淀粉基绿色吸水性树脂的制备及抑尘性能
2021-12-02吴瑞红孙会娟周晓霞彭璐露刘兆
吴瑞红，孙会娟，周晓霞，彭璐露，刘兆
（衡水学院应用化学系，河北衡水053000）
近年来沙尘天气在一些地区较频繁出现，既造成了严重的环境污染，又给人民的生产、生活带来不便[1]。淀粉基高吸水性树脂具有大量亲水基团的交联三维网状结构，能吸水、存水，具有很好的耐蒸发、抑尘效果。若将其抑尘剂喷洒于尘土表面上，尘面上的SAP树脂会下渗到尘土颗粒的孔隙内并滞留其中[2]，将水分包围，增加尘粒的含湿量，同时由于高吸水性树脂具有一定的粘结性，粘附粉尘颗粒，起到很好的抑尘效果。本研究以红薯淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺为主要原料，过硫酸钾为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用接枝聚合法制备淀粉基绿色吸水性树脂（SAP），并测试其抑尘性。
1 实验部分
1.1 药品
过硫酸钾，分析纯，天津大茂试剂厂；N，N－亚甲基双丙烯酰胺（NMBA），分析纯，上海迈瑞尔化学技术有限公司；丙烯酸（AA），分析纯，天津大茂试剂厂；红薯淀粉，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；黄土，过200目筛，105℃烘干，置于干燥器中备用。
1.2 SAP的制备
计量的红薯淀粉和蒸馏水加入三口烧瓶中，60℃下将淀粉糊化30 min，降温至50℃，得黏性胶体溶液；常温下将丙烯酸用30%NaOH溶液中和（调节pH），在搅拌下将丙烯酰胺（控制单体AA∶AM摩尔比9∶1[3]）加入中和液搅匀，然后一起加入三口烧瓶中的糊化淀粉中搅匀；加入适量的引发剂过硫酸钾和交联剂NMBA，65℃下接枝共聚3 h，无水乙醇水洗产物，95℃真空烘干、粉碎、过筛得淡黄色晶体的树脂产物SAP。
1.3 吸水率测试[2]
将1 g干燥的SAP树脂置于蒸馏水或0.9%NaCl溶液中，充分吸水后，过100目筛，按下式计算其吸水率：
吸水率=（m1-m0）/m0×100%
式中:m1为吸水后质量，g;m0为吸水前质量，g。
2 结果与讨论
2.1 实验条件对SAP吸水率的影响
2.1.1 淀粉用量对SAP吸水率的影响
淀粉分子是树脂网络骨架的基体材料，因此淀粉用量对SAP树脂的吸水性和耐盐性有很大影响。由图1知，5 g红薯淀粉较合适，此时SAP的吸水率最大。这是因为淀粉的多少影响SAP树脂的骨架形态及吸水率。随着红薯淀粉用量增多，为生成SAP提供的骨架链也逐渐增加，使反应单体易于接枝共聚到骨架链上[4]，利于较好三维网络结构的形成，易于水分子进入网络结构内部，SAP树脂内部的亲水基团把水分包围，并限制水分子的运动，因而吸水性和耐盐性逐渐提升；但当红薯淀粉用量过量后，反应单体含量相对较少，树脂链上亲水基含量相对减少，造成生成树脂产物的吸水性和耐盐性降低；同时淀粉的使用成本也会提高。
图1 淀粉用量对SAP吸水性和耐盐性的影响
2.1.2 丙烯酸溶液pH对SAP吸水率的影响
由图2可知，丙烯酸溶液的pH为5.5时，SAP树脂的吸水性和耐盐性最好。这是由于SAP中含有的-COO-亲水性基团，随着丙烯酸溶液的pH增大，SAP中含有的亲水性-COO-离子浓度不断增大，接枝淀粉大分子链后，-COO-阴离子基团之间的静电排斥力增强，增大了SAP大分子链的三维网络微孔结构空间，使其吸水性和耐盐性提高；当丙烯酸溶液的pH为5.5时，SAP的三维网络微孔结构空间最为理想，此时吸水性和耐盐性最好；当丙烯酸溶液的pH超过5.5后，SAP树脂的空间网络大分子链上-COO-数量较少，其所产生的静电斥力相对减弱，网链伸展性差，且网络微孔较小，故使SAR的吸水性和耐盐性降低。所以丙烯酸溶液的pH为5.5较为合适。
图2 丙烯酸溶液pH对SAP吸水性和耐盐性的影响
2.1.3 引发剂用量对SAP吸水率的影响
由图3可以看出，引发剂用量为0.35 mmol最佳。这是因为引发剂过硫酸钾用量少时，单位时间内夺取了淀粉分子链上带羟基碳原子上的氢原子少，即产生较少的自由基，单体与淀粉大分子发生接枝共聚率低，形成的链段短，树脂中的三维网络微孔结构不完全，吸水率较低；随着引发剂过硫酸钾用量的增加，红薯淀粉链上产生的自由基较多，单体与淀粉大分子发生接枝共聚率大，相邻支化点间的分子链短[3]，形成理想的网络微孔结构，吸水性和耐盐性最好；但当引发剂过硫酸钾用量过量时，淀粉链上产生的自由基和支化反应过多，且放出过多的热量，造成反应体系不稳定，存在安全隐患，树脂的分子量相对小很多，水溶性增强，网络结构也很不理想，故吸水性和耐盐性相对下降。
图3 引发剂用量对SAR吸水性和耐盐性的影响
2.2 抑尘性分析
用最佳条件合成的高吸水性树脂SAP配制成2%的溶液。取两份50 g干燥的黄土试样，分别做如下操作：一份用20 mL、2%的SAP溶液均匀喷洒于黄土表面；另一份喷洒20 mL蒸馏水。对比发现：喷洒SAP溶液的试样表面保持3天湿润，至第7天黄土试样整个表面固结，底部留有少量松散的黄土，气流吹过无扬尘；喷洒水的黄土试样，第3天试样表面已经干裂，结构松散，气流吹过尘土飞扬。由此表明，SAP树脂溶液对黄土试样有很好的抑尘效果。这可能是因为高浓度的SAP溶液在黄土试样表面形成了一层黏性的厚分子膜[2]，限制了水分子的迁移，不易向外界蒸发水分，同时具有很好的保水性。同时在高浓度的吸水树脂接触黄土试样后，会下渗到尘土颗粒的孔隙内并滞留其中，大大减缓水分子的入渗能力，同时由于黄土颗粒空隙中滞留填充有较多SAP树脂，使黄土孔隙变小，水分子蒸发变得更加困难。最后，在空气湿度较大时，SAP能够吸收大气中的水蒸汽，在增加尘土含水量的同时，还能增加黏性，黄土微粒由于黏性作用不能再次飞扬而起到长时间的抑尘作用。
3 结论
（1）SAP的最佳合成条件：淀粉5 g，丙烯酸溶液pH为5.5，引发剂0.35 mmol。
（2）SAP吸水性和耐盐性均较好，其在蒸馏水和0.9%NaCl溶液中的吸水率分别为780 g/g和101 g/g。（3）SAP可作为抑尘剂使用，具有应用价值。
