廢棄的生物質(zhì)秸稈合成WS-g-PAA/Loess復(fù)合型高吸水性樹脂及性能研究

魏娟娟，馮恩科，曹江平，王亞麗，葉 飛

(寧夏師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 固原 756000)

十三五期間，我國將環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)提高到了新的高度。隨著近年來國家對環(huán)保和生態(tài)的重視，用于干旱區(qū)和風(fēng)沙危害區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的保水材料及固沙材料的需求量激增。但是國內(nèi)該類材料成本太高，限制了產(chǎn)品的推廣使用。如果能夠利用農(nóng)作物秸稈制備保水及固沙材料，不僅解決了農(nóng)作物固廢引起的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題，而且可降低保水劑等產(chǎn)品的成本，促進(jìn)其在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的推廣使用[1]。

常見丙烯酸類高吸水樹脂由于保水性能不高、耐鹽性差、凝膠強(qiáng)度低等原因制約了其大規(guī)模使用[2]。為了解決該類問題，王愛勤和柳明珠等課題組[3,4]采用在生物質(zhì)中添加黏土的方法來制備高吸水樹脂，使吸水樹脂在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著進(jìn)展。因而，本文以廢棄的小麥秸稈和丙烯酸為原料，復(fù)配黃土合成了復(fù)合型高吸水樹脂。該研究既對生態(tài)脆弱區(qū)域的生態(tài)修復(fù)具有重要作用，又可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄資源的循環(huán)利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

所用實(shí)驗(yàn)材料：無水甲醇、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺、丙烯酸、過硫酸銨均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，屬分析純。小麥秸稈和黃土采自于寧夏固原市隆德縣。所用實(shí)驗(yàn)儀器：超聲波清洗機(jī)、臺式高速離心機(jī)、鼓風(fēng)干燥箱、掃描電子顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜儀。

1.2 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的制備

將稱量的2.0 g小麥秸稈粉末加入一定體積蒸餾水中，設(shè)置反應(yīng)溫度進(jìn)行糊化；在N2保護(hù)下，向體系中添加一定量的引發(fā)劑，快速攪拌，引發(fā)一定時(shí)間；將一定量丙烯酸，交聯(lián)劑和黃土按順序加入反應(yīng)，重新調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，使反應(yīng)保持一定時(shí)間，直至凝膠生成；將得到的凝膠使用造粒機(jī)造粒，用無水甲醇洗滌3次后置于65℃烘箱干燥，即得目標(biāo)產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的的紅外表征

如圖1a曲線所示，3552 cm-1、3620 cm-1和1654 cm-1處為Si-OH、Al-OH和-OH的特征峰，478 cm-1、1027 cm-1處為Si-O不對稱彎曲振動(dòng)和收縮振動(dòng)特征峰，表明a為黃土的紅外光譜。b曲線2919 cm-1、3414 cm-1和1049 cm-1處為C-H、-OH 和C-O特征峰，表明b為小麥秸稈的紅外光譜。c曲線為WS-g-PAA 紅外光譜，當(dāng)小麥秸稈參與反應(yīng)后，1049 cm-1處C-O特征峰在復(fù)合材料紅外光譜中出現(xiàn)，同時(shí)，在1405 cm-1、1454 cm-1、1575 cm-1和1718 cm-1處均出現(xiàn)了丙烯酸及丙烯酸鹽的紅外吸收峰，表明小麥秸稈和丙烯酸產(chǎn)生了接枝共聚反應(yīng)。對比c曲線，d曲線1027 cm-1處出現(xiàn)了黃土Si-O收縮振動(dòng)特征峰，說明d為WS-g-PAA/Loess的紅外光譜[5]。由以上分析可知，小麥秸稈、丙烯酸以及黃土之間發(fā)生了接枝共聚反應(yīng)，并合成了復(fù)合型的高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess。

圖1 紅外光譜圖(a)黃土，(b)小麥秸稈，(c)WS-g-PAA和(d)WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂

2.2 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的形貌表征

圖2為高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的掃描電鏡圖。由圖可看出，黃土與高吸水樹脂具有較好的相容性，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess表面粗糙，有褶皺，出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)。由此表明該結(jié)構(gòu)比表面積較大，有利于提高了高吸水樹脂的吸水倍率。

圖2 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的掃描電鏡圖

2.3 交聯(lián)劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

如圖3所示，當(dāng)交聯(lián)劑添加量為0.155%時(shí)，樹脂吸自來水和蒸餾水的吸水倍率最高。分析原因可知，當(dāng)交聯(lián)劑添加量比較少時(shí)，樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的交聯(lián)點(diǎn)少，樹脂可溶性部分相對增多，導(dǎo)致樹脂的吸水倍率相對較低；交聯(lián)劑添加量較大時(shí)，形成的樹脂交聯(lián)密度變大，形成的網(wǎng)絡(luò)空間變小，導(dǎo)致水分子難以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)空間，對應(yīng)的吸水倍率相應(yīng)變小。

圖3 交聯(lián)劑添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.4 引發(fā)劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

圖4為引發(fā)劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響。由圖可知，當(dāng)引發(fā)劑添加量為1.23%時(shí)，樹脂的吸水倍率達(dá)到最高。這是因?yàn)楫?dāng)引發(fā)劑添加量過少時(shí)，體系中形成的自由基相對較少，聚合反應(yīng)速率慢，聚合物的相對分子質(zhì)量較小，導(dǎo)致很難形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而樹脂吸水性能變差；引發(fā)劑添加量較多時(shí)，容易產(chǎn)生暴聚現(xiàn)象，導(dǎo)致自由基鏈鍛來不及增長，形成的多是易溶性低聚物。

圖4 引發(fā)劑添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.5 黃土添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

從圖5可知，當(dāng)黃土添加量為7.7%時(shí)，樹脂的吸水倍率最大。這是由于黃土表面的羥基與聚丙烯酸側(cè)鏈上的羧基會(huì)發(fā)生相互作用，黃土可以作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)點(diǎn)，與聚合物的側(cè)鏈形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效增加了樹脂的吸水性能[6]。但是，黃土添加量過高時(shí)，過多的黃土?xí)氯W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空穴，使外界水分子無法進(jìn)入聚合物膠體的內(nèi)部，從而降低其吸水倍率。

圖5 黃土添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.6 保水性能測試

圖6是高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的保水性能圖，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess溶脹后，經(jīng)離心分離(4000 r/min，30 min)，測得保水率能達(dá)到95%，說明該復(fù)合材料具有較高的保水能力。表明向聚丙烯酸類吸水樹脂中添加黃土，能夠很好的解決該類吸水樹脂保水性能差的問題。

圖6 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的保水性能

2.7 反復(fù)吸水性能測試

圖7為高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess反復(fù)吸水倍率。由圖可知，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess重復(fù)吸水6次后才基本失去再吸水能力，說明利用小麥秸稈接枝丙烯酸，并復(fù)配黃土制備得到的高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess具有較好的反復(fù)吸水性能。

圖7 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的反復(fù)吸水性

3 結(jié)論

本文采用水溶液聚合法，以小麥秸稈(WS)和丙烯酸(AA)為原料，復(fù)配黃土(Loess)，用N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)作交聯(lián)劑、過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，成功制備了小麥秸稈/聚丙烯酸/黃土(WS-g-PAA/Loess)的復(fù)合型高吸水樹脂。通過性能研究表明，當(dāng)交聯(lián)劑、引發(fā)劑和黃土的添加量分別為0.155%、1.23%和7.7%時(shí)，合成的復(fù)合型高吸水樹脂的吸水性能最佳，其對自來水和蒸餾水的最大吸液倍率分別為120.0 g/g 和440.0 g/g。