PASP/SPP水凝胶溶胀性能的研究
2019-04-02王浩贺娇娇李志洪王丽
王浩,贺娇娇,李志洪,王丽
(内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院,内蒙古 呼和浩特 010018)
近年来,水资源短缺日趋加重,保水剂作为防治水土流失的一种化学措施应用前景广阔[1]。水凝胶是一种亲水但不溶于水的高分子聚合物,在水中迅速溶胀至平衡,并在一定条件下脱水退溶胀而仍能保持其原有形状[2-4]。沙柳是自然界中一种来源广泛并且可再生的资源,聚天冬氨酸是一种带有羧基侧链的聚氨基酸[5-6],含有的高密度羧基,使其在保水剂方面拥有巨大的潜力[7]。迄今为止,就我们所知,PASP/SPP水凝胶溶胀性能的研究在国内外还鲜见报道。因此,本文采用水溶液聚合法合成PASP/SPP水凝胶,研究溶胀条件对水凝胶溶胀性能的影响。
1 实验部分
1.1 材料与仪器
沙柳,采购于内蒙古鄂尔多斯新街治沙站,粉碎,过200目筛;KMnO4、聚天冬氨酸、戊二醛、六次甲基四胺、硝酸均为分析纯。
RHP-400高速多功能粉碎机;HH-4数显恒温水浴锅;SHB-111循环水式多用真空泵;SHA-C数显水浴恒温振荡器;Tensor 27 Fourier红外变换光谱仪;XRD-6000 X射线衍射仪;6701F扫描电镜。
1.2 PASP/SPP水凝胶的制备
将1.0 g沙柳木粉加入到三口烧瓶中,加入50 mL 浓度0.06 mol/L的KMnO4溶液,在50 ℃下水浴加热15 min。加入20 mL蒸馏水,15 g聚天冬氨酸和1 g戊二醛,在70 ℃下水浴加热3.5 h。
1.3 溶胀实验
将0.1 g水凝胶置于50 mL蒸馏水中,溶胀温度30 ℃,溶液pH值5.5,溶胀时间60 min,离子强度0,记录溶胀平衡时水凝胶的质量,计算溶胀比。
式中SR——水凝胶的溶胀比;
Wt——水凝胶溶胀平衡时的质量,g;
W0——水凝胶溶胀前的质量,g。
2 结果与讨论
2.1 溶胀条件对PASP/SPP水凝胶溶胀性能的影响
2.1.1 溶胀时间 当溶胀温度为30 ℃、溶液pH值为5.5、离子强度为0时,进行不同溶胀时间下的实验,结果见图1。
图1 溶胀时间对PASP/SPP水凝胶溶胀性能的影响Fig.1 Effect of swelling time on the swelling property of PASP/SPP hydrogel
由图1可知,溶胀60 min时,溶胀比达到最大,为7.2。刚开始水凝胶网络结构未完全打开,溶胀比较小。随着溶胀时间的延长,水分子与水凝胶中的 —OH、—COOH水合作用加快,渗透压增大,有利于水分子与吸附位点结合。而且,由于水凝胶内部网络间的 —COO— 静电排斥作用,使网络扩张,从而导致溶胀比逐渐增大。继续延长溶胀时间,吸附位点逐渐减少,渗透压差逐渐降低,静电斥力逐渐减小,溶胀比反而开始下降[8]。所以,溶胀时间选择60 min比较合理。
2.1.2 溶胀温度 当溶胀时间为60 min、溶液pH值为5.5、离子强度为0时,进行不同溶胀温度下的实验,结果见图2。
图2 溶胀温度对PASP/SPP水凝胶溶胀性能的影响Fig.2 Effect of swelling temperature on the swelling property of PASP/SPP hydrogel
由图2可知,溶胀温度在30 ℃时,溶胀比达到最大,为7.2。在温度低于30 ℃时,水凝胶中亲水基团和水分子之间形成氢键,这些氢键在疏水基团的周围形成了稳定的水合层,此时水凝胶具有较大的溶胀比[9]。随着溶胀温度的升高,水凝胶的疏水键作用进一步增强,网络逐渐收缩,导致水凝胶溶胀比不断下降[10]。所以,溶胀温度选择30 ℃比较合理。
2.1.3 溶液pH值 当溶胀时间为60 min、溶胀温度为30 ℃、离子强度为0时,进行不同溶液pH值下的实验,结果见图3。
图3 溶液pH值对PASP/SPP水凝胶溶胀性能的影响Fig.3 Effect of solution pH on the swelling property of PASP/SPP hydrogel
由图3可知,溶液pH值在5.5时,溶胀比达到最大,为7.2。当溶液pH值为3.5时,氨基与羧基发生离子键合,形成难溶胀的紧密结构,溶胀比最低。在强碱性条件下,由于静电排斥作用,导致水凝胶溶胀比不断下降[11]。所以,溶液pH值选择5.5比较合理。
2.1.4 离子强度 当溶胀时间为60 min、溶胀温度为30 ℃、溶液pH值为5.5时,进行不同离子强度下的实验,结果见图4。
图4 离子强度对PASP/SPP水凝胶溶胀性能的影响Fig.4 Effect of ionic strength on the swelling property of PASP/SPP hydrogel
由图4可知,离子强度在0时,溶胀比达到最大,为7.2。这是因为Na+对 —COOH产生屏蔽作用,随着Na+浓度的增大,渗透压差减小,同时Na+与 —COOH反应生成分子间和分子内络合物,从而减少了阴离子之间存在的静电斥力,导致溶胀比减小[12]。
2.2 PASP/SPP水凝胶的FTIR分析
沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)(制备方法同1.2节)的红外谱图见图5。
图5 沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)的红外谱图Fig.5 FTIR spectra of salix psammophila (a) and PASP/SPP hydrogel (b)
2.3 PASP/SPP水凝胶的XRD分析
沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)(制备方法同1.2节)的XRD谱图见图6。
图6 沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)的XRD谱图Fig.6 XRD patterns of salix psammophila (a) and PASP/SPP hydrogel (b)
由图6可知,在2θ=16.12°和22.6°处为SPP的衍射特征峰,PASP/SPP在2θ=16.12°和22.6°处的衍射特征峰明显减弱[14]。说明PASP的加入破坏了SPP的有序性,使结晶度降低,形成了PASP/SPP水凝胶,这与红外的结果分析相一致。
2.4 PASP/SPP水凝胶的SEM分析
沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)(制备方法同1.2节)的SEM谱图见图7。
图7 沙柳木粉(a)和PASP/SPP水凝胶(b)的SEM谱图Fig.7 SEM patterns of salix psammophila (a) and PASP/SPP hydrogel (b)
由图7可知,沙柳木粉表面致密,无孔;PASP/SPP水凝胶表面疏松,有不同大小的孔洞结构。结果表明,PASP与SPP发生交联作用,形成网络状的水凝胶,这种表面结构有利于水分子渗透到水凝胶中,进而提高水凝胶的溶胀性能。
3 结论
采用水溶液聚合法制备聚天冬氨酸/沙柳木粉(PASP/SPP)水凝胶,FTIR和XRD显示,PASP上的 —COOR与沙柳木粉上的O—H发生接枝共聚反应,并形成PASP/SPP水凝胶;SEM显示其表面疏松,有大小不等的孔隙,有利于提高水凝胶的溶胀性能。当溶胀时间为60 min,溶胀温度为30 ℃,溶液pH值为5.5,离子强度为0时,PASP/SPP水凝胶的溶胀比达到最大,为7.2。