丙烯酸接枝纖維素合成條件探究

江　蓉，方紅霞

（黃山學(xué)院　化學(xué)化工學(xué)院，安徽　黃山　245041）

丙烯酸接枝纖維素合成條件探究

江蓉，方紅霞

（黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽黃山245041）

摘要：以竹炭纖維和丙烯酸為主要原料，采用溶液聚合的方法成功合成纖維素接枝丙烯酸共聚物，通過正交試驗設(shè)計，確定了該合成反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件.

關(guān)鍵詞：纖維素；接枝；丙烯酸

1　引言

纖維素是大自然生物體內(nèi)存在的一種分子量特別高的化合物，為一種可持續(xù)發(fā)展的資源[1].如果對纖維素進(jìn)行接枝共聚賦予纖維以新的功能（如耐磨性、親水性、抗靜電性、抗菌性、彈性、染色性、阻燃性和耐熱性等）研究出具有高技術(shù)含量的特殊功能新材料，具有一定的實用意義.[2-5]

本文以過氧化氫為引發(fā)劑，成功引發(fā)丙烯酸接枝纖維素.探究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、引發(fā)劑濃度、預(yù)處理溫度等因素對反應(yīng)的影響.

2　實驗部分

2.1主要試劑

試劑：竹粉（100目），雙氧水，丙烯酸，氫氧化鈉，硫酸亞鐵，高錳酸鉀，均為分析純.

2.2實驗方法

為了更好地優(yōu)化、選擇實驗條件，進(jìn)行正交實驗.因此選擇了幾個重要因素如下：

表2-1正交實驗因素表

2.4.1竹纖維的處理

稱取一定量竹粉置于30%雙氧水溶液中浸泡處理0.5h.

2.4.2竹纖維接枝共聚物的合成

在燒杯中竹粉置于30%雙氧水溶液溶液中預(yù)處理半小時至充分溶脹取出，抽濾溶液后，放入四口燒瓶中加入少量的水，在機(jī)械攪拌下加入定量的丙烯酸，在一定的溫度下進(jìn)行聚合反應(yīng).體系爬桿后，停止攪拌，待反應(yīng)到預(yù)定的時間下取出物料.

2.4.3接枝物的純化

本實驗將粗產(chǎn)物用氫氧化鈉水溶液中和至預(yù)定PH值，趁熱抽濾，抽濾的濾液為沸水均聚物物和未參加反應(yīng)的竹纖維素以及其他物質(zhì)小分子等，把濾餅放入恒溫箱中在70℃下干燥至恒重，得到純凈的竹纖維接枝產(chǎn)物，產(chǎn)物為淡黃色絲狀物[15].

3　結(jié)果與討論

3.1正交實驗結(jié)果：

由表3-1可見因素顯著性順序為B-C-D-A，優(yōu)水平組合為A1B3C4D4.

3.1.1預(yù)處理溫度對接枝率和接枝效率的影響

過氧化氫是一類強(qiáng)氧化劑，由于它的的氧化性受到溫度的影響，實驗采用30%過氧化氫對竹纖維進(jìn)行提前處理，主要使纖維素在30%過氧化氫和纖維素的混合體系中發(fā)生溶脹，并且在整個處理過程中過氧化氫和纖維素形成氧化還原體系，使得體系中產(chǎn)生大量自由基，因此，采用加熱預(yù)處理來引發(fā)接枝聚合可大大提高丙烯酸與竹纖維的接枝率和接枝效率.當(dāng)過氧化氫處于作為氧化劑氧化的最佳溫度100℃時.過氧化氫的氧化活性最大，纖維素的溶脹程度變大，從而產(chǎn)生的自由基增多.RO?的活化中心的活性變大，聚合產(chǎn)物接枝率和聚合產(chǎn)物的單體接枝效率也可能變大.

3.1.2聚合溫度對反應(yīng)的影響

在化學(xué)反應(yīng)中，溫度是對反應(yīng)速率和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)有影響的重要因素.當(dāng)反應(yīng)發(fā)生時隨著溫度的上升，接枝率和單體接枝效率明顯增大.這是由于溫度提高產(chǎn)生的游離自由基濃度就越大，與單體接枝反應(yīng)量就越多.但溫度繼續(xù)上升，接枝率和接枝效率反而降低，這是由于溫度升高，使得引發(fā)各個反應(yīng)的活化能增大，溫度上升，反應(yīng)速率增大，單體轉(zhuǎn)化率增大.但是聚合反應(yīng)的接枝率和接枝效率反而降低.

3.1.3引發(fā)體系中氧化劑的量對反應(yīng)的影響

當(dāng)其他因素保持不變時，在一定范圍內(nèi)隨著雙氧水的量增加，接枝率和單體接枝效率都會上升，那是因為增大雙氧水的量，等同的竹纖維量的條件下，雙氧水與纖維素作用越充分，產(chǎn)生的過氧酸分子就越多，從而分解的纖維素大分子鏈自由基和氫氧自由基就越多，形成的活化中心就越多，與丙烯酸單體接枝分子就越多，因此接枝率和接枝效率就越高.當(dāng)雙氧水過量時，生成的氫氧自由基越多，引發(fā)均聚反應(yīng)，產(chǎn)生的副反應(yīng)自由基越大，發(fā)生終止反應(yīng)速率增大，單體接枝效率降低.

表3-1正交實驗數(shù)據(jù)表

3.1.4聚合時間對反應(yīng)的影響

實驗保持其他因素不變的情況下，丙烯酸與纖維素的接枝率和接枝效率隨著時間的增加而迅速增大.由于纖維素經(jīng)雙氧水預(yù)處理反應(yīng)，剛開始產(chǎn)生大量自由基，短時間內(nèi)迅速發(fā)生聚合反應(yīng).接枝率和單體接枝效率迅速變大.但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，纖維素大分子自由基濃度迅速降低，丙烯酸單體迅速減少.因此當(dāng)時間到達(dá)一定后，時間的增加，接枝率和接枝效率的增加趨勢也趨向于平緩，時間繼續(xù)增加，接枝率和接枝效率基本保持不變，基于從產(chǎn)物性能和經(jīng)濟(jì)的原則考慮，本實驗最佳反應(yīng)時間為3h.

3.2在引發(fā)劑中加入亞鐵離子對反應(yīng)體系的影響

查表得過氧化氫引發(fā)體系為活化能為217.7/kJ.mol-1.過氧化氫與氯化亞鐵體系引發(fā)體系活化能為50.7/kJ.mol-1.且由下表的數(shù)據(jù)和正交試驗表對照可以看出當(dāng)微量亞鐵離子加入到雙氧水形成的氧化還原體系中，能很大程度的降低反應(yīng)體系的活化能，所以在反應(yīng)中加入亞鐵離子，形成亞鐵離子雙氧水氧化還原體系，使體系中的纖維素大分子鏈自由基與氫氧自由基活性點明顯降低，從而丙烯酸單體更容易發(fā)生聚合反應(yīng)，所以反應(yīng)體系的接枝率和接枝效率明顯提高.

表3-2亞鐵離子對反應(yīng)體系的影響表

4　結(jié)論

（1）用過氧化氫作為引發(fā)劑能夠有效引發(fā)竹纖維與丙烯酸的接枝共聚反應(yīng)，且得到最優(yōu)化條件為：纖維素與丙烯酸的質(zhì)量比為1:3，室溫預(yù)處理時間4h，加熱溫度為60℃.

（2）相同條件下，加入亞鐵離子可以明顯提高接枝率和接枝效率.

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參考文獻(xiàn)：

〔1〕張興英，趙京波.高分子化學(xué)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.256-258.

〔2〕蘇茂堯，丁新穎.纖維素經(jīng)鈰離子引發(fā)丙烯酸接枝共聚機(jī)理研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1994（06）：119-125.

〔3〕王溪溪，孫金余，任文等.竹纖維與丙烯酸接枝共聚反應(yīng)的研究[J].長江大學(xué)學(xué)報（自科版），2006，(3)：46-48.

〔4〕宋榮釗，陳玉放，潘松漢，等.超細(xì)纖維素與丙烯酸接枝共聚反應(yīng)規(guī)律的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2001(4)：11-20.

〔5〕孫琳，路乃群，王存國.K2S2O8/Na2S2O3引發(fā)淀粉與丙烯酸接枝產(chǎn)物吸水性能的主要影響因素[J].化工科技，2008，16(1)：8-11.

基金項目：黃山學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動基金資助（2007xkjq011）

中圖分類號：TQ352.72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）07-0211-02