木素磺酸鈉的親水性及對不同疏水表面的潤濕性能

吳日輝　龐煜霞　高　偉

(華南理工大學化學與化工學院,廣東廣州,510640)

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木素磺酸鈉的親水性及對不同疏水表面的潤濕性能

吳日輝龐煜霞*高偉

(華南理工大學化學與化工學院,廣東廣州,510640)

摘要：采用大孔樹脂吸附法和超濾分級法得到6種不同級分木素磺酸鈉(簡稱木鈉)。實驗探究了6種級分木鈉的親水性、表面活性及對石蠟和農藥兩種疏水表面的潤濕性能。結果表明，可利用大孔樹脂吸附的方法對木鈉按親水性分級,極性越強的大孔樹脂吸附的木鈉級分親水性越強,表面活性越弱。石蠟和農藥表面的潤濕結果表明,木鈉的親水性與需潤濕的表面疏水性應匹配,對于疏水性較弱、水溶性較好的啶蟲脒,親水性越強的木鈉對其潤濕效果越好；對于強疏水性的石蠟和多菌靈,親水性越弱的木鈉對其潤濕性更好。

關鍵詞：木素磺酸鈉;大孔樹脂;親水性;潤濕性

木素磺酸鈉(簡稱木鈉)是一種天然高分子物質,具有來源廣、成本低、可再生等優點,廣泛用于水泥減水劑[1-3]、水煤漿添加劑[4]、農藥[5]、石油工業[6]、染料[7]等領域。目前用作分散劑的木鈉主要來自造紙工業中亞硫酸鹽法制漿和硫酸鹽法制漿的副產品[8],是一種分子中同時具有疏水基團和親水基團的陰離子表面活性劑。

以木鈉為分散劑的水煤漿、農藥等疏水性物質水懸浮液分散體系,其顆粒的分散穩定性受多種因素影響,而分散劑是影響疏水顆粒表面潤濕作用的重要因素,分散劑對疏水顆粒表面潤濕性越好,越有利于懸浮體系的分散性[9]。Winowiski等人[10]通過疏水作用色譜有效地衡量磺化堿木素系分散劑中的疏水性和親水性比例,發現具有更大疏水比例的木素分散劑在胺甲萘可濕性粉劑中性能更好。因此,木鈉的親水性會影響其對疏水性顆粒表面的潤濕性,進而影響其分散效果的發揮。

大孔吸附樹脂是一種具有多孔立體結構、人工合成的有機高分子聚合物吸附劑,其與吸附物質的選擇性和樹脂功能基極性有關,可以通過改變樹脂極性達到選擇性吸附不同極性物質的目的[11]。Schwartz等人[12]通過Amberlite XAD- 4大孔樹脂吸附作用,成功除去木片萃取液中大部分酸溶木素；高偉等人[13]考察了3種不同極性大孔樹脂對木鈉的吸附能力,發現強極性大孔樹脂極性對木鈉有較高的吸附量。

木鈉結構中含有磺酸基、酚羥基、羧基等較強親水基團,且不同組分木鈉分子親水基團含量不同[14]。因此,本實驗利用不同極性大孔樹脂NKA-9、AB- 8對木鈉進行選擇性吸附、解析,得到3種不同親水性的木鈉組分；另外采用超濾儀對木鈉進行超濾分級,通過10000和50000兩種超濾膜截留得到3種不同分子質量級分的木鈉樣品。考察了這6種木鈉級分的親水性和不同濃度下的表面活性；探究不同親水性的木鈉對石蠟和3種不同疏水性農藥表面的潤濕規律,為木素改性及在疏水性顆粒懸浮液體系中的應用提供基礎數據。

1實驗

1.1原料和試劑

木鈉 (吉林石峴紙業有限責任公司),來源于楊木酸性亞硫酸鈉法制漿廢液,其中木鈉約占70%,還原物約占11% ,其余為糖酸、糖磺酸、低分子有機物及無機鹽等。兩種大孔吸附樹脂為南開大學化工廠生產,分別為NKA-9、AB- 8,參數見表1。

表1　兩種大孔吸附樹脂的主要參數

農藥取自深圳諾普信農化股份有限公司,其在30℃正辛醇-水中的分配系數和疏水常數見表2。有機化合物在正辛醇-水中的分配系數KOW和疏水常數logP是表征有機化合物疏水性強弱的基本物化參數之一。一般來說,KOW值越大,其疏水常數logP也越大,在水中的溶解性也就越小。

表2　不同農藥的分配系數和疏水常數

1.2實驗儀器

JC2000C1靜態接觸角測量儀,上海中晨數字技術設備有限公司；DCAT12表面張力儀,德國Dataphysic公司；HY-12壓片機,天津光學儀器廠；UF201超濾儀,無錫賽普膜科技發展有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1大孔樹脂對木鈉分級

兩種大孔樹脂先經無水乙醇、質量分數5%的酸和堿溶液充分浸泡并洗至中性,準確稱取10 g極性大孔樹脂NKA-9置于容積1 L的三角瓶中,加入200 mL 體積濃度為50 g/L的木鈉溶液,調節pH值為酸性,于恒溫搖床上以200 r/min的速度振蕩吸附3 h后,將溶液過濾。吸附木鈉后的NKA-9樹脂用500 mL質量分數為44%甲醇溶液進行解析,解析液干燥后獲得強親水性木鈉3.5 g。上述過濾后的濾液加入20 g弱極性大孔樹脂AB- 8繼續進行吸附,在達到吸附平衡后再次過濾,用500 mL質量分數為44%的甲醇對AB- 8樹脂進行解析,獲得中親水性木鈉3.0 g。剩余未被吸附的木鈉溶液經分子質量1000的透析袋透析除鹽后，冷凍干燥得到弱親水性木鈉2.2 g。吸附過程如圖1所示。

圖1　大孔樹脂對木鈉的吸附分級

1.3.2木鈉超濾分級

采用UF201超濾機對粗木鈉進行分級,超濾膜截留相對分子質量分別為10000和50000,工作壓力為0.42 MPa,截留獲得相對分子質量為10000以下、10000～50000、50000以上的3種木鈉級分。

1.3.3木鈉級分的親水性測定

將木鈉級分配成2 g/L的濃度,均勻涂布在石英玻璃片表面,然后在30℃條件下自然風干,獲得木鈉涂層,測定純水滴在涂層表面瞬間的接觸角,表征木鈉樣品的親水性。

1.3.4木鈉溶液表面張力測定

配置準確濃度的木鈉溶液,取適量于表面張力儀專用玻璃皿中。鉑片經水洗,多次高溫灼燒冷卻后,置于表面張力儀,測定待測液表面張力,重復測定3次取平均值。

1.3.5木鈉在不同疏水性表面的潤濕性測定

(1)石蠟表面接觸角測定：將木鈉配置成一系列不同濃度的溶液,采用靜態接觸角儀測定其在光滑石蠟表面上的接觸角,測定3次取平均值。

(2)農藥表面接觸角測定：將農藥顆粒放在105℃的真空干燥箱之中干燥24 h 以上,然后研成粉狀,放在壓片機上進行壓片,得到表面光滑平整的農藥壓片。采用靜態接觸角儀測定2 g/L木鈉溶液在農藥表面上的接觸角,測3次取平均值。

2結果與討論

2.1木鈉級分的親水性

水滴在不同木鈉涂層表面接觸角大小能夠反映木鈉的親疏水性差異。水滴在經大孔樹脂吸附和超濾得到的木鈉涂層表面的接觸角如表3所示。

由表3可以看出,不同親水性和相對分子質量的木鈉涂層的水滴接觸角差異比較明顯。在采用大孔樹脂分級的3種不同親水性級分中,強親水性木鈉的接觸角最小為34.4°,中親水性木鈉的接觸角次之為37.5°,而弱親水性木鈉的接觸角最大為51.7°。水滴接觸角越小,親水性越強,木鈉涂層接觸角的變化規律與采用大孔樹脂設計得到的木鈉親水性規律一致,即極性越強的大孔樹脂可以吸附得到親水性越強的木鈉級分,這說明依靠大孔樹脂極性對木鈉分級是一種可以獲得不同親疏水性木鈉的可靠方法。

通過超濾獲得的3種不同相對分子質量木鈉級分中,相對分子質量越小的級分,其涂層的水滴接觸角也越小,親水性也越好。這是因為木鈉的相對分子質量越小,分子結構中疏水性苯丙烷基團所占比例越低,親水性基團所占比例越高,親水性增強。

2.2木鈉級分的表面活性

圖2　不同級分木鈉的表面張力

本實驗測定了不同親水性和相對分子質量的木鈉級分溶液在不同濃度下表面張力的變化曲線,如圖2所示。

從圖2可以看出,隨著木鈉濃度的增大,溶液的表面張力均降低。由圖2(a)可知，3種不同親水性的級分中,弱親水性的木鈉降低表面張力的能力最強,中親水性木鈉次之,而強親水性木鈉最弱。由圖2(b)可知,相對分子質量大于50000的木鈉降低表面張力的能力最強,相對分子質量為10000～50000的級分次之,相對分子質量小于10000的級分最弱。結合表3結果可知,木鈉的親水性越弱,其表面活性越強,降低表面張力的能力也越強。這主要是因為弱親水性的木鈉更傾向于脫離水中聚集于表面,從而使其在溶液表面的吸附量增加,因而降低表面張力的能力增強。

2.3木鈉級分對疏水性表面的潤濕性

2.3.1對石蠟表面的潤濕性

本實驗測定了不同濃度木鈉溶液在強疏水性石蠟表面的潤濕性,結果如圖3所示。

圖3　不同級分木鈉溶液在石蠟表面接觸角

由圖3可以看出,純水在石蠟表面的接觸角是100.1°,說明石蠟的疏水性很強,水很難在石蠟表面上鋪展開。木鈉溶液滴在石蠟表面后,石蠟表面接觸角出現不同程度的降低,接觸角降低的度數隨著木鈉濃度的增大而增大。不同級分的木鈉在石蠟表面接觸角有明顯的差別,親水性越弱和相對分子質量越大的木鈉級分,其在石蠟表面的潤濕性越好。這主要是因為弱親水性和高相對分子質量的木鈉分子結構中含有更多的疏水基團,更容易在疏水表面吸附,同時降低疏水表面與木鈉溶液之間的表面張力,且由圖2可知,相同濃度下,親水性越弱的木鈉溶液表面張力越小,因而根據計算接觸角的楊氏方程可知,接觸角會變小,從而更容易在疏水性石蠟表面鋪展開來,潤濕性也更好。

2.3.2對農藥表面的潤濕性

從表2可以看出,實驗選擇的3種農藥在分配系數上差異很大,其中多菌靈的分配系數KOW最大,疏水性最強,在水中溶解度很小為0.03 g/L;吡蟲啉的分配系數KOW次之為3.9,疏水性較強,在水中有一定的溶解性為0.5 g/L;而啶蟲脒的在水中的分配系數KOW最小為0.6,水中的溶解性最大為4.2 g/L。

濃度為2 g/L木鈉溶液在3種不同疏水性農藥表面上的接觸角如表4所示。

由表4可以看出,木鈉溶液在疏水性不同的農藥表面潤濕性與木鈉溶液的親水性有關。對于中等疏水性的藥品吡蟲啉而言,3種不同親水性木鈉在其表面接觸角相近,潤濕效果相似；對于強疏水性藥品多菌靈,隨著木鈉親水性減弱,接觸角減小,潤濕效果越好,實驗結果與不同親水性木鈉溶液在疏水石蠟表面潤濕現象一致；對于水溶性較好、疏水性較弱的啶蟲脒,木鈉親水性越強,接觸角越小,潤濕效果越好。

表4　木鈉溶液在3種農藥表面的接觸角　/(°)

對于不同相對分子質量的超濾木鈉,其在不同疏水性藥品表面的潤濕性規律與不同親水性木鈉在3種農藥表面的規律類似：農藥表面疏水性越強,親水性越弱的木鈉級分在其表面潤濕性越好；親水性越強的木鈉級分對弱疏水的啶蟲脒表面潤濕性更好；不同親水性的超濾木鈉在中等疏水性的吡蟲啉表面潤濕效果相似。

3結論

3.1通過強極性NKA-9大孔樹脂吸附可以得到強親水性木鈉,通過弱極性AB-8大孔樹脂吸附可以得到弱親水性木鈉。利用大孔樹脂極性可以對木鈉按親水性強弱分級。

3.2通過超濾截留得到不同相對分子質量的木鈉級分,木鈉的相對分子質量越大,其親水性越弱。

3.3木鈉溶液的表面張力與其濃度、親水性和相對分子質量有關：木鈉溶液濃度越大,或者親水性越弱、相對分子質量越大時,其溶液表面張力越小。

3.4不同級分木鈉在不同疏水表面潤濕性結果表明，親水性越弱的木鈉級分,在強疏水表面的潤濕性越好；強親水性的木鈉溶液在弱疏水性表面的潤濕性能更好。

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(責任編輯：董鳳霞)

·木素磺酸鈉·

Hydrophilicity of Sodium Lignosulphonate and Its Wettability Against Different Hydrophobic Surface

WU Ri-huiPANG Yu-xia*GAO Wei

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: ceyxpang@scut.edu.cn)

Abstract：Macroporous resin adsorption and ultrafiltration were applied to prepare six sodium lignosulphonate(SL) fractions with different hydrophilicity. Their hydrophilicity, surface activity and the wettability against two hydrophobic surfaces of paraffin and pesticide were determined. The results showed that macroporous resin adsorption was feasible to classify sodium lignosulphonate according to their hydrophilicity. The SL adsorbed by strong polar macroporous resin had stronger hydrophilicity and weaker surface activity. The wettability of different SL fractions against paraffin and pesticide surface suggested that the hydrophilicity of SL should match the hydrophilicity of the surface to be wetted. As for acetamiprid, it had weak hydrophobicity and good water solubility, the SL with stronger hydrophilicity had better wettability. But for paraffin and carbendazim, the wettability of SL with weaker hydrophilicity would be better.

Key words：sodium lignosulphonate; macroporous resin; hydrophilicity; wettability

通信作者：*龐煜霞女士,E-mail∶ceyxpang@scut.edu.cn。

基金項目：國家國際科技合作專項(2013DFA41670)。

收稿日期：2015- 07-16(修改稿)

中圖分類號：TQ314.3

文獻標識碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.006

作者簡介：吳日輝先生，在讀碩士研究生；研究方向：木素磺酸鹽在農藥分散劑領域的高效資源化利用。