秸稈種類對秸稈基高吸水性樹脂性能的影響

潘滋涵

（承德石油高等?？茖W(xué)校化學(xué)工程系，河北 承德067000）

高吸水性樹脂具有優(yōu)良的吸水性和保水性，在醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)林、建筑等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。以秸稈為原料制備高吸水性樹脂，具有成本低、性能好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高吸水性樹脂的可持續(xù)發(fā)展[1-7]。

不同作物秸稈，因其組成不同，導(dǎo)致制備的高吸水性樹脂性能有一定的差異，因此有必要通過實(shí)驗(yàn)篩選出一種最適宜的作物秸稈。本研究選用玉米、小麥、高粱三種最為常見易得的作物秸稈為原料，比較其合成的高吸水性樹脂的各項(xiàng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與藥品

HH-6 恒溫水浴鍋（金壇市大地自動化儀器廠）；DHG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；GJ-3A密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)（鶴壁市民生開發(fā)有限責(zé)任公司）。

玉米秸稈、小麥秸稈、高梁秸稈，采自承德市郊，干燥飽滿無污染。丙烯酸，化學(xué)純；丙烯酰胺，分析純；過硫酸銨，分析純；N,N＇—亞甲基雙丙烯酰胺，分析純；氫氧化鈉，化學(xué)純，以上試劑均購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 秸稈的預(yù)處理

將作物秸稈用清水洗凈后放到溫度為80℃的烘箱內(nèi)烘至恒重。取出秸稈剪碎并用粉碎機(jī)做粉碎處理，過100目篩后用10 wt%的NaOH溶液浸泡2 h[8-9]，再進(jìn)行抽濾，并用無水乙醇洗至中性，烘干至恒重。

1.2.2 樹脂的合成

首先稱取適量預(yù)處理后的秸稈并加入到三頸瓶中，再加入適量蒸餾水，放到溫度為80℃的恒溫水浴鍋中攪拌。然后配制單體溶液，先用氫氧化鈉溶液中和丙烯酸（AA），然后向其中加入丙烯酰胺（AM）和引發(fā)劑過硫酸銨，并攪拌使其溶解，把水浴鍋溫度降到60℃，再將混合溶液加入到三頸瓶內(nèi)，通氮?dú)?，在反?yīng)45 min后加入交聯(lián)劑N,N＇—亞甲基雙丙烯酰胺，直至出現(xiàn)爬桿現(xiàn)象。最后將反應(yīng)產(chǎn)物倒出，置于60℃烘箱內(nèi)烘至恒重，然后取出剪碎成小塊。

1.2.3 吸水能力的測試

先用電子天平稱取質(zhì)量為M1的干燥后的高吸水性樹脂，然后選取80目的濾袋稱量其質(zhì)量，記為M2。將高吸水性樹脂放入濾袋內(nèi)，將其放在液體中浸泡，使高吸水性樹脂充分吸水達(dá)到飽和。最后提出濾袋，濾掉水分，稱量濾袋與吸水后的樹脂總質(zhì)量，記為M3。最后計算高吸水性樹脂的吸水倍率。高吸水性樹脂的吸水倍率Q的計算公式：

1.2.4 保水性能測試

先選擇干燥的燒杯稱量其質(zhì)量，記錄為M1，然后選取充分吸水達(dá)到飽和的高吸水性樹脂放于燒杯中，稱量其總重量，并記錄為M2。將恒溫干燥箱的溫度設(shè)置為40℃，再把裝有高吸水性樹脂的燒杯放于恒溫干燥箱內(nèi)，每隔一小時拿出來稱量其總質(zhì)量，記為M0。

用所得到的數(shù)據(jù)計算高吸水性樹脂的保水率，按照下式計算：

1.2.5 高吸水性樹脂凝膠強(qiáng)度的測試

先選取適量高吸水性樹脂置于蒸餾水中，讓其充分吸水達(dá)到飽和，選取合適凝膠用美工刀修飾為1 cm×1 cm×1 cm 的立方體，然后將樹脂放置在載玻片上，并在其上表面放置蓋玻片。用游標(biāo)卡尺測量載玻片與蓋玻片之間的距離，記為L0；選用合適載玻片重置于蓋玻片上，樹脂因?yàn)閴毫ψ饔脮l(fā)生一定形變，再用游標(biāo)卡尺測量蓋玻片與載玻片之間的距離，記為L1。重復(fù)三次取平均值，用樹脂的抗壓形變量ΔL（ΔL=L1-L0）來表征高吸水性樹脂的凝膠強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類秸稈基高吸水性樹脂的吸水能力

圖1 不同種類秸稈基高吸水性樹脂在不同液體中的吸水倍率

從圖1中可以看出，玉米秸稈基高吸水性樹脂的吸水倍率在不同溶液中都是最大的。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)以纖維素為原料制備高吸水性樹脂，纖維素含量越多，越有利于樹脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，但作物秸稈中還有木質(zhì)素和半纖維素等其他成分，而木質(zhì)素中的苯酚單元對聚合反應(yīng)起到了一定的阻礙作用，使樹脂無法有效形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且阻礙樹脂的膨脹。從圖1 中還可以發(fā)現(xiàn)，秸稈基高吸水性樹脂在蒸餾水中的吸水倍率都是最大的，而在自來水和生理鹽水中的吸水倍率要小很多倍。這是因?yàn)樽詠硭c生理鹽水中含有大量離子，根據(jù)Flory 吸水公式，溶液離子強(qiáng)度越大，則表明滲透壓越小，所以高吸水性樹脂的吸水率就會變小。

不同作物秸稈各組分含量見表1，從表1可知，玉米秸稈纖維素含量高，木質(zhì)素的含量很低[10]，所以用玉米秸稈制備高吸水性樹脂更利于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，吸水性能也最好，通過比較還發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈基高吸水性樹脂的耐鹽性最好。

2.2 不同種類秸稈基高吸水性樹脂的保水能力

不同種類秸稈基高吸水性樹脂在40℃溫度下的保水性能如圖2 所示。經(jīng)過7 h 后，三種不同的秸稈基高吸水性樹脂的保水率都在50%以上，表明三種高吸水性樹脂都具有良好的保水性，其中以玉米秸稈基高吸水性樹脂的保水性能最好。在脫水時，首先是在樹脂分子內(nèi)的自由水從空隙內(nèi)先脫去，其次是在外界溫度的作用下，與秸稈通過化學(xué)鍵的形式形成的結(jié)合水，而結(jié)合水較難脫去，因此玉米秸稈基高吸水性樹脂的保水性能最好。

表1 不同作物秸稈中各組分的含量

圖2 不同種類秸稈基高吸水性樹脂的保水率

2.3 不同種類秸稈基高吸水性樹脂的凝膠強(qiáng)度

圖3 不同種類秸稈基高吸水性樹脂的受壓形變量

從圖3中可看出，受壓形變量最小的是用玉米秸稈制備的高吸水性樹脂，表明該樹脂的凝膠強(qiáng)度最大。這同樣也與高吸水性樹脂的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同種類的秸稈其成分含量不同，導(dǎo)致不同秸稈制備出的樹脂的接枝點(diǎn)數(shù)目也不同，接枝點(diǎn)越多，就越有利于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也就越強(qiáng)，樹脂的凝膠強(qiáng)度也越高。

3 結(jié)論

（1）以玉米秸稈為原料制備的高吸水性樹脂，其吸水能力明顯高于小麥和高梁，這是因?yàn)橛衩捉斩捴械睦w維素含量最高。

（2）三種作物秸稈都具有良好的保水性能，其中玉米秸稈制備的高吸水性樹脂保水能力最佳。

（3）以玉米秸稈為原料制備的高吸水性樹脂其凝膠的受壓形變量最小，強(qiáng)度最大。

綜上所述，玉米秸稈在本研究所用的三種秸稈中最適宜制備高吸水性樹脂，其制備的高吸水性樹脂綜合性能最優(yōu)。