麦秸秆基高吸水性树脂的制备及性能研究

2022-11-29秦传高包聘成王通震徐秋军

化工技术与开发 2022年11期

秦传高，包聘成，王通震，徐秋军

（1.浙江国际海运职业技术学院石油化工学院，浙江舟山 316021；2.江苏智慧生态环境检测有限公司，江苏无锡 214000）

高吸水性树脂是一种具有三维网状结构、并含有-COOH、-OH等亲水基团的大分子聚合物，主要是用含有双键结构的亲水性单体进行聚合来制备。高吸水性树脂具有很强的吸水性能，在卫生用品、农业、建筑等领域有广泛应用[1-2]。当前，用纤维素接枝亲水性单体是研究的热点[3]。麦秸秆是常见的农业废弃物，利用麦秸秆中的纤维素制备高吸水树脂，符合变废为宝的环保理念，可为农作物秸秆的资源化利用提供一条新的路径。

本文以农作物小麦秸秆为原料，经氢氧化钠和硝酸处理制得麦秸杆纤维素后，再与丙烯酸共聚，制备了保水性能良好的高吸水树脂。实验考察了合成树脂吸液率的影响因素，并使用扫描电镜和红外光谱，对合成树脂的结构进行了表征。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

丙烯酸、过硫酸钾、硝酸、氢氧化钠、氯化钠，N,N-亚甲基双丙烯酰胺（均为分析纯）。小麦秸秆粉。

DF-101S型集热磁力搅拌器，DHG-9030A型干燥箱，Nicolet380型红外光谱仪，S-3400N型扫描电镜，FA324C型电子天平。

1.2 麦秸秆纤维素的制备

称取10g小麦秸秆粉于烧杯中，加入20%的NaOH溶液100mL，于80℃下蒸煮2h，过滤洗涤多次至中性后，再加入1mol·L-1硝酸100mL，酸解1h后，用去离子水多次洗涤至中性，90℃干燥8h，即得到麦秸秆纤维素[4]。

1.3 高吸水性树脂的制备

将烧杯放在集热磁力搅拌器中，加入一定量的麦秸秆纤维素和去离子水，搅拌10min后，再依次加入有一定中和度的丙烯酸单体、引发剂过硫酸钾和交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，在一定温度下反应完毕后，干燥得到产品。

1.4 吸液倍率的测试

称取一定量的合成树脂于烧杯中，室温下分别加入过量的去离子水、自来水和0.9% NaCl溶液，静置24h后，用0.15mm筛过滤溶胀后的树脂样品，直至无水滴漏出。称量吸水后树脂的质量，吸液率的计算公式为[5-6]：

式中，m1、m2分别为树脂吸液前后的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 丙烯酸的中和度对吸液率的影响

图1是丙烯酸中和度对吸液率的影响。由图1可知，丙烯酸的中和度为80%时，合成树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率均达到最大值，分别为240.4g·g-1、174.6 g·g-1和28.4g·g-1。中和度较低时，聚合体系的酸性大，易发生副反应，使得单体的聚合转化率降低，同时聚合物的渗透压减小，导致吸液率较低；中和度较高时，体系酸性变弱，反应活性降低，吸液率也随之下降[7]。

图1 丙烯酸的中和度对吸液率的影响

2.2 丙烯酸用量对吸液率的影响

图2是丙烯酸用量对吸液率的影响。由图2可知，随着丙烯酸的用量增加，树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率先增大后降低。丙烯酸单体与纤维素的质量比为7∶1时，树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率均达到最大值，分别为243.7g·g-1、169.2 g·g-1和28.3g·g-1。随着丙烯酸的用量增加，亲水基团羧基的数量增多，合成树脂的吸液率增加；但丙烯酸用量过大时，聚合物的纤维素骨架较少，阻碍了单体聚合反应的继续进行，因此降低了合成树脂的吸液率[8]。

图2 丙烯酸用量对吸液率的影响

2.3 引发剂用量对吸液率的影响

图3是引发剂用量对吸液率的影响。由图3可知，引发剂用量为单体质量的2%时，树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率均达到最大值，分别为285.6g·g-1、161.5 g·g-1和31.4g·g-1。引发剂用量少时，体系中的自由基少，聚合反应速率降低，聚合度减少，影响了树脂三维网状结构的形成，从而降低了树脂的吸液率；引发剂用量增多时，聚合反应速率增大，易产生短链高聚物，也会影响树脂的吸液率[9]。

图3 引发剂用量对吸液率的影响

2.4 交联剂用量对吸液率的影响

图4是交联剂用量对吸液率的影响。由图4可知，交联剂用量为0.4%时，树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率均达到最大值，分别为322.7g·g-1、167.2 g·g-1和30.6g·g-1。交联剂用量较少时，纤维素与丙烯酸共聚后易形成空间网状结构，吸液率逐渐增大；交联剂用量过多时，聚合物的三维网状结构变得紧密，导致伸缩空间变小，吸液能力随之降低。

图4 交联剂用量对吸液率的影响

2.5 反应温度对吸液率的影响

图5是反应温度对吸液率的影响。由图5可知，聚合反应温度为70℃时，树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率均达到最大值。聚合反应温度在临界温度以下时，提高反应温度，可增大聚合反应速率，使反应进行得更充分，聚合物的性能更稳定；聚合温度过高时易发生暴聚，副反应增多，导致聚合物的吸液性能下降[10-11]。

图5 反应温度对吸液率的影响

2.6 树脂的保水率

在 20℃下，对在最优工艺条件下合成的树脂，进行保水率的测定，结果如图6所示。由图6可知，第1天，合成树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率，分别为322.7g·g-1、167.2 g·g-1和30.6g·g-1；第7天，合成树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的吸液率，分别为270.5g·g-1、135.2g·g-1和17.6g·g-1。合成树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水的7d保水率，分别为83.8%、80.9%和57.5%。实验结果表明，合成树脂对去离子水、自来水和0.9%盐水，均具有较好的保水率。

图6 合成树脂的保水率测定结果

2.7 产品表征

2.7.1 扫描电镜图

图7是麦秸秆、麦秸秆纤维素和高吸水树脂的扫描电镜图。由图7可见，麦秸秆的表面较粗糙，大小不一，多数为长条状的多孔结构。预处理后的麦秸秆纤维素的表面平整光滑，呈细长的卷曲状态，部分团聚在一起，纤维素之间有空隙。合成树脂为三维网状结构，纤维素均匀嵌入聚合物中，表明麦秸秆纤维素与丙烯酸发生了接枝共聚反应，生成了具有多孔网状结构的聚合物，提高了吸液性能[12]。

图7 麦秸秆、麦秸秆纤维素和高吸水树脂的扫描电镜图

2.7.2 红外光谱图

图8是麦秸秆纤维素和高吸水树脂的红外光谱图。由图8可以看出，麦秸秆纤维素和高吸水树脂分别在1056 cm-1和974 cm-1处有吸收峰，对应C-O-C的伸缩振动峰，说明纤维素和合成树脂中都含有醚基。麦秸秆纤维素和高吸水树脂的光谱图中，在3413cm-1和3441cm-1处的吸收峰，为-OH的伸缩振动峰[13-14]，表明纤维素和合成树脂均具有吸水性。1689cm-1是-CONH2中C=O的伸缩振动峰，表明丙烯酸与麦秸秆纤维素发生了共聚反应，同时交联剂也接枝到了聚合物中[15]。