淀粉基綠色吸水性樹脂的制備及抑塵性能

吳瑞紅，孫會娟，周曉霞，彭璐露，劉兆

（衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，河北衡水053000）

近年來沙塵天氣在一些地區(qū)較頻繁出現(xiàn)，既造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，又給人民的生產(chǎn)、生活帶來不便[1]。淀粉基高吸水性樹脂具有大量親水基團(tuán)的交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能吸水、存水，具有很好的耐蒸發(fā)、抑塵效果。若將其抑塵劑噴灑于塵土表面上，塵面上的SAP樹脂會下滲到塵土顆粒的孔隙內(nèi)并滯留其中[2]，將水分包圍，增加塵粒的含濕量，同時由于高吸水性樹脂具有一定的粘結(jié)性，粘附粉塵顆粒，起到很好的抑塵效果。本研究以紅薯淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺為主要原料，過硫酸鉀為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用接枝聚合法制備淀粉基綠色吸水性樹脂（SAP），并測試其抑塵性。

1 實驗部分

1.1 藥品

過硫酸鉀，分析純，天津大茂試劑廠；N，N－亞甲基雙丙烯酰胺（NMBA），分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；丙烯酸（AA），分析純，天津大茂試劑廠；紅薯淀粉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；黃土，過200目篩，105℃烘干，置于干燥器中備用。

1.2 SAP的制備

計量的紅薯淀粉和蒸餾水加入三口燒瓶中，60℃下將淀粉糊化30 min，降溫至50℃，得黏性膠體溶液；常溫下將丙烯酸用30%NaOH溶液中和（調(diào)節(jié)pH），在攪拌下將丙烯酰胺（控制單體AA∶AM摩爾比9∶1[3]）加入中和液攪勻，然后一起加入三口燒瓶中的糊化淀粉中攪勻；加入適量的引發(fā)劑過硫酸鉀和交聯(lián)劑NMBA，65℃下接枝共聚3 h，無水乙醇水洗產(chǎn)物，95℃真空烘干、粉碎、過篩得淡黃色晶體的樹脂產(chǎn)物SAP。

1.3 吸水率測試[2]

將1 g干燥的SAP樹脂置于蒸餾水或0.9%NaCl溶液中，充分吸水后，過100目篩，按下式計算其吸水率：

吸水率=（m1-m0）/m0×100%

式中:m1為吸水后質(zhì)量，g;m0為吸水前質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗條件對SAP吸水率的影響

2.1.1 淀粉用量對SAP吸水率的影響

淀粉分子是樹脂網(wǎng)絡(luò)骨架的基體材料，因此淀粉用量對SAP樹脂的吸水性和耐鹽性有很大影響。由圖1知，5 g紅薯淀粉較合適，此時SAP的吸水率最大。這是因為淀粉的多少影響SAP樹脂的骨架形態(tài)及吸水率。隨著紅薯淀粉用量增多，為生成SAP提供的骨架鏈也逐漸增加，使反應(yīng)單體易于接枝共聚到骨架鏈上[4]，利于較好三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，易于水分子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，SAP樹脂內(nèi)部的親水基團(tuán)把水分包圍，并限制水分子的運動，因而吸水性和耐鹽性逐漸提升；但當(dāng)紅薯淀粉用量過量后，反應(yīng)單體含量相對較少，樹脂鏈上親水基含量相對減少，造成生成樹脂產(chǎn)物的吸水性和耐鹽性降低；同時淀粉的使用成本也會提高。

圖1 淀粉用量對SAP吸水性和耐鹽性的影響

2.1.2 丙烯酸溶液pH對SAP吸水率的影響

由圖2可知，丙烯酸溶液的pH為5.5時，SAP樹脂的吸水性和耐鹽性最好。這是由于SAP中含有的-COO-親水性基團(tuán)，隨著丙烯酸溶液的pH增大，SAP中含有的親水性-COO-離子濃度不斷增大，接枝淀粉大分子鏈后，-COO-陰離子基團(tuán)之間的靜電排斥力增強(qiáng)，增大了SAP大分子鏈的三維網(wǎng)絡(luò)微孔結(jié)構(gòu)空間，使其吸水性和耐鹽性提高；當(dāng)丙烯酸溶液的pH為5.5時，SAP的三維網(wǎng)絡(luò)微孔結(jié)構(gòu)空間最為理想，此時吸水性和耐鹽性最好；當(dāng)丙烯酸溶液的pH超過5.5后，SAP樹脂的空間網(wǎng)絡(luò)大分子鏈上-COO-數(shù)量較少，其所產(chǎn)生的靜電斥力相對減弱，網(wǎng)鏈伸展性差，且網(wǎng)絡(luò)微孔較小，故使SAR的吸水性和耐鹽性降低。所以丙烯酸溶液的pH為5.5較為合適。

圖2 丙烯酸溶液pH對SAP吸水性和耐鹽性的影響

2.1.3 引發(fā)劑用量對SAP吸水率的影響

由圖3可以看出，引發(fā)劑用量為0.35 mmol最佳。這是因為引發(fā)劑過硫酸鉀用量少時，單位時間內(nèi)奪取了淀粉分子鏈上帶羥基碳原子上的氫原子少，即產(chǎn)生較少的自由基，單體與淀粉大分子發(fā)生接枝共聚率低，形成的鏈段短，樹脂中的三維網(wǎng)絡(luò)微孔結(jié)構(gòu)不完全，吸水率較低；隨著引發(fā)劑過硫酸鉀用量的增加，紅薯淀粉鏈上產(chǎn)生的自由基較多，單體與淀粉大分子發(fā)生接枝共聚率大，相鄰支化點間的分子鏈短[3]，形成理想的網(wǎng)絡(luò)微孔結(jié)構(gòu)，吸水性和耐鹽性最好；但當(dāng)引發(fā)劑過硫酸鉀用量過量時，淀粉鏈上產(chǎn)生的自由基和支化反應(yīng)過多，且放出過多的熱量，造成反應(yīng)體系不穩(wěn)定，存在安全隱患，樹脂的分子量相對小很多，水溶性增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也很不理想，故吸水性和耐鹽性相對下降。

圖3 引發(fā)劑用量對SAR吸水性和耐鹽性的影響

2.2 抑塵性分析

用最佳條件合成的高吸水性樹脂SAP配制成2%的溶液。取兩份50 g干燥的黃土試樣，分別做如下操作：一份用20 mL、2%的SAP溶液均勻噴灑于黃土表面；另一份噴灑20 mL蒸餾水。對比發(fā)現(xiàn)：噴灑SAP溶液的試樣表面保持3天濕潤，至第7天黃土試樣整個表面固結(jié)，底部留有少量松散的黃土，氣流吹過無揚塵；噴灑水的黃土試樣，第3天試樣表面已經(jīng)干裂，結(jié)構(gòu)松散，氣流吹過塵土飛揚。由此表明，SAP樹脂溶液對黃土試樣有很好的抑塵效果。這可能是因為高濃度的SAP溶液在黃土試樣表面形成了一層黏性的厚分子膜[2]，限制了水分子的遷移，不易向外界蒸發(fā)水分，同時具有很好的保水性。同時在高濃度的吸水樹脂接觸黃土試樣后，會下滲到塵土顆粒的孔隙內(nèi)并滯留其中，大大減緩水分子的入滲能力，同時由于黃土顆?？障吨袦籼畛溆休^多SAP樹脂，使黃土孔隙變小，水分子蒸發(fā)變得更加困難。最后，在空氣濕度較大時，SAP能夠吸收大氣中的水蒸汽，在增加塵土含水量的同時，還能增加黏性，黃土微粒由于黏性作用不能再次飛揚而起到長時間的抑塵作用。

3 結(jié)論

（1）SAP的最佳合成條件：淀粉5 g，丙烯酸溶液pH為5.5，引發(fā)劑0.35 mmol。

（2）SAP吸水性和耐鹽性均較好，其在蒸餾水和0.9%NaCl溶液中的吸水率分別為780 g/g和101 g/g。（3）SAP可作為抑塵劑使用，具有應(yīng)用價值。