高親水性樹脂的優(yōu)化及應(yīng)用

摘 要：本實(shí)驗(yàn)以淀粉為主要原料，以丙烯酸（AA）接枝共聚單體，采用水溶液聚合法制備高吸水性樹脂。先將淀粉糊化，將丙烯酸（AA）用氫氧化鈉中和后加入糊化的淀粉中，用過硫酸鉀作引發(fā)劑、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，在一定的反應(yīng)時(shí)間和溫度下，制備高吸水性樹脂。試驗(yàn)研究了糊化時(shí)間、產(chǎn)品粒徑對(duì)高吸水性樹脂吸水性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明糊化時(shí)間1 h，粒徑為80目時(shí)樹脂的吸水率最高，并對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品用傅里葉交換紅外光譜儀表征，及其良好的保水性在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：淀粉；丙烯酸；接枝共聚；高吸水性樹脂

高吸水性樹脂（Super Absorbent Resin）是一種功能高分子材料，具有優(yōu)異的吸水、保水功能，它可吸收自身重量幾百倍、上千倍，最高可以達(dá)到5000多倍的水[1]淀粉是一種天然的生物高分子物質(zhì)，具有生物可降解，來源豐富和廉價(jià)等特點(diǎn)，常在共混體系內(nèi)作為填料來降低聚合物的成本，故成為近年生物可降解性材料研究的重點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)利用接枝的方法對(duì)淀粉進(jìn)行改性，選用丙烯酸作為接枝單體，過硫酸鉀作為引劑，研究了玉米淀粉與丙烯酸接枝共聚反應(yīng)，制備出高親水性復(fù)合材料[2]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

淀粉、丙烯酸（AA分析純）、氫氧化鈉（分析純）、過硫酸鉀（分析純）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（分析純）、溴化鉀（分析純）、丙酮（分析純）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱恒溫水浴鍋（北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司）、壓片機(jī)（DF-4型）、強(qiáng)烈電動(dòng)攪拌機(jī)（JB90-D型上海標(biāo)本模型廠制造）、臺(tái)式干燥箱（202-00A型北京中興偉業(yè)儀器有限公司）、傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR-650型天津港東科技發(fā)展股份有限公司）

1.3 實(shí)驗(yàn)制備方法

（1）試驗(yàn)將3.0000g淀粉及36ml水加入裝有強(qiáng)力電動(dòng)攪拌器的三口燒瓶中，置于恒溫水浴鍋中，攪拌、加熱至95℃使淀粉糊化，糊化時(shí)間為1h。

（2）當(dāng)糊化完全后，繼續(xù)在攪拌下冷卻至50℃，以便接枝共聚反應(yīng)。

（3）將30ml丙烯酸和40ml氫氧化鈉（25%）的中和溶液及3ml過硫酸鉀（2%）、1mlN，N-亞甲基雙丙烯酰胺（0.9%）加入到糊化淀粉的反應(yīng)瓶中并不斷攪拌，反應(yīng)時(shí)間為3h。

（4）將反應(yīng)后的產(chǎn)物在70℃條件下干燥。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 吸水率

準(zhǔn)確稱量1.0000g干燥樣品于燒杯中，并加入足量的蒸餾水，等樣品完全吸水后用濾紙過濾，濾至無水滴滴漏，再稱其質(zhì)量。

吸水率=（吸水后凝膠質(zhì)量-吸水前樣品質(zhì)量）/吸水前樣品質(zhì)量（g/g）

1.4.2 紅外光譜檢測(cè)

將溴化鉀在120℃下干燥3h，稱取0.1000g溴化鉀（溴化鉀極易吸水）及0.0010g的樣品放于研缽中，在熱環(huán)境進(jìn)行研磨30min，將研磨的物質(zhì)倒入已用丙酮浸洗的模具中，把模具放到壓片機(jī)上壓片。將壓片放于傅里葉變換紅外光譜儀中進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化時(shí)間影響高吸水性樹脂吸水率

本組實(shí)驗(yàn)的條件為：3.0000g淀粉為基準(zhǔn)（下同）、36ml水、30ml丙烯酸、40ml氫氧化鈉（25%）、3ml過硫酸鉀（2%）、1mlN，N-亞甲基雙丙烯酰胺（0.9%）、糊化溫度95℃、反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間3h的條件下，改變糊化時(shí)間，探究糊化時(shí)間對(duì)吸水率的影響。

當(dāng)糊化時(shí)間為30min時(shí)，吸水率為273.1；當(dāng)糊化時(shí)間為40min時(shí)，吸水率為366.9；當(dāng)糊化時(shí)間為50min時(shí)，吸水率為463.4，當(dāng)糊化時(shí)間為60min時(shí)，吸水率為521.4，當(dāng)糊化時(shí)間為70min時(shí)，吸水率為493.4；當(dāng)糊化時(shí)間為80min時(shí)，吸水率為457.2.由以上數(shù)據(jù)可以看出吸水率隨著糊化時(shí)間的增加先增加后減小，當(dāng)糊化時(shí)間為60min時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)楹瘯r(shí)間短，糊化效果不完全，導(dǎo)致淀粉溶解低，淀粉鏈上的活性點(diǎn)少，接枝共聚反應(yīng)不易發(fā)生；糊化時(shí)間長(zhǎng)，易發(fā)生一些副反應(yīng)，導(dǎo)致淀粉與丙烯酸接枝共聚反應(yīng)效率低，樹脂吸水率低。

2.2 產(chǎn)品粒徑影響高吸水性樹脂吸水率

本組實(shí)驗(yàn)的條件為：3.0000g玉米淀粉為基準(zhǔn)（下同）、36ml水、30ml丙烯酸、40ml氫氧化鈉（25%）、3ml過硫酸鉀（2%）、1mlN，N-亞甲基雙丙烯酰胺（0.9%）、糊化溫度95℃、反應(yīng)溫度50℃、糊化時(shí)間1h、反應(yīng)時(shí)間3h的條件下，改變產(chǎn)品粒徑，探究產(chǎn)品粒徑對(duì)吸水率的影響。

當(dāng)產(chǎn)品粒徑為40目時(shí)，吸水率為347.3：粒徑為60目時(shí)，吸水率為475.2；粒徑為80目時(shí)，吸水率為567.4；粒徑為100目時(shí)，吸水率為504.6；粒徑為120目時(shí)，吸水率為453.8；粒徑為140目時(shí)吸水率為417.3。由以上數(shù)據(jù)可看出隨著產(chǎn)品粒徑的增大，吸水倍數(shù)也逐漸增大，粒徑為80目時(shí)達(dá)到最大值，以后隨著粒徑的增大吸水倍數(shù)反而下降。這是因?yàn)楫a(chǎn)品的吸水率與起表面積有關(guān)，產(chǎn)品的表面積越大，高吸水性樹脂與水接觸的表面就越大，這種狀況有利于提高產(chǎn)品的吸水率。但是，如果吸水性樹脂干粉的顆粒太細(xì)，與水接觸時(shí)易形成凝膠包裹干粉的現(xiàn)象，水穿透凝膠和干粉吸收凝膠中水分的速度都較慢。

2.3 紅外光譜分析

根據(jù)不同糊化時(shí)間下淀粉接枝丙烯酸高吸水性樹脂做紅外光譜分析。可以看出在3449cm-1處出現(xiàn)了-OH的伸縮振動(dòng)峰，因淀粉化合物產(chǎn)生締合現(xiàn)象，-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰向低波數(shù)方向位移，而接枝淀粉中部分-OH被丙烯酸取代，所以在2927cm-1出現(xiàn)亞甲基的吸收峰，在3428cm-1出現(xiàn)的吸收峰變尖銳；在3040cm-1處有不飽和的-CH伸縮振動(dòng)；在1730cm-1出的吸收峰可知該物質(zhì)含有羧基-COOH，1552cm-1為-COO-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在2387cm-1處出現(xiàn)羧酸的締合-OH伸縮振動(dòng)；在1246cm-1處的振動(dòng)峰為C-O-C的吸收峰，證明淀粉上的-OH和丙烯酸上的雙鍵發(fā)生了自由基聚合反應(yīng)。以上數(shù)據(jù)顯示丙烯酸單體共聚物已成功地接枝于淀粉上，形成了淀粉接枝丙烯酸高吸水性樹脂。

3 結(jié)果討論

（1）由紅外光譜圖表征SAR吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)可知，丙烯酸單體成功地接枝于淀粉，形成了淀粉接枝丙烯酸高吸水樹脂。

（2）以淀粉、丙烯酸為原料，過硫酸鉀為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采取溶液共聚合法可制備出淀粉接枝丙烯酸高吸水性樹脂。得出了最佳反應(yīng)條件：玉米淀粉3.000g，丙烯酸30ml，25%（m%）氫氧化鈉40ml，2%過硫酸鉀3ml，0.9%N，N-亞甲基雙丙烯酰胺1ml，糊化時(shí)間1h、糊化溫度95℃，反應(yīng)時(shí)間3h、反應(yīng)溫度50℃，產(chǎn)品粒徑80目時(shí)，所制備的高吸水性樹脂的吸水率最高。

（3）該產(chǎn)品具有很好的發(fā)展前景，高吸水性樹脂，可以在干燥的地區(qū)作為農(nóng)作物的保水材料；還可以做成吸血紙，代替醫(yī)用藥棉；可用作工木建筑工程中的淤泥干操劑；室內(nèi)空氣芳香劑，蔬菜、水果、紙煙的保鮮劑、防霉劑；工業(yè)上的油水分離劑、阻燃劑、防水劑、防潮劑、固化劑等。

參考文獻(xiàn)

[1]李邵瑩.丙烯酸-淀粉接枝共聚物的合成和性能[J].江蘇工業(yè)報(bào)，2008，20（4）：14-17.

[2]付麗麗，石紅錦.淀粉接枝丙烯酸類高吸水性樹脂的研究[M].橡塑技術(shù)與備，2008（2）：38-41.

作者簡(jiǎn)介：彭富喜（1993，10-），男，漢，四川省自貢市，本科，研究方向：材料學(xué)。