羧甲基淀粉高吸水樹(shù)脂吸水保水性能研究*

付　淵，烏仁其木格

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010070)

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羧甲基淀粉高吸水樹(shù)脂吸水保水性能研究*

付淵，烏仁其木格

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070)

羧甲基馬鈴薯淀粉為原料合成高吸水樹(shù)脂，用掃描電鏡對(duì)其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)其吸水性能及保水性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：以羧甲基淀粉為原料的高吸水樹(shù)脂在溶液pH為4～10之間有較高的吸水率；在一定粒徑范圍內(nèi)，顆粒越大，高吸水樹(shù)脂吸水能力越大；該高吸水樹(shù)脂高速離心的條件下具有良好的保水性能。從掃描電鏡分析，該高吸水樹(shù)脂表面出現(xiàn)了孔洞和褶皺，呈塊狀堆積，有利于高吸水樹(shù)脂的吸水。

羧甲基淀粉；高吸水樹(shù)脂；吸水率；保水率

高吸水性樹(shù)脂，是具有較高吸水性能和保水性能的高分子聚合物的總稱(chēng)。高吸水樹(shù)脂含有強(qiáng)親水性基團(tuán)，經(jīng)適度交聯(lián)而具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可通過(guò)水合作用迅速地吸收自身質(zhì)量幾十倍乃至上千倍的水而呈凝膠狀[1]。它不溶于水，也不溶于有機(jī)溶劑，且吸水速度快，保水性能好，即使加壓也難把水分離出來(lái)，對(duì)光、熱、酸及堿的穩(wěn)定性好，還具有良好的生物降解性能[2]，這決定了它具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以羧甲基馬鈴薯淀粉為原料合成高吸水樹(shù)脂，工藝簡(jiǎn)單、成本低，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原料及儀器

N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺，丙烯酸，過(guò)硫酸鉀，氫氧化鈉，鹽酸，以上試劑均為分析純；羧甲基馬鈴薯淀粉，自制。

S3400N掃描電子顯微鏡，日立公司。

1.2羧甲基馬鈴薯淀粉基高吸水樹(shù)脂的制備

將羧甲基馬鈴薯淀粉和去離子水在攪拌下充分混合，加入用氫氧化鈉提前中和好的丙烯酸、引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀和交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢升溫，直至100 ℃，并在該溫度下保溫1 h，冷卻至室溫后，將產(chǎn)品烘干，粉碎，即得羧甲基馬鈴薯淀粉基高吸水樹(shù)脂(簡(jiǎn)寫(xiě)為SAP)。

1.3吸液能力的表示法

吸液能力的定量表示是吸收量，用吸收溶液倍率(吸液倍率)來(lái)量度[3]。吸液倍率是指單位質(zhì)量高吸水性樹(shù)脂所吸收液體的量。單位為 g/g 或倍數(shù)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Q=m2-m1/m1

(1)

式中:Q——吸液倍率

m1——吸液前樹(shù)脂的質(zhì)量，g

m2——吸液后樹(shù)脂的質(zhì)量，g

1.4高吸水樹(shù)脂的保水性能

高吸水樹(shù)脂的保水性能是指水合類(lèi)高分子與水直接相互作用的問(wèn)題，所謂保水能力是吸水后的膨脹體能保持其所吸水份不離析狀態(tài)的能力，按下列公式計(jì)算保水率[4]。

(2)

式中：Ri——保水率,%(i=1，2，3，……)

Wi——吸水后第i次稱(chēng)重時(shí)高吸水樹(shù)脂的質(zhì)量，g

W0——吸水前高吸水樹(shù)脂的質(zhì)量，g

2　結(jié)果與討論

2.1SAP掃描電鏡分析

用電子顯微鏡對(duì)羧甲基馬鈴薯原淀粉和最佳高吸水樹(shù)脂進(jìn)行樣品表面形態(tài)分析，放大倍數(shù)為105倍。

圖1　羧甲基淀粉的掃描電鏡(a)和高吸水樹(shù)脂的掃描電鏡(b)Fig.1　Scanning electron micrographs for carboxymethyl starch(a) and resin(b)

從圖1(a)中可看出，羧甲基淀粉顆粒大小不一、形狀不規(guī)則。從圖1(b)中可看出，SAP中顆粒形態(tài)已不存在，表面出現(xiàn)了孔洞和褶皺，并呈塊狀堆積。這種空間結(jié)構(gòu)，使SAP有較大的比表面積和孔容，從而對(duì)水分具有很強(qiáng)的吸收性。

2.2粒徑對(duì)SAP吸水率的影響

稱(chēng)取不同粒徑的SAP樹(shù)脂若干份，研究粒徑對(duì)SAP吸附去離子水的影響。

圖2　SAP粒徑對(duì)吸水率的影響Fig.2　The influence of diameter on water sorption

由圖2可知，隨著產(chǎn)品粒徑的增大，吸水率先減小，產(chǎn)品粒徑在140目以下時(shí)，粒徑太小，吸水時(shí)樹(shù)脂易集結(jié)成團(tuán)，吸水后凝膠狀態(tài)不好，易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，使吸水率虛高。在70～40目以后，粒徑增大，吸水倍數(shù)升高。粒徑越大，SAP與水接觸的表面積越大，吸水率越高。

2.3不同pH 值環(huán)境對(duì)SAP吸水率的影響

由圖3可見(jiàn)，溶液pH=4～10時(shí)，SAP的吸水率基本沒(méi)變化，在1520～1700 g/g之間，這是因?yàn)镾AP中-COOH與酸堿的緩沖作用；另外由于酸堿的存在，SAP的吸水率小于吸純水率。當(dāng) pH<4時(shí)， SAP中大部分-COONa變?yōu)?COOH，隨著電荷密度降低，離子間斥力減小，SAP網(wǎng)絡(luò)的伸展性下降，吸水率降低；當(dāng)pH>10時(shí)，外界溶液中離子濃度增加，降低了SAP的滲透壓，吸水率降低。

圖3　溶液的 pH 值對(duì)SAP吸水率的影響Fig.3　Water-absorbing rate in solutions with different pH

2.4高速離心條件下的保水率

圖4為SAP在20 min內(nèi)，不同轉(zhuǎn)速離心條件下得到的保水率。由圖4可以看出，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，對(duì)SAP保水率影響很小，高速離心的條件下，SAP保水性能良好。在合成SAP接枝共聚時(shí)，加入了交聯(lián)劑，交聯(lián)劑在樹(shù)脂內(nèi)部形成空間網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，其加壓保水能力較強(qiáng)。同時(shí)SAP聚合物鏈上存在-OH、-COO-等親水性基團(tuán)，可以通過(guò)氫鍵、范德華力與水分子結(jié)合，把水分子束縛在網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，固在高速離心情況下也不容易被擠出來(lái)，從而顯示出良好的保水性能[5]。

圖4　離心速度對(duì)保水率的影響Fig.4　Effect of centrifugal speed on water retention rate

3　結(jié)　論

(1)SAP中顆粒形態(tài)已不存在，呈塊狀堆積，表面出現(xiàn)了孔洞和褶皺，該形態(tài)有利于高吸水樹(shù)脂的吸水。

(2)在一定粒徑范圍內(nèi)，SAP顆粒越大，吸水能力越大。

(3)溶液pH=4～10時(shí)，SAP有較高的吸水率，其可在較廣范圍使用。

(4)SAP在高速離心的條件下具有良好的保水性能。

[1]顧千輝,黃贛輝,顧振宇.芭蕉芋淀粉接枝丙烯酸制備高吸水性樹(shù)脂的研究[J]. 食品科技,2011(8):231-233.

[2]溫懷宇,顧正彪.淀粉接枝丙烯酸高吸水樹(shù)脂的研究[J].糧食與飼料工業(yè),2005(6): 25-27.

[3]溫國(guó)華.以羧甲基馬鈴薯淀粉為原料制備高吸水樹(shù)脂的方法[P].中國(guó). 200910170378.5,2009-09-14.

[4]姜紹通,伍亞華,趙妍嫣.淀粉基高吸水樹(shù)脂的制備新方法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,29(3):260-263.

[5]柳明珠,詹發(fā)祿,江洪申.超強(qiáng)吸水劑結(jié)構(gòu)與性能研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003，39(3):46-49.

Study on Performance of Carboxymethyl Potato Starch Super Absorbent Resin’s Water Absorption and Water Retention*

FUYuan,WURENQIMUGE

(Inner Mongolia Chemical Engineering Professional College, Inner Mongolia Hohhot 010070, China)

The synthesis of high water absorbent resin used carboxymethyl potato starch as raw material, the water absorption and water retention properties were studied, and the analysis on the surface structure were observed by scanning electron microscopy. The results showed that, carboxymethyl potato starch super absorbent resin in solution pH of water between 4 and 10 had higher water absorption rate; in a certain range of particle sizes, the larger particles, water absorbency greater. The super absorbent resin had good water retention properties in high speed centrifugal conditions. From the scanning electron microscopy analysis, the surface of the absorbent resin appeared holes, folds and massive accumulation, it was conducive to the absorption of water.

carboxymethyl potato starch; super absorbent resin; water absorption rate; water retention rate

內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):HY2R1501)。

付淵(1982-)，女，碩士，主要從事高分子研究及教學(xué)工作。

TQ424.3, TQ085.4

A

1001-9677(2016)08-0081-03