稻殼基高吸水性樹脂的合成與性能研究

梁猛，張小舟，馬若芳，張金剛，其勒格爾

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稻殼基高吸水性樹脂的合成與性能研究

梁猛1，張小舟，馬若芳，張金剛，其勒格爾

（齊齊哈爾大學 材料科學與工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

以過硫酸鉀為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用溶液聚合反應將丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）單體接枝到改性稻殼纖維中合成稻殼基高吸水性樹脂．研究了反應溫度、引發(fā)劑用量和交聯(lián)劑等因素對高吸水性樹脂吸液率的影響．結果表明，反應溫度為55 ℃，改性纖維∶丙烯酸∶丙烯酰胺=1∶3∶2，引發(fā)劑用量占單體質量的1.56%，交聯(lián)劑用量占單體質量的0.44%時，制備的高吸水性樹脂吸液率最大，其對吸去離子水和0.9% NaCl的吸液率分別為154.5 g/g和34.6 g/g．

稻殼；纖維素；高吸水樹脂；接枝共聚

我國作為農業(yè)大國，稻殼來源豐富，但長期得不到合理利用，隨著不可再生資源的日益枯竭，可再生資源的綜合利用越來越被更多研究者看重．稻殼主要由纖維素、木質素等天然高分子物質組成，稻殼纖維經過加工改性，具有不同的功能特性[1-2]．

纖維素是多糖高分子化合物，均由D-葡萄糖單元組成，含有大量羥基，本身具有很強的吸水性，但是天然纖維素的吸水能力不強．為了提高它的性能，主要是通過化學反應使它具有更強或者更多的親水基團，以提高其吸水能力，制備出性能優(yōu)良的高吸水性樹脂[3]．

高吸水性樹脂（Super Absorbent Resin，簡稱SAR）又稱高吸水性聚合物（SAP），是一種含有羧基、羥基等強親水性基團并具有一定交聯(lián)度的水溶脹型高分子聚合物．與水接觸后能在很短的時間內溶脹，可吸收自身質量的百倍甚至千倍的水，并膨潤成凝膠，即使受外加壓力也不能把水分離出來，可以反復使用．它既有奇特的吸水性能和保水能力，同時又具備高分子材料的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的吸水材料相比具有更大的優(yōu)勢，在醫(yī)藥衛(wèi)生、農林建筑等方面均有廣泛應用[4]．高吸水性樹脂發(fā)展很快，種類繁多，按其原料來源主要分為淀粉系[5]、纖維素系[6-10]和合成樹脂類．本文以來源豐富、價格低廉的稻殼纖維為合成骨架，通過接枝單體來制備性能優(yōu)良的高吸水性樹脂．

1實驗部分

1.1儀器與試劑

集熱式磁力加熱攪拌器，DF-1，精密定時電動攪拌器，JJ-1（江蘇金壇市環(huán)宇科學儀器廠）；電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；多功能粉碎機，750T（鉑歐五金廠）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope），S-4300（日本HITACHI公司）；紅外光譜儀（FT-IRSpectrometer），Specdrum（美國PE公司）．

稻殼（黑龍江齊齊哈爾）；馬來酸酐，丙烯酰胺（AM），N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（天津市科密歐化學試劑有限公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）（天津市富宇精細化工有限公司）；丙烯酸（AA），過硫酸鉀（天津市光復科技發(fā)展有限公司）；氫氧化鈉（天津市凱通化學試劑有限公司）．以上試劑均為分析純．

1.2稻殼的改性

將稻殼用去離子水洗滌數(shù)次，烘干粉碎過100目檢驗篩得稻殼粉末，然后稱取粉碎烘干的稻殼粉末用10% NaOH溶液在60 ℃下反應0.5 h，洗滌至中性，并于60 ℃烘干后與馬來酸酐在DMF溶劑中90 ℃反應5 h，反應完畢后過濾、洗滌、烘干，即得到馬來酸酐改性稻殼纖維．

1.3高吸水性樹脂的合成

反應在裝有溫度計、攪拌器和回流冷凝器的250 mL三口燒瓶中進行．首先將三口瓶置于集熱式磁力加熱水浴鍋內，加入一定量蒸餾水和改性稻殼纖維，90 ℃糊化0.5 h，降溫至適當溫度，將精確稱量的過硫酸鉀加入到糊化液中，恒溫攪拌約10 min，滴加中和度為70%的丙烯酸、丙烯酸胺和交聯(lián)劑N，N一亞甲基雙丙烯酸胺單體混合溶液，繼續(xù)攪拌聚合反應至有膠體出現(xiàn)后將聚合物取出，乙醇水溶液洗滌、干燥、粉碎，得高吸水性樹脂試樣．

1.4性能測試

1.4.1吸液率測定準確稱取適量、干燥的吸水樹脂，質量為1，加入到足量去離子水或0.9% NaCl溶液中，靜置至飽和后用100目檢驗篩濾去水，稱量樹脂吸液飽和時的質量為2，按公式=（2-1）/1計算樹脂的吸液率．

1.4.2重復吸液率測定測定方法同1.4.1，將吸液飽和的吸水樹脂干燥后，進行重復吸液率測試．

1.4.3保水性測試將吸水達飽和的吸水樹脂放在鼓風干燥箱中60 ℃下進行干燥，每0.5 h記錄一次失水率．

1.5結構表征

1.5.1紅外分析將樣品與KBr研細壓片，用紅外光譜儀對樣品掃描測試，掃描波數(shù)范圍：4 000~400 cm-l．

1.5.2SEM表征通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡對樣品表面進行表征．

2結果與討論

2.1測試分析

2.1.1重復吸液率測定對制備的吸水樹脂重復使用性測試結果見表1．由表1可見，隨著重復使用次數(shù)的增多，吸液率呈下降趨勢，每次吸水液率同上次相比平均減少3.2 g，吸鹽率同上次相比平均每次減少1.6 g．因此，利用改性稻殼制備吸水性樹脂有良好的重復使用性．

表1　纖維素基吸水樹脂重復使用吸液率

2.1.2保水性測定以1 g吸水達飽和的樣品為例，對其在60 ℃下每隔0.5 h的失水量進行稱量，結果見圖1．由圖1可見，60 ℃下平均失水率為14.9 g/h，說明此吸水樹脂具有良好的保水性能．這是因為吸水樹脂具有空間網絡結構且含有大量親水基團，水分子進入網格后，空間網絡的束縛使水分子的熱運動受到限制，不易從網中逸出．另外，吸水樹脂中吸水基團與水形成氫鍵，將水固定在高分子鏈上，使其蒸發(fā)消耗的能量變大，因此水分子流失困難，從而使高吸水樹脂的保水性能增強．

圖1　纖維素基吸水樹脂失水率

2.1.3紅外測試樣品的紅外光譜圖見圖2．其中曲線1，2，3分別是稻殼原料、改性稻殼纖維和稻殼基高吸水性樹脂的紅外光譜圖．對比曲線1和曲線2可以發(fā)現(xiàn)，曲線2中在1 719 cm-1處出現(xiàn)了羧基的C=O伸縮振動吸收峰，初步表明馬來酸酐改性成功．在曲線3中，1 668.20 cm-1處為-CONH2中C=O伸縮振動吸收峰，1 571.69 cm-1和1 407.36 cm-1處為-COONa中C=O不對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，由此可以初步表明，改性稻殼纖維與丙烯酰胺和丙烯酸發(fā)生了接枝共聚反應．

圖2　樣品紅外光譜檢測圖

2.1.4SEM測試樣品電鏡圖見圖3．由圖3a可見，經粉碎后的稻殼，由于存在大量結晶區(qū)，使得這些區(qū)域內的分子堆砌非常緊密，水分子難以擴散滲透進去，因而造成稻殼纖維本身吸液率不高．由圖3b可見，改性稻殼纖維素表面變得松散，比表面積增大，使得反應試劑易于與纖維素上的-OH進行反應，從而提高接枝率．由圖3c可見，改性纖維接枝單體后，呈現(xiàn)疏松多孔的三維網絡結構，表面布滿微孔和空隙，這種多孔結構有利于水分子的滲入與保持，增強了吸水保水能力．

圖3　樣品電鏡圖

2.2結果討論

2.2.1反應溫度固定引發(fā)劑用量占單體用量的1.56%，交聯(lián)劑用量為單體用量的0.44%，改性纖維∶丙烯酸∶丙烯酰胺=1∶3∶2，改變反應溫度，考察不同反應溫度對聚合物吸水率影響，結果見圖4．由圖4可見，隨著反應溫度的升高，吸水率呈先增后減的趨勢．這主要是因為反應溫度較低時，引發(fā)劑導致稻殼纖維自由基濃度低，聚合反應速度慢，不能有效形成三維網絡結構，生成聚合物分子量小，產物水溶性部分增多，溫度過低，甚至無法形成凝膠．隨著溫度的升高，聚合物吸水率不斷上升，但當溫度過高時，引發(fā)分解速度快，聚合反應快速進行，反應液粘度增大，反應熱無法迅速排出，易造成爆聚，使得聚合物分子量降低，從而導致吸水率降低，當反應溫度為55 ℃時，吸水率最大．

圖4　反應溫度對吸水率的影響

2.2.2引發(fā)劑用量固定反應條件如2.2.1，反應溫度定為55 ℃，改變引發(fā)劑用量，考察不同用量引發(fā)劑對聚合物吸水率的影響，結果見圖5．由圖5可見，引發(fā)劑用量過高或過低，吸水率都不高．這是因為引發(fā)劑用量低于最適用量時，生成的反應活性中心少，單體轉化率低，交聯(lián)密度降低，不能有效形成網絡結構，導致吸水率下降；隨著引發(fā)劑用量增加，反應活性增多，使得單體更好地接枝在稻殼纖維上，因此吸水率升高．但當引發(fā)劑用量達到最適用量后繼續(xù)增加時，引發(fā)產生稻殼纖維上活性中心過多，反應劇烈，易爆聚，導致聚合產物中低分子量聚合物增多，吸水率下降，因此引發(fā)劑最適用量為單體用量的1.56%．

圖5　引發(fā)劑用量對吸水率的影響

2.2.3交聯(lián)劑用量固定反應條件如2.2.2，引發(fā)劑用量固定為單體用量的1.56%，改變交聯(lián)劑用量，考察不同用量交聯(lián)劑對聚合物吸水率影響，結果見圖6．交聯(lián)劑對吸水樹脂吸水率的影響主要依賴于吸水樹脂空間三維網絡結構的建立．由圖6可見，交聯(lián)劑用量過多或過少，吸水率都不高，主要原因是因為交聯(lián)劑用量低于最佳用量時，稻殼纖維交聯(lián)程度低，交聯(lián)密度小，難以形成網絡結構，導致聚合物中水溶性部分增加，吸水率下降，隨著交聯(lián)劑用量的增加，空間網絡逐漸形成，吸水率逐漸升高，當吸水率達到最佳值后，繼續(xù)增加交聯(lián)劑用量，導致交聯(lián)點過多，交聯(lián)密度增大，形成的網絡結構空間相對變小，不利于水分子進入，吸水率下降，因此當交聯(lián)劑用量是單體用量的0.44%時為最佳．

圖6　交聯(lián)劑用量對吸水率的影響

3結論

以改性稻殼纖維為原料，過硫酸鉀為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，丙烯酸、丙烯酰胺為單體通過水溶液接枝聚合法制備新型具有良好的重復利用性的稻殼基高吸水性樹脂．結果表明，高吸水性樹脂的最佳合成條件為改性纖維∶丙烯酸∶丙烯酰胺=1∶3∶2，引發(fā)劑用量為單體用量的1.56%，交聯(lián)劑用量為單體用量的0.44%，丙烯酸中和度為70%，反應溫度為55 ℃．制備的高吸水性樹脂的吸液率達到最大值，其中對去離子水的吸液率為154.5 g/g，0.9% NaCl的吸液率為34.6 g/g．

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The synthesis and performance research of rice husk based superabsorbent resin

LIANG Meng，ZHANG Xiao-zhou，MA Ruo-fang，ZHANG Jin-gang，Qilegeer

（School of Materials Science and Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

With potassium persulfate as initiator，N，N-methylene double acrylamide as crosslinking agent，using aqueous solution polymerization to acrylic acid（AA）and acrylamide（AM）monomer grafting to the synthesis of the modified rice husk fibre rice husk based superabsorbent resin．Studied the reaction temperature，dosage of initiator，crosslinking agent and other factors on the liquid absorption rate of superabsorbent resin．The results show that the reaction temperature of 55 ℃，modified fiber∶acrylic acid∶acrylamide= 1∶3∶2，quality as a benchmark to monomer，initiator dosage was 1.56%，the dosage of crosslinking agent is 0.44%，and the preparation of super absorbent resin liquid absorption rate is the largest，its absorption of deionized water and saline solution ratio as high as 154.5 g/g and 34.6 g/g．

rice husk；cellulose；high absorbent resin；graft copolymerization

1007-9831（2016）02-0037-04

O63

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.011

2015-12-16

黑龍江省自然科學基金資助項目（E210259）；黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201510221074）

梁猛（1994-），男，安徽阜陽人，在讀本科生. E-mail：liangm0106@163.com

張小舟（1974-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，主要從事功能高分子合成和應用方面的研究. E-mail：zhangxzh-n@163.com