葉 楓 谷 雨 韓 斐 徐 曉 黃 晨 馬 琳 丁仁浩馬紅娟 李景燁,3
1(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800)
2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049)
3(上海師范大學(xué) 上海200234)
高吸水樹脂是一種含有大量親水基團(tuán)的高分子材料,由于其富含親水基團(tuán),能夠在其三維網(wǎng)絡(luò)中容納大量的水[1-2]。它們吸水膨脹形成水凝膠,干燥后收縮,可至少吸收相當(dāng)于自身體積至少百倍以上的水分溶脹,同時(shí)保持水分在一定時(shí)間內(nèi)不流失的特性[3]。水凝膠可以通過天然高分子、合成高分子或這兩種高分子之間通過多種交聯(lián)的方式形成[4]。其中,兩種單體的共聚反應(yīng)是改性聚合物凝膠的有效方法[5-6]。而輻射法[7]可以誘導(dǎo)三維網(wǎng)絡(luò)的形成[8]。γ 射線誘導(dǎo)接枝共聚(Radiation Introduced Graft Polymerization,RIGP)作為一種開發(fā)新型功能材料的通用方法[9],已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[10-13]。由于在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下,γ射線可在基體中形成引發(fā)聚合的活性位點(diǎn)[14],不需要額外添加化學(xué)引發(fā)劑[15],因此是一種很有前途的制備聚合材料的方法[16]。然而,由于傳統(tǒng)的水凝膠材料在土壤中降解性不佳,因此人們對使用環(huán)境安全、可降解的高吸水性樹脂的需求不斷增加[17]。近年來,其中一種成分是天然多糖聚電解質(zhì)的水凝膠一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[18]。
海藻酸鈉(Sodium Alginate,SA)[19]是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取碘和甘露醇之后的副產(chǎn)物[20-21]。 其分子由β-D-甘露糖醛酸(β -Dmannuronic,M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic,G)按(1→4)鍵連接而成[22]。作為一種天然的多糖類高分子材料[23],SA具有無毒無害、生物相容性好、綠色環(huán)保、成本較低等優(yōu)勢[24-26],因而在制藥[24,27-28]、生物醫(yī)學(xué)[18,29]和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[30-32]的應(yīng)用廣泛[33-34]。與大多數(shù)天然水凝膠一樣,SA水凝膠較低的機(jī)械強(qiáng)度限制了其廣泛應(yīng)用[35]。因此,各國科學(xué)家通過各種不同的物理或化學(xué)方法對其進(jìn)行改性[5],如接枝[35-37]、共混[38]等。
本文中,我們采用共輻射接枝法,以SA為原料,丙烯酸(Acrylic Acid,AA)為單體,N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(N,N-methylene Bisacrylamide,MBA)為交聯(lián)劑,在60Co 輻射場中輻照,制備了具有3D 空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的海藻酸鈉系高吸水樹脂SA-g-AA,研究了此種高吸水樹脂最佳的制備條件,并對其吸水率、吸水速率、保水性能、重復(fù)使用性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的測試與表征。
SA,化學(xué)純;AA,化學(xué)純,純度為98%;MBA,化學(xué)純,純度為98%;無水甲醇(MeOH),分析純,純度為99.5%;氫氧化鈉(NaOH),分析純,純度為96%;氯化鈉(NaCl),分析純,純度為99.8%。本實(shí)驗(yàn)中所有試劑均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,所有試劑在使用前均未經(jīng)過純化處理。
傅里葉變換紅外光譜儀,Bruker VERTEX 70V,布魯克公司,德國;熱重分析儀,Q500,TA儀器有限公司,美國;掃描電子顯微鏡,Hitachi S-4800,日立公司,日本;60Co 放射源位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),活度為1.37×1015Bq,劑量率用丙氨酸-電子自旋共振(Electron Spin Resonance,ESR)劑量計(jì)標(biāo)定。
采用共輻射法制備SA-g-AA。稱取1 g SA置于三口燒瓶中,加入40 mL 去離子水,在氮?dú)夥諊?,攪拌升溫?0 ℃,保溫30 min,使SA充分糊化。糊化完成后,繼續(xù)攪拌使體系分散均勻,降至室溫。同時(shí)量取適量的4 mL AA 單體,在冰水浴下用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% NaOH 的水溶液進(jìn)行中和,使中和度為75%。然后將其加入到糊化完成的液體中,升溫至一定的溫度,充分?jǐn)嚢韬?,加?.1 g 的交聯(lián)劑MBA,繼續(xù)攪拌15 min后,將樣品轉(zhuǎn)移至100 mL輻照瓶中。將制備好的樣品用封口膠密封,放置在60Co 輻射場中,在氮?dú)鈼l件下輻照至達(dá)到特定吸收劑量,得到淡黃色的凝膠狀產(chǎn)物。取出產(chǎn)物,切成小塊,用甲醇浸泡3~4 h,轉(zhuǎn)移至表面皿中,在60 ℃烘箱中烘干至恒重。取出稱重,粉碎,過篩,得到淡黃色顆粒狀樣品。
圖1 SA-g-AA高吸水樹脂合成機(jī)理圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of SA-g-AA super absorbent polymer
1.3.1 FTIR分析
采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker VERTEX 70V 傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,F(xiàn)TIR)對制得的樹脂樣品進(jìn)行表征。樹脂樣品經(jīng)去離子水及乙醇反復(fù)洗滌后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重,并粉碎過篩。分別取適量的SA、SA-g-AA粉體,用KBr壓片,置于紅外光譜儀中,波數(shù)為400~4 000 cm-1,對樹脂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。
1.3.2 熱性能分析
熱重分析:通過采用美國TA儀器有限公司生產(chǎn)的Q500型熱重分析儀(Thermogravimetric,TG)對樣品的熱穩(wěn)定性能。在氮?dú)夥諊?,所有待測樣品從30 ℃升溫至800 ℃,升溫速率為10 ℃·min-1,記錄樣品的熱降解行為。
1.3.2 形貌表征
通過日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi S-4800 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察樣品的斷面形貌。將樣品置于60 ℃的烘箱干燥完全后,進(jìn)行噴金處理,加速電壓為3 kV。
固定SA 用量為1 g、SA 糊化溫度70oC、NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、AA 中和度為75%、每次攪拌時(shí)間15 min等條件不變,采用單一因素實(shí)驗(yàn)法,分別考察吸收劑量、反應(yīng)溫度、AA 單體與SA 的質(zhì)量配比、交聯(lián)劑MBA 用量等對樹脂吸水率的影響規(guī)律,確定制備樹脂的最佳條件。
分別稱取0.25 g 干燥的樹脂放入250 mL 燒杯中,加入200 mL 去離子水或0.9%的NaCl 溶液,在室溫下靜置使其充分溶脹、吸水,達(dá)飽和狀態(tài)后用100目鎳網(wǎng)濾去多余的液體并濾瀝15 min,稱取此時(shí)吸水后樹脂的質(zhì)量,按式(1)計(jì)算樹脂的吸水率Q(g·g-1)為:
式中:m1和m0分別為干燥樹脂吸液前后的質(zhì)量,g。
分別稱取0.1 g§1.5 中最佳吸水率條件下對應(yīng)的SA-g-AA 高吸水樹脂粉末,放入250 mL 燒杯中,加入200 mL 去離子水,在室溫下靜置使其充分溶脹、吸水,每隔一段時(shí)間后測定其吸水率,方法同§1.5中所述。
稱取0.25 g §1.5 中最佳吸水率條件下對應(yīng)的SA-g-AA 高吸水樹脂粉末,充分吸取去離子水后使其達(dá)到溶脹平衡狀態(tài),在100目鎳網(wǎng)中靜置并稱重。然后放入溫度為25oC,濕度為50%的恒溫恒濕箱中,測定不同時(shí)間下樹脂凝膠的質(zhì)量,按式(2)計(jì)算樹脂的保水率W(%)為:
式中:m1為溶脹平衡狀態(tài)下吸水樹脂的質(zhì)量,g;m2為某一時(shí)刻吸水樹脂的質(zhì)量,g。
稱取0.25 g §1.5 中最佳吸水率條件下對應(yīng)的SA-g-AA 高吸水樹脂粉末樣品,充分吸取去離子水24 h后,使其達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)形成水凝膠,后按照式(1)計(jì)算樣品的吸水率,然后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重,取出烘干后的樣品,再次吸水24 h,稱重,測定其吸水率。重復(fù)以上步驟若干次,考察樣品的重復(fù)吸水性能。
圖2是接枝前后SA與SA-g-AA的紅外光譜圖。從圖2 可以看出,接枝前海藻酸鈉中出現(xiàn)在3 410 cm-1處強(qiáng)而寬的吸收峰即為海藻酸鈉O-H 的伸縮振動峰,主要由分子間的氫鍵形成。1 618 cm-1處的特征峰為海藻酸鈉-COO基團(tuán)的C-O不對稱伸縮振動峰,1 415 cm-1處的特征峰為-COO基團(tuán)的CO 對稱伸縮振動峰[16]。1 301 cm-1處的峰是羥基中O-H鍵的剪切振動峰,1 096 cm-1處的伸縮振動峰為分子結(jié)構(gòu)中C-O-C的伸縮振動峰,這是海藻酸鈉中-O-的吸收峰,1 029 cm-1附近是環(huán)醇中的O-H振動峰,這是海藻酸鈉中的-OH的吸收峰,894 cm-1處是與糖環(huán)半縮醛羥基相連的C-H 彎曲振動峰[33]。而從接枝后SA-g-AA的圖譜可以看出,1 733 cm-1處的新吸收峰為羰基中C-O鍵伸縮振動峰,1 455 cm-1的新吸收峰為丙烯酸中-CH的彎曲振動峰,1 163 cm-1的新吸收峰為C-O鍵伸縮振動峰[39],這些新峰表明丙烯酸已經(jīng)成功地接枝到了海藻酸鈉上。
圖2 SA與SA-g-AA的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of SA and SA-g-AA
SEM顯示了SA-g-AA高吸水樹脂的微觀形貌,如圖3 所示??梢钥闯?,SA-g-AA 的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻,形成了光滑而致密的表面。
圖3 不同放大倍數(shù)下的SA-g-AA的SEM圖Fig.3 SEM images of SA-g-AA under different magnifications
圖4 為SA 與SA-g-AA 的熱重量/微分熱重量(Thermogravimetric/ Derivative thermogravimetry,TG/DTG)圖。從圖4 可以看出,在SA 中,從開始到升溫至200 ℃時(shí)出現(xiàn)了輕微的重量損失,這是由于溫度升高導(dǎo)致甘露糖醛酸和古洛糖醛酸發(fā)生鏈段斷裂從而導(dǎo)致失水。而大部分重量損失發(fā)生在210~245 ℃,這是由于海藻酸鈉的聚合物主鏈發(fā)生了斷裂。在250~470 ℃內(nèi)所產(chǎn)生的重量損失對應(yīng)于聚合物鏈的輕微斷裂[4]。而接枝改性后的SA-g-AA發(fā)生在210~270 ℃的重量損失減小,大部分重量損失發(fā)生在400~500 ℃這一新出現(xiàn)的溫度范圍內(nèi),這是由于接枝后的AA 接枝鏈斷裂造成的,改性后的接枝共聚物熱穩(wěn)定性高于SA,這說明AAc的加入提高了SA的熱穩(wěn)定性[40]。
對高吸水性復(fù)合材料的溶脹動力學(xué)進(jìn)行了初步研究。對已稱取好的同等質(zhì)量的SA-g-AA 高吸水樹脂,分別同時(shí)放入含有200 mL 去離子水的燒杯中,分別在第3 min、9 min、12 min、21 min、30 min、60 min、120 min、180 min依次取出測量其吸水率,測得數(shù)值分別為48.5 g·g-1、193.4 g·g-1、266.7 g·g-1、342.9 g·g-1、389.4 g·g-1、566.6 g·g-1、574.3 g·g-1和579.8 g·g-1,如圖5所示。圖5中展示了SA-g-AA水凝膠的動態(tài)溶脹行為。在最初的30 min內(nèi)吸水率急劇增加,然后開始趨于平穩(wěn),60 min后已經(jīng)基本達(dá)到飽和狀態(tài),表明制得的SA-g-AA 高吸水樹脂具有相對較快的吸水速率。
圖4 SA(a)與SA-g-AA(b)的熱重量/微分熱重量圖譜Fig.4 TG/DTG images of SA(a)and SA-g-AA(b)
圖5 SA-g-AA的吸水速率與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Water retention ratio of SA-g-AA as a function of time
圖6 為吸收劑量對SA-g-AA吸水率的影響。固定反應(yīng)溫度70oC,AA/SA=4:1,MBA用量為0.1 g不變的情況下,分別控制輻照的吸收劑量為3.52 kGy、4.4 kGy、5.28 kGy、7.05 kGy、10 kGy 和14.09 kGy。從圖6可以看出,當(dāng)吸收劑量低于5.28 kGy時(shí),隨著吸收劑量的逐漸升高,輻照生成的自由基數(shù)量增多,接枝共聚物形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大,吸水率增大[41],在5.28 kGy 下達(dá)到最佳狀態(tài)379.4 g·g-1。而繼續(xù)升高吸收劑量時(shí),自由基數(shù)目進(jìn)一步增多,導(dǎo)致丙烯酸鈉自聚情況增多,從而其自交聯(lián)情況嚴(yán)重,不利于其吸水時(shí)聚合物鏈的伸長,最終導(dǎo)致吸水率下降[42]。
圖6 去離子水與0.9%NaCl溶液中SA-g-AA的吸水率與吸收劑量的關(guān)系Fig.6 Swelling ratios of SA-g-AA in deionized water and 0.9%NaCl solution as a function of absorbed dose
圖7 顯示了丙烯酸用量對SA-g-AA吸水率的影響。固定吸收劑量5.28 kGy,反應(yīng)溫度70oC,MBA用量為0.1 g 不變,分別向體系中添加3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、7 mL、8 mL 的AA,對應(yīng)的AA/SA 質(zhì)量配比分別為3:1、4:1、5:1、6:1、7:1 和8:1。當(dāng)AA/SA質(zhì)量配比小于5:1時(shí),可以發(fā)現(xiàn)隨著溶液中AA含量的增加,在SA上接枝了越來越多的來自AA中的親水基團(tuán),有助于聚合物網(wǎng)絡(luò)形成,從而提高了水凝膠樣品的吸水率。在AA/SA質(zhì)量配比為5:1時(shí)達(dá)到最佳,為424.3 g·g-1。而AA/SA 質(zhì)量配比超過5:1 時(shí),含量繼續(xù)升高,吸水率反而下降。這可能是由于介質(zhì)粘度過大阻礙了自由基和單體分子的運(yùn)動,及鏈轉(zhuǎn)移到單體分子上的機(jī)會增大,阻礙了水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的有效形成,進(jìn)而導(dǎo)致了吸水率下降[6,43]。
圖7 去離子水與0.9%NaCl溶液中SA-g-AA的吸水率與AA單體用量的關(guān)系Fig.7 Swelling ratios of SA-g-AA in deionized water and 0.9%NaCl solution as a function of AA monomer dosage
圖8 顯示了反應(yīng)溫度對SA-g-AA 吸水率的影響,固定吸收劑量5.28 kGy,AA/SA=5:1,MBA 用量為0.1 g,控制反應(yīng)溫度分別為50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃和80 ℃,當(dāng)反應(yīng)溫度低于65 ℃時(shí),隨著反應(yīng)溫度的上升,接枝聚合的速度逐漸變快,自交聯(lián)程度逐漸提升,空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更易形成,對應(yīng)吸水率提高,當(dāng)65 ℃時(shí)吸水率達(dá)到最佳狀態(tài)469.5 g·g-1。隨著反應(yīng)溫度的進(jìn)一步升高,由于反應(yīng)速度過快,導(dǎo)致局部發(fā)熱情況增大,鏈轉(zhuǎn)移及鏈終止反應(yīng)增多,產(chǎn)物相對分子質(zhì)量降低,且不利于空間網(wǎng)絡(luò)的形成,吸水率下降[44]。
圖8 去離子水與0.9%NaCl溶液中SA-g-AA的吸水率與溫度的關(guān)系Fig.8 Swelling ratios of SA-g-AA in deionized water and 0.9%NaCl solution as a function of temperature
根據(jù)弗洛里的網(wǎng)絡(luò)理論,聚合過程中,交聯(lián)劑是構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的必要條件,因此交聯(lián)劑對高吸水性樹脂在聚合過程中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起著重要作用。固定吸收劑量為5.28 kGy,AA/SA=5:1,反應(yīng)溫度為65 ℃的條件不變,圖9中顯示了交聯(lián)劑MBA含量對高吸水性樹脂吸水率的影響。由圖9,當(dāng)MBA 用量為0.05 g,即相對于AA 量的1.25%時(shí),樣品的吸水率達(dá)到現(xiàn)有體系內(nèi)所有樣品的最佳狀態(tài),達(dá)到579.8 g·g-1。當(dāng)MBA 含量低于1.25%時(shí),吸水率會降低。這是因?yàn)楦呶畼渲械慕宦?lián)密度較低,不利于三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。而超過了1.25%時(shí),進(jìn)一步增加MBA的用量會導(dǎo)致體系中三維網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度不斷增大,這反而使得用于保持高吸水樹脂水分不會流失的網(wǎng)格之間的空間不斷減小,從而使網(wǎng)絡(luò)更難遇水溶脹,這是導(dǎo)致吸水率降低的原因[17]。因此,MBA的最佳用量為1.25%。
圖9 去離子水與0.9%NaCl溶液中SA-g-AA的吸水率與交聯(lián)劑MBA用量的關(guān)系Fig.9 Swelling ratios of the SA-g-AA in deionized water and 0.9%NaCl solution as a function of MBA
用上述最佳吸水率579.8 g·g-1條件下對應(yīng)的水凝膠,即制備條件為溫度65 ℃,吸收劑量5 kGy,AA與SA質(zhì)量比為5:1,交聯(lián)劑MBA用量為1.25%,AA中和度為75%的SA-g-AA高吸水樹脂進(jìn)行保水性能測試,如圖10所示。從圖10可以看出,在常壓、恒溫、恒濕條件下,隨著時(shí)間的延長,樹脂的保水性能逐漸下降,直至最終完全失水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:樹脂在常壓條件下失水速率緩慢,最終經(jīng)過15 d后,樹脂完全失水,表明樹脂具有較好的保水性。
圖10 SA-g-AA的保水性能與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Water retention ratio of SA-g-AA as a function of time
為了評估制得高吸水樹脂樣品的可重復(fù)使用性,通過測量吸水后的SA-g-AA水凝膠樣品在連續(xù)7 次的溶脹-干燥循環(huán)周期中的吸水率的變化,以此評估其溶脹能力的損失,如圖11 所示。可以看出,在連續(xù)的溶脹-干燥循環(huán)周期中,SA-g-AA的吸水能力呈下降趨勢。SA-g-AA樣品的吸水率在第0次至第7 次 循 環(huán) 分 別 為579.8 g·g-1、578.5 g·g-1、575.6 g·g-1、570.3 g·g-1、568.7 g·g-1、565.2 g·g-1、552.6 g·g-1和534.1 g·g-1。結(jié)果表明:經(jīng)過了7 次溶脹-干燥循環(huán)后,SA-g-AA 的吸水率是其初始值的92.1%,其溶脹損失僅為7.9%,具有很好的重復(fù)吸水能力。
圖11 SA-g-AA的吸水率與重復(fù)吸水次數(shù)的關(guān)系Fig.11 Swelling ratio of SA-g-AA as a function of recycling times
采用共輻射接枝的方法成功合成了新型SA-g-AA高吸水樹脂,通過傅立葉變換紅外光譜、掃描電子顯微鏡、熱重分析證實(shí)了SA-g-AA 水凝膠結(jié)構(gòu)、形貌及性能的成功制備。通過單一因素實(shí)驗(yàn)法,系統(tǒng)地研究了吸收劑量、AA 單體用量、反應(yīng)溫度及MBA用量對SA-g-AA吸水率的影響,并得出最佳制備條件為:溫度65 ℃、吸收劑量5 kGy、AA 與SA 質(zhì)量比為5:1、交聯(lián)劑MBA 用量為1.25%、AA 中和度為75%。此時(shí)制得的高吸水性樹脂的吸水率可以達(dá)到579.8 g·g-1。對此條件下的SA-g-AA高吸水樹脂進(jìn)行重復(fù)吸水實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,重復(fù)吸水7 次后,其吸水效果率為初始吸水率的92.5%,具有較好的重復(fù)吸水性能;取相同條件下、已達(dá)到飽和吸水率后的SA-g-AA水凝膠,將其置于恒溫恒濕箱中,最長可保水15 d,具有良好的保水性能。綜上所述,SA-g-AA高吸水樹脂符合中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY886―2010對農(nóng)林保水劑規(guī)格參數(shù)的要求(①去離子水:100~700 倍;②0.9% NaCl 溶 液:≥30 倍;③粒 徑:≤4.75 mm)。
以上結(jié)果表明,該復(fù)合高吸水性水凝膠有望在保水治沙方面有著良好的應(yīng)用前景。
致謝感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子科學(xué)與工程系輻射化學(xué)課題組的葛學(xué)武教授、汪謨貞副教授在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、可行性分析方面提供的指導(dǎo)與建議,感謝課題組中的吳義虎、江蒙、王黎安、葛志青、孫銳在具體實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)器材方面提供的支持與建議,感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鈷源輻照室的王尚飛老師在樣品輻照方面提供的支持。