正交設(shè)計優(yōu)化制備淀粉接枝AMPS高吸水樹脂

管仁貴++柳嬋++褚菲菲

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過硫酸鉀為引發(fā)劑，采用正交設(shè)計優(yōu)化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結(jié)構(gòu)及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結(jié)果表明：在正交試驗確定的較優(yōu)工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結(jié)果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關(guān)鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學(xué)?？萍加媱潱ň幪枺篔13LD11）；煙臺大學(xué)青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產(chǎn)成本低、可生物降解、對環(huán)境無污染且具有優(yōu)越的吸水保水性能等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林園藝、沙漠治理等領(lǐng)域[1-2]，而提高該類產(chǎn)品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協(xié)同互補效應(yīng)提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學(xué)純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應(yīng)3 h，產(chǎn)物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區(qū)的黃土。稱取3份質(zhì)量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環(huán)境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結(jié)果與分析

2.1正交試驗結(jié)果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發(fā)而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖?？梢姌渲蟪尸F(xiàn)出明顯的多層蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結(jié)論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優(yōu)反應(yīng)條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應(yīng)溫度，3 h反應(yīng)時間。該反應(yīng)條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農(nóng)林園藝及沙漠治理方面具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現(xiàn)代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學(xué)報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過硫酸鉀為引發(fā)劑，采用正交設(shè)計優(yōu)化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結(jié)構(gòu)及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結(jié)果表明：在正交試驗確定的較優(yōu)工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結(jié)果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關(guān)鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學(xué)校科技計劃（編號：J13LD11）；煙臺大學(xué)青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產(chǎn)成本低、可生物降解、對環(huán)境無污染且具有優(yōu)越的吸水保水性能等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林園藝、沙漠治理等領(lǐng)域[1-2]，而提高該類產(chǎn)品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協(xié)同互補效應(yīng)提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學(xué)純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應(yīng)3 h，產(chǎn)物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區(qū)的黃土。稱取3份質(zhì)量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環(huán)境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結(jié)果與分析

2.1正交試驗結(jié)果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發(fā)而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖?？梢姌渲蟪尸F(xiàn)出明顯的多層蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結(jié)論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優(yōu)反應(yīng)條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應(yīng)溫度，3 h反應(yīng)時間。該反應(yīng)條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農(nóng)林園藝及沙漠治理方面具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現(xiàn)代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學(xué)報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過硫酸鉀為引發(fā)劑，采用正交設(shè)計優(yōu)化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結(jié)構(gòu)及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結(jié)果表明：在正交試驗確定的較優(yōu)工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結(jié)果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關(guān)鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學(xué)?？萍加媱潱ň幪枺篔13LD11）；煙臺大學(xué)青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產(chǎn)成本低、可生物降解、對環(huán)境無污染且具有優(yōu)越的吸水保水性能等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林園藝、沙漠治理等領(lǐng)域[1-2]，而提高該類產(chǎn)品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協(xié)同互補效應(yīng)提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學(xué)純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應(yīng)3 h，產(chǎn)物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區(qū)的黃土。稱取3份質(zhì)量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環(huán)境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結(jié)果與分析

2.1正交試驗結(jié)果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發(fā)而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖?？梢姌渲蟪尸F(xiàn)出明顯的多層蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結(jié)論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優(yōu)反應(yīng)條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應(yīng)溫度，3 h反應(yīng)時間。該反應(yīng)條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農(nóng)林園藝及沙漠治理方面具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現(xiàn)代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學(xué)報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.