小麥秸稈預處理及制備吸水性樹脂的研究*

胡晶晶，馮　暢，韓　新，楊松坡，孫冰心，李雅麗

(渭南師范學院化學與環境學院，陜西　渭南　714000)

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小麥秸稈預處理及制備吸水性樹脂的研究*

胡晶晶，馮暢，韓新，楊松坡，孫冰心，李雅麗

(渭南師范學院化學與環境學院，陜西渭南714000)

本研究充分利用當地豐富的小麥秸稈資源，制備纖維素基高吸水性樹脂。實驗主要以小麥秸稈粉和丙烯酸(AAC)為原料，采用水溶液聚合法，過硫酸銨為引發劑制備高吸水性樹脂。用堿液(10%):秸稈質量=12:1，95 ℃堿煮小麥秸稈2 h，80 ℃糊化20～30 min；引發劑占小麥秸稈粉1%(ω)，單體:小麥秸稈粉=6:1(ω)，聚合反應溫度為53 ℃，反應時間2～3 h制得吸水性樹脂，研究結果顯示其吸水率為400～600 g/g。

小麥秸稈；堿處理；丙烯酸；接枝共聚

農作物秸稈含有大量纖維素，它是纖維素存儲量很高的天然高分子材料之一，無毒性、價廉、可生物降解，不污染環境。有許多的(-OH)基團存在于纖維素中，水易與之結合，且大多數小分子物質與之接觸反應生成取代度較高的衍生物。其中纖維素基吸水性樹脂與其他類高吸水性樹脂相比，吸水量較低但有諸多優點如：其PH值的范圍易于控制、耐霉性較好、有較高的耐鹽性能等，符合綠色發展的要求，環保又經濟[1]。作為農業大國，我國每年農作物秸稈產量達7億噸之多，除極少量用作制漿、飼料和還田等用途外，秸稈的主要方法是焚燒，該方法不僅會給空氣造成污染惡化環境，還致使自然資源不能得到充分利用[2]。當今環境污染問題日益得到大家的關注，需要對農作物秸稈進行綠色化利用和處理。本研究以可生物降解的小麥秸稈為原材料制備吸水性樹脂，通過采取水溶液法[3]，單體丙烯酸與秸稈粉發生接枝共聚反應，對影響聚合反應的因素如:引發劑用量、秸稈粉與單體之比等進行對比試驗，工藝條件得到了改進。同時，秸稈中的其他成分如木質素、半纖維素等均是有利于培肥土壤的有機質[4]。這不但能節省制備樹脂的費用，能有效地利用渭南本地堆積的大量農作物秸稈，而且使樹脂變得多功能化[5-6]，從而使之應用于廣泛的領域。

1　實　驗

1.1實驗藥品及儀器

小麥秸稈粉、丙烯酸、NaOH、NaCl,均為化學純，(NH4)2S2O8為分析純。

電子天平；恒溫水浴鍋；MJ-02100克多功能粉碎機，上海市浦恒信息科技有限公司；101-2型電熱鼓風干燥箱，上海市實驗儀器總廠。

1.2實驗部分

1.2.1小麥秸稈堿處理

向圓底燒瓶中倒入定量烘干的小麥秸稈粉，加入新配制的質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液，然后在高溫水浴下攪拌2 h，秸稈粉與堿液質量比為1:12，水洗后烘干儲備。

1.2.2小麥秸稈粉的糊化

將處理后小麥秸稈粉置于200 mL燒杯中，在80 ℃恒溫水浴鍋中攪拌糊化30 min，同時將AAC配成濃度為80%溶液，用濃度為15%NaOH中和至pH為6～7。

1.2.3接枝共聚反應

將糊化好的小麥秸稈粉邊攪拌邊加入到中和后的AAC溶液中至溶解完全，然后逐步加入適量的(NH4)2S2O8水溶液，在溫度53 ℃恒溫水浴下反應2 h，在90 ℃水浴條件下進行熱交聯，反應0.5 h后將產物放入烘箱中進行干燥粉碎，最終產品為無色或淺黃色透明晶狀。

1.3合成樹脂吸水率測定

采取自然過濾法測其吸水率。用電子天平稱600 mg樹脂放入裝有1000 mL蒸餾水的燒杯中混合后靜置一段時間，等樹脂溶脹至飽和，將其倒入適當目數的網篩中進行過濾0.5 h，最后對瀝水后的樹脂進行稱重[7]。根據公式(1)計算，式子中MH2O指處理后的樹脂重量，M指干燥的樹脂重量:

吸水率=(MH2O-M)/M×100%

(1)

2　結果與討論

2.1小麥秸稈的預處理

2.1.1小麥秸稈的堿處理

小麥秸稈結構比較緊密有序，質地堅硬。纖維素在秸稈中結晶部分占總的質量分數或體積分數較高，相關成分如木質素、半纖維素等與之纏結在一起，小麥秸稈預處理前的反應活性很低。秸稈用一定濃度的氫氧化鈉溶液處理后具有較光滑的表面，纖維有一定的伸展程度，但沒有破壞其結構。秸稈經堿蒸煮處理后，很大程度上改變了其結構形態，纖維伸展程度變得較大，結晶度降低，表面出現了更多的微孔結構，試劑的可及度得到提高，反應易于進行。由表1可見: 小麥秸稈粉在堿處理后纖維素含量幾乎比堿處理前高出1倍。

表1　堿蒸煮前后小麥秸稈中纖維素含量

2.1.2秸稈粉的糊化

小麥秸稈粉與丙烯酸接枝共聚前兩個重要條件為糊化時間與溫度[8]。實驗表明，糊化溫度在85 ℃，糊化時間30 min時吸水率最高。因為糊化時破壞了秸桿粉的結構，彎曲的分子鏈伸展開來，增加了與單體的接觸面積，吸水溶脹，因此升溫有利于發生接枝反應;當升溫至85 ℃秸桿粉糊化充分，反應效果最好;升溫超過85 ℃時，糊化的秸桿粉迅速老化，反應效果下降，最終導致樹脂的吸水能力下降。

實驗表明，糊化時間也影響樹脂的吸水率，在0.5 h時吸水率最大。糊化溫度一定時，糊化時間越久樹脂吸水能力越強，一定時間后，樹脂吸水能力開始下降。因此秸稈粉適宜的糊化溫度與時間范圍分別是80～85 ℃和20～30 min。

2.2纖維素基吸水性樹脂的合成

2.2.1丙烯酸與小麥秸稈粉的質量比對吸液率的影響

小麥秸稈粉起到提供交聯網絡骨架的作用，其用量影響樹脂的吸水性能，進行了對照實驗。該實驗研究的原料是小麥秸稈粉，對照實驗研究結果見表2。

由表2可知，在引發劑的量一定且為單體1%情況下，單體質量與秸稈粉比大于6時，單體(丙烯酸)的量越多，其接枝率就越大，從而更容易形成樹脂網絡結構，提高吸水率;單體質量與秸稈粉比小于6時，單體的接枝率降低，吸液率下降。

表2　不同小麥秸稈粉與單體質量比時樹脂的吸水率

注：引發劑的量為1%

2.2.2引發劑用量對樹脂吸液率影響

改變引發劑(NH4)2S2O8用量，對AAC自身聚合與秸稈:AAC=1:6(ω)兩種不同聚合方式進行對比實驗，所得樹脂的吸水率列于表3中。

表3　不同引發劑用量時樹脂的吸水率

其他條件一定，引發劑用量較少時，引發劑的分解速率較低，單體的利用率較低，聚合反應速率緩慢，因此產物樹脂的吸水率低;增多引發劑的量時，體系容易發生暴聚生成低分子量的聚合物較多，因此吸液率較低[9]。由表3可知，本實驗采用(NH4)2S2O8作引發劑， 無論AAC自身聚合，還是秸稈:AAC=1:6(ω)的聚合，其用量為單體的1%時，樹脂吸水率較高。

2.2.3聚合溫度和聚合時間

圖1　不同聚合溫度樹脂的吸水率

溫度對接枝共聚反應速率有重要的影響，實驗研究結果如圖1所示: 溫度越高，樹脂吸水性能越好，在53 ℃時吸水率最大，大于53 ℃吸水性能變差。因為溫度較低時，升高溫度秸稈粉的游離基增多，引發劑易于分解為自由基，加快了鏈引發與鏈增長的反應速率，所以在一定范圍內升溫有利于增加單體聚合與接枝反應速率，增加樹脂的吸水速率。但是超過該升溫范圍，之所以聚合與接枝反應速率下降，是因為加快了鏈轉移

和鏈終止反應，最終導致樹脂的吸水性能變差。綜合考慮選取聚合溫度范圍為50～55 ℃。

在其它變量一定的條件下，聚合時間對樹脂吸水率的影響研究結果如圖2所示:聚合反應時間越長，高吸水性樹脂吸水率越高，時間長達3 h左右時，吸水率最佳，之后隨著時間的增長，吸水性能隨之降低，該實驗規律恰好符合自由基聚合反應的特點。因此，選取的聚合時間范圍是2～3 h。

圖2　不同聚合時間樹脂的吸水率

3　結　論

本研究通過采取水溶液聚合法， AAC與小麥秸稈粉接枝反應生成高吸水性樹脂的操作條件是：秸稈粉堿處理溫度為95 ℃，

糊化溫度80 ℃，糊化時間20～30 min，以(NH4)2S2O8為引發劑，引發劑與秸稈粉質量比為1%，單體質量與秸稈粉比為6，聚合溫度為53 ℃，反應時間為2 h，制得樹脂吸水率400～600 g/g。該研究有效地利用了渭南當地豐富的小麥秸稈為原料，工藝操作簡便，成品費用較低。

[1]高潔,湯烈貴.纖維素科學[M].北京:科學技術出版社,1999:133-134．

[2]李方,張曉南.秸稈等纖維作物的綜合利用進展[J].四川環境,1998(4):4-6.

[3]鄒新禧.超強吸水劑[M].北京:化學工業出版社,2002:31-33.

[4]趙蘭坡.施用作物秸稈對土壤的培肥作用[J].土壤通報,1996,27(2):76-78．

[5]王硯田,華孟,趙小雯,等.高吸水性樹脂對土壤物理性狀的影響[J].北京農業大學學報, 1990,16(2):181-186.

[6]羅學剛,楊勤.高吸水性樹脂在農業上的應用研究-NPK肥料對高吸水樹脂吸水率的影響及其吸附[J].西南農業學報,1992,5(3):59-64.

[7]閆輝,張麗華,周秀苗.高吸水性樹脂吸水率過濾法測定條件的標準化研究[J].應用化工, 2001,21(2):38-41.

[8]李雅麗,曹會蘭,楊建武.高吸水性樹脂的合成與性質研究[J].寶雞文理學院,2003, 23(2):121-123.

[9]孫琳,王存國,劉維,等.小麥秸稈接枝丙烯酸制備高吸水性樹脂[J].化工科技 2008,16(2):18-19.

Pretreatment of Wheat Straw and Preparation of Super Absorbent Resin*

HUJing-jing,FENGChang,HANXin,YANGSong-po,SUNBing-xin,LIYa-li

(Collage of Chemistry and Environment, Weinan Normal University, Shaanxi Weinan 714000, China)

The local rich resources of wheat straw were fully utilized for the preparation of superabsorbent resin. Wheat straw powder and acrylic acid (AAC) were mainly used as raw material in this study, the product had been prepared with the aqueous polymerization and ammonium peroxydisulfate as initiator. The pretreatment of wheat straw for two hours with 10%NaOH(aq) in 95 ℃ water bath, alkali liquor/straw mass ratio was 12, pasting 20～30 min under 80 ℃, initiator/wheat straw mass ratio was 1%, monomer/wheat straw mass ratio was 6, reaction time and temperature were 53 ℃ and 2～3 h. The results showed that the absorptive capacity of the target product was 400～600 g·g-1for water.

wheat straw; alkali treatment; acrylic acid; graft copolymerization

大學生創新創業項目(20140723019)；渭南師范學院自然科學基金項目(14YKS01)。

TQ316. 343

A

1001-9677(2016)010-0062-03