率大幅下降,吸水率明显降低,并且无法在水中完全溶胀,产生沉淀。这是由于分子链间交联密度的增加,使得聚合物分子链的运动受到的束缚性增加,无法在水分子的作用下舒展开,并且形成一个壁垒,阻碍水分子扩散进入颗粒内部。
(图2)不同交联剂用量下卡波姆在水中溶胀后的图:(a)0. 8 % (b)1. 2% (c)2. 0%
交联剂用量对卡波姆水溶胀性影响的微观表现
为了进一步佐证上述结果,本实验首先将样品在水中溶胀,然后将样品溶液冻干,保持其在水中的形态,然后通过扫描电镜观察其微观结构,结果如图2 所示。
通过 SEM 图可以清晰直观地看到,随着交联剂用量的增加,卡波姆聚合物的交联密度逐渐增加。当交联剂用量为0.8%时,只是形成了近似一维的网络结构,因此其很容易在水分子的作用下溶胀分散;当交联剂用量增加到1.2%时,形成了体型的凝胶网络,水分子要想扩散到颗粒内部,需要更多的时间,但是其凝胶网络仍处于疏松状,因此在水中具有很好的溶胀性;当交联剂用量增加到2.0%时,由于交联密度的增加,使得聚合物分子链过于靠近,致使聚合物内部交联成一体,形成了一层膜,它严重地阻碍了水分子扩散进入颗粒内部,导致颗粒无法溶胀,最后形成沉淀。
随着交联剂用量的增加,卡波姆水凝胶的交联密度逐渐增加,当交联剂用量达到2. 0%时,卡波姆水凝胶无法在水中完全溶胀,产生沉淀。因此,要使卡波姆有较短的润湿时间、较高的吸水率,必须控制交联剂的用量,从而控制卡波姆的交联密度。