麥秸稈基高吸水性樹(shù)脂的制備及性能研究

秦傳高，包聘成，王通震，徐秋軍

（1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化工學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.江蘇智慧生態(tài)環(huán)境檢測(cè)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

高吸水性樹(shù)脂是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、并含有-COOH、-OH等親水基團(tuán)的大分子聚合物，主要是用含有雙鍵結(jié)構(gòu)的親水性單體進(jìn)行聚合來(lái)制備。高吸水性樹(shù)脂具有很強(qiáng)的吸水性能，在衛(wèi)生用品、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-2]。當(dāng)前，用纖維素接枝親水性單體是研究的熱點(diǎn)[3]。麥秸稈是常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物，利用麥秸稈中的纖維素制備高吸水樹(shù)脂，符合變廢為寶的環(huán)保理念，可為農(nóng)作物秸稈的資源化利用提供一條新的路徑。

本文以農(nóng)作物小麥秸稈為原料，經(jīng)氫氧化鈉和硝酸處理制得麥秸桿纖維素后，再與丙烯酸共聚，制備了保水性能良好的高吸水樹(shù)脂。實(shí)驗(yàn)考察了合成樹(shù)脂吸液率的影響因素，并使用掃描電鏡和紅外光譜，對(duì)合成樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

丙烯酸、過(guò)硫酸鉀、硝酸、氫氧化鈉、氯化鈉，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（均為分析純）。小麥秸稈粉。

DF-101S型集熱磁力攪拌器，DHG-9030A型干燥箱，Nicolet380型紅外光譜儀，S-3400N型掃描電鏡，F(xiàn)A324C型電子天平。

1.2 麥秸稈纖維素的制備

稱取10g小麥秸稈粉于燒杯中，加入20%的NaOH溶液100mL，于80℃下蒸煮2h，過(guò)濾洗滌多次至中性后，再加入1mol·L-1硝酸100mL，酸解1h后，用去離子水多次洗滌至中性，90℃干燥8h，即得到麥秸稈纖維素[4]。

1.3 高吸水性樹(shù)脂的制備

將燒杯放在集熱磁力攪拌器中，加入一定量的麥秸稈纖維素和去離子水，攪拌10min后，再依次加入有一定中和度的丙烯酸單體、引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀和交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，在一定溫度下反應(yīng)完畢后，干燥得到產(chǎn)品。

1.4 吸液倍率的測(cè)試

稱取一定量的合成樹(shù)脂于燒杯中，室溫下分別加入過(guò)量的去離子水、自來(lái)水和0.9% NaCl溶液，靜置24h后，用0.15mm篩過(guò)濾溶脹后的樹(shù)脂樣品，直至無(wú)水滴漏出。稱量吸水后樹(shù)脂的質(zhì)量，吸液率的計(jì)算公式為[5-6]：

式中，m1、m2分別為樹(shù)脂吸液前后的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯酸的中和度對(duì)吸液率的影響

圖1是丙烯酸中和度對(duì)吸液率的影響。由圖1可知，丙烯酸的中和度為80%時(shí)，合成樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率均達(dá)到最大值，分 別 為240.4g·g-1、174.6 g·g-1和28.4g·g-1。中和度較低時(shí)，聚合體系的酸性大，易發(fā)生副反應(yīng)，使得單體的聚合轉(zhuǎn)化率降低，同時(shí)聚合物的滲透壓減小，導(dǎo)致吸液率較低；中和度較高時(shí)，體系酸性變?nèi)酰磻?yīng)活性降低，吸液率也隨之下降[7]。

圖1 丙烯酸的中和度對(duì)吸液率的影響

2.2 丙烯酸用量對(duì)吸液率的影響

圖2是丙烯酸用量對(duì)吸液率的影響。由圖2可知，隨著丙烯酸的用量增加，樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率先增大后降低。丙烯酸單體與纖維素的質(zhì)量比為7∶1時(shí)，樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率均達(dá)到最大值，分別為243.7g·g-1、169.2 g·g-1和28.3g·g-1。隨 著 丙烯酸的用量增加，親水基團(tuán)羧基的數(shù)量增多，合成樹(shù)脂的吸液率增加；但丙烯酸用量過(guò)大時(shí)，聚合物的纖維素骨架較少，阻礙了單體聚合反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，因此降低了合成樹(shù)脂的吸液率[8]。

圖2 丙烯酸用量對(duì)吸液率的影響

2.3 引發(fā)劑用量對(duì)吸液率的影響

圖3是引發(fā)劑用量對(duì)吸液率的影響。由圖3可知，引發(fā)劑用量為單體質(zhì)量的2%時(shí)，樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率均達(dá)到最大值，分別 為285.6g·g-1、161.5 g·g-1和31.4g·g-1。引 發(fā)劑用量少時(shí)，體系中的自由基少，聚合反應(yīng)速率降低，聚合度減少，影響了樹(shù)脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而降低了樹(shù)脂的吸液率；引發(fā)劑用量增多時(shí)，聚合反應(yīng)速率增大，易產(chǎn)生短鏈高聚物，也會(huì)影響樹(shù)脂的吸液率[9]。

圖3 引發(fā)劑用量對(duì)吸液率的影響

2.4 交聯(lián)劑用量對(duì)吸液率的影響

圖4是交聯(lián)劑用量對(duì)吸液率的影響。由圖4可知，交聯(lián)劑用量為0.4%時(shí)，樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率均達(dá)到最大值，分別為322.7g·g-1、167.2 g·g-1和30.6g·g-1。交聯(lián)劑用量較少時(shí)，纖維素與丙烯酸共聚后易形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸液率逐漸增大；交聯(lián)劑用量過(guò)多時(shí)，聚合物的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得緊密，導(dǎo)致伸縮空間變小，吸液能力隨之降低。

圖4 交聯(lián)劑用量對(duì)吸液率的影響

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)吸液率的影響

圖5是反應(yīng)溫度對(duì)吸液率的影響。由圖5可知，聚合反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率均達(dá)到最大值。聚合反應(yīng)溫度在臨界溫度以下時(shí)，提高反應(yīng)溫度，可增大聚合反應(yīng)速率，使反應(yīng)進(jìn)行得更充分，聚合物的性能更穩(wěn)定；聚合溫度過(guò)高時(shí)易發(fā)生暴聚，副反應(yīng)增多，導(dǎo)致聚合物的吸液性能下降[10-11]。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)吸液率的影響

2.6 樹(shù)脂的保水率

在 20℃下，對(duì)在最優(yōu)工藝條件下合成的樹(shù)脂，進(jìn)行保水率的測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，第1天，合成樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率，分別為322.7g·g-1、167.2 g·g-1和30.6g·g-1；第7天，合成樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率，分別為270.5g·g-1、135.2g·g-1和17.6g·g-1。合成樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的7d保水率，分別為83.8%、80.9%和57.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成樹(shù)脂對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水，均具有較好的保水率。

圖6 合成樹(shù)脂的保水率測(cè)定結(jié)果

2.7 產(chǎn)品表征

2.7.1 掃描電鏡圖

圖7是麥秸稈、麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂的掃描電鏡圖。由圖7可見(jiàn)，麥秸稈的表面較粗糙，大小不一，多數(shù)為長(zhǎng)條狀的多孔結(jié)構(gòu)。預(yù)處理后的麥秸稈纖維素的表面平整光滑，呈細(xì)長(zhǎng)的卷曲狀態(tài)，部分團(tuán)聚在一起，纖維素之間有空隙。合成樹(shù)脂為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維素均勻嵌入聚合物中，表明麥秸稈纖維素與丙烯酸發(fā)生了接枝共聚反應(yīng)，生成了具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物，提高了吸液性能[12]。

圖7 麥秸稈、麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂的掃描電鏡圖

2.7.2 紅外光譜圖

圖8是麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂的紅外光譜圖。由圖8可以看出，麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂分別在1056 cm-1和974 cm-1處有吸收峰，對(duì)應(yīng)C-O-C的伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明纖維素和合成樹(shù)脂中都含有醚基。麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂的光譜圖中，在3413cm-1和3441cm-1處的吸收峰，為-OH的伸縮振動(dòng)峰[13-14]，表明纖維素和合成樹(shù)脂均具有吸水性。1689cm-1是-CONH2中C=O的伸縮振動(dòng)峰，表明丙烯酸與麥秸稈纖維素發(fā)生了共聚反應(yīng)，同時(shí)交聯(lián)劑也接枝到了聚合物中[15]。

圖8 麥秸稈纖維素和高吸水樹(shù)脂的紅外光譜圖

3 結(jié)論

1）在丙烯酸的中和度為80%，單體與纖維素的質(zhì)量比為7∶1，引發(fā)劑用量為2.0%，交聯(lián)劑用量為0.40%，聚合溫度為70℃的條件下，所合成樹(shù)脂的吸液率最佳，對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的吸液率，分別為322.7g·g-1、167.2 g·g-1和30.6g·g-1。

2）在最優(yōu)工藝條件下制備的樹(shù)脂，對(duì)去離子水、自來(lái)水和0.9%鹽水的7d保水率分別為83.8%、80.9%和57.5.%，表明合成樹(shù)脂具有較高的保水性。從掃描電鏡圖和紅外光譜圖可以看出，麥秸稈纖維素與丙烯酸發(fā)生了共聚反應(yīng)，制備的樹(shù)脂有良好的吸液性能。