魔芋飛粉干燥劑的制備及性能研究

耿勝榮+白嬋+吳平+何臻+范春相+邱建輝+王俊+廖濤

摘要：以干燥劑最大吸濕量為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化魔芋飛粉、丙烯酸、水反應(yīng)物、氫氧化鈉的比例，并研究最佳配比制備的干燥劑與5種常用吸濕劑的復(fù)合效果，研究魔芋飛粉輻照接枝改性干燥劑的制備條件、干燥劑的吸濕性能及結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，氫氧化鈉與丙烯酸的最佳中和比例為120%，即32.10%NaOH體積30 mL。吸濕時(shí)間192 h內(nèi)，在29%和97%相對(duì)濕度環(huán)境下、再生前干燥劑吸濕量分別達(dá)0.132、1.188 g/g，再生后的吸濕量分別為0.095 73、0.990 8 g/g。在29%和97%相對(duì)濕度環(huán)境下，平均吸濕速度分別為0.000 687 5、0.006 186 g/（g·h），在168 h后達(dá)到最大吸濕量。該干燥劑性能效果優(yōu)于5種常用吸濕劑，與5種常用吸濕劑復(fù)合后均沒(méi)有增加吸濕能力。經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，凍干干燥劑呈現(xiàn)網(wǎng)孔的微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合后網(wǎng)孔拉長(zhǎng)變扁。用魔芋飛粉制備的干燥劑具有良好的吸濕性能和再生能力。

關(guān)鍵詞：魔芋飛粉；干燥劑；輻照改性；性能

中圖分類號(hào)：S632.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）23-4568-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.038

Abstract： The preparation conditions and the desicant properties and structure of konjac fly ash were studied. The ratio of konjac fly ash，acrylic acid，water reactant and sodium hydroxide was optimized，and the composite effect of the best preparation of desiccant and five kinds of commonly used moisture absorbent was studied. The results showed that the best neutralization ratio of sodium hydroxide and acrylic acid is 120%. Under the relative humidity of 29% and 97%，the moisture absorption capacity of the desiccant was 0.132 g/g and 1.188 g/g. The regeneration absorption capacity was 0.095 73 g/g and 0.990 8 g/g. The absorption rates were 0.000 687 5 g/g·h and 0.006 186 g/g·h. The maximum moisture absorption reached after 168 h. The desicant performance is better than five commonly moisture absorbent，combined with which one the absorb ability is not released. Scanning electron microscopy showed that the desiccant showed mesh micro-structure and the mesh was elongated and flattened after regeneration. The desiccant prepared with konjac flour has good hygroscopicity and regeneration ability.

Key words： konjac fly powder； desiccant； graft modification； properties

干燥劑通過(guò)物理或化學(xué)方式將外界環(huán)境中的水氣吸入并鎖住，達(dá)到干燥防潮的目的。常用干燥劑主要有蒙脫石、活礦、硅膠、分子篩、氯化鈣等。這些干燥劑在各自應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但也存在一定局限性[1-3]。分子篩、硅膠、蒙脫石、凹凸棒吸濕能力強(qiáng)、價(jià)格昂貴。另外，氯化鈣在吸濕后會(huì)潮解嚴(yán)重，有強(qiáng)腐蝕作用，存在安全隱患[4]。目前，各行業(yè)對(duì)未來(lái)干燥劑的期望是高效、可降解和外形多樣化，顯然現(xiàn)有干燥劑難以滿足。

魔芋飛粉是加工魔芋精粉時(shí)的副產(chǎn)物，主要來(lái)源于魔芋的表皮部分[5]。魔芋飛粉因含有異味而多被舍棄或用于制備豬飼料。但是其中的淀粉和葡甘聚糖的含量總和高達(dá)23%，這二者都具有活潑多羥基結(jié)構(gòu)，是用于改性的常用大分子[6]。而且，魔芋飛粉原料來(lái)自天然可再生資源，再生周期短，無(wú)毒無(wú)害可自然降解。通過(guò)控制接枝改性分子間和分子內(nèi)的交聯(lián)和均聚度，有望達(dá)到90%左右的自然可降解率。因此，以魔芋飛粉為主要原料制備干燥劑符合未來(lái)干燥劑的發(fā)展方向。

本研究在魔芋精粉制備吸水材料的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)丙烯酸與氫氧化鈉的中和比例制備干燥劑，并研究粒徑大小、環(huán)境濕度、再生工藝以及與其他吸濕劑復(fù)合工藝對(duì)本干燥劑的性能和結(jié)構(gòu)的影響，為魔芋飛粉制備干燥劑提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

魔芋飛粉，湖北一致魔芋生物科技股份有限公司提供；氫氧化鈉、丙烯酸、凹凸棒、分子篩、氯化鈣、硅膠的純度為AR級(jí)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

掃描電鏡，荷蘭FEI公司；冷凍干燥機(jī)，上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司；粉碎機(jī)，浙江省永康市昌發(fā)工具廠；電子天平，梅特勒公司；烘箱，重慶四達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 干燥劑制備

將飛粉、水、丙烯酸和氫氧化鈉混合，灌裝、封口、輻照，干燥至恒重。用粉碎機(jī)將干燥恒重的膠塊粉碎，用20～80目篩子篩分，取20～60目顆粒的干燥劑灌裝在自封口袋中，放入干燥器里，待測(cè)定。

1.4 恒濕環(huán)境控制

29%和97%恒濕環(huán)境的控制：取120 g CaCl2，加入150 g水混合，制備成29%相對(duì)濕度過(guò)飽和水溶液。取20 g K2SO4，加入150 g水混合，制備成97%相對(duì)濕度過(guò)飽和水溶液，分別存放在直徑為8.5 cm的培養(yǎng)皿里。取直徑為27 cm的玻璃干燥器2個(gè)，將上述2種過(guò)飽和溶液放入2個(gè)干燥器的底部，蓋上蓋子，密封，常溫下平衡2 h后，干燥器內(nèi)部分別達(dá)到29%和97%的恒定濕度環(huán)境。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.1 中和度的優(yōu)化 配制32.10%的氫氧化鈉水溶液，按照中和度20%～140%制備樣品，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的干燥劑在192 h的吸濕量，優(yōu)選最合適的中和度比例。

1.5.2 粒度的優(yōu)化 采用最優(yōu)中和度進(jìn)行樣品的制備，將樣品粉碎至20、40、60目，檢測(cè)0～192 h時(shí)間內(nèi)干燥劑的吸濕量（g/g），并繪制時(shí)間-吸濕量曲線，分析不同粒度樣品的吸濕速度變化趨勢(shì)，優(yōu)化不同濕度環(huán)境干燥劑最適合的粒度。

1.5.3 再生試驗(yàn) 取最優(yōu)中和度制備的樣品，粉碎成20～60目，精確稱取5.0 g，分別在29%和97%環(huán)境下吸濕平衡后，再在100 ℃烘箱中干燥至恒重，再分別在29%和97%環(huán)境下吸濕平衡。檢測(cè)二次平衡過(guò)程中吸濕量，并繪制時(shí)間-吸濕量曲線，比較再生后吸濕性能的變化。

1.5.4 與其他吸濕劑的復(fù)合試驗(yàn) 以上比例理論上每3 g飛粉可制備30 g干燥劑。采用最優(yōu)配方，按照10%的添加比例，在反應(yīng)物混合階段分別加入3.3 g氯化鈣、蒙脫石、凹凸棒、分子篩、羧甲基纖維素鈉，以未添加為對(duì)照，分析復(fù)合配方對(duì)干燥劑吸濕性能的影響。

1.5.5 干燥劑的結(jié)構(gòu)分析 按照最優(yōu)中和度、最優(yōu)復(fù)合方式制備樣品，但采用凍干方式進(jìn)行干燥。凍干后2個(gè)樣品在97%恒濕下吸濕飽和后，再采用凍干方式干燥。取再生前后共4個(gè)樣品，采用真空噴金、電鏡掃描觀察形貌結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為500和1 000倍。

1.6 吸濕量和吸濕速度測(cè)定

用精確度0.000 1 g的電子天平，稱量培養(yǎng)皿的質(zhì)量m1和干燥劑與培養(yǎng)皿的總重m2，將裝有干燥劑的培養(yǎng)皿迅速放入已經(jīng)平衡濕度的小型玻璃干燥器內(nèi)（平衡濕度的方法見(jiàn)“1.4”），蓋好干燥器蓋子，計(jì)時(shí)。固定時(shí)刻取出培養(yǎng)皿，稱量重量m3，某時(shí)刻吸濕量（g/g）=（m3-m2）/（m2-m1）。吸濕速度（g/（g·h））=（m3-m2）/（m2-m1）×t，t為吸濕時(shí)間。

1.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤的計(jì)算，曲線采用ORIGIN軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 中和度對(duì)干燥劑的最大吸濕量和吸濕速度的影響

20%～140%中和度的干燥劑樣品在低濕度29%恒濕環(huán)境下吸濕192 h的吸濕量如圖1a所示。當(dāng)中和度為20%時(shí)，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明此干燥劑不吸濕，甚至有倒吸現(xiàn)象。中和度在40%～80%，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，最大吸濕量在0.03～0.06 g/g。當(dāng)中和度在100%～140%，吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)快速增加，192 h吸濕量在0.09～0.12 g/g。由此可見(jiàn)，制備低濕度環(huán)境應(yīng)用的干燥劑其中和度應(yīng)高于100%。

20%～140%中和度的干燥劑樣品在高濕度97%恒濕環(huán)境下吸濕192 h的吸濕量如圖1b所示。中和度在20%～80%，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，最大吸濕量在0.15～0.6 g/g。當(dāng)中和度在100%～140%，吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)快速增加，192 h吸濕量在0.8～1.2 g/g，且隨著中和度的增大干燥劑吸濕量也變大。由此可見(jiàn)，高濕度環(huán)境應(yīng)用的干燥劑，其中和度仍應(yīng)高于100%，并且在高濕度環(huán)境下沒(méi)有倒吸現(xiàn)象。

2.2 不同目數(shù)對(duì)干燥劑吸濕速度的影響

20～60目的120%中和度的干燥劑樣品在低濕度29%恒濕環(huán)境下192 h吸濕時(shí)間內(nèi)吸濕速度如圖2a所示。當(dāng)目數(shù)為20目時(shí)，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，在超過(guò)180 h后，吸濕量略有減少最終穩(wěn)定在0.04～0.05 g/g。當(dāng)目數(shù)為40～60目時(shí)，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，在超過(guò)180 h之后，吸濕量略有減少最終穩(wěn)定在0.05～0.06 g/g。其中60目干燥劑較40目干燥劑吸濕量更高。由此可見(jiàn)，低濕度環(huán)境應(yīng)用的干燥劑，其目數(shù)應(yīng)高于40目，且越高越好。

20～60目的120%中和度的干燥劑樣品在高濕度97%恒濕環(huán)境下吸濕192 h的吸濕量如圖2b所示。在該濕度下，干燥劑因目數(shù)的差異對(duì)吸濕量影響并不明顯，吸濕量均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)快速增長(zhǎng)，192 h吸濕量在0.9～1.1 g/g。而60目干燥劑略好，由此可見(jiàn)，在高濕度環(huán)境應(yīng)用的干燥劑，其目數(shù)在20～60目均可。

2.3 再生對(duì)干燥劑的最大吸濕量和吸濕速度的影響

試驗(yàn)中干燥劑在達(dá)到恒重或吸濕量有所降低之后，將干燥劑送入鼓風(fēng)烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫再生。20%～140%中和度的再生干燥劑樣品在低濕度29%恒濕環(huán)境下吸濕192 h的吸濕量如圖3a所示。當(dāng)中和度為20%時(shí)，干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明此干燥劑不吸濕，甚至有倒吸現(xiàn)象。中和度在40%～80%，再生干燥劑吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，最大吸濕量在0.015～0.035 g/g。當(dāng)中和度為100%與140%，吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增加，192 h吸濕量在0.045～0.07 g/g。當(dāng)中和度為120%，吸濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)快速增加，192 h吸濕量在0.09～0.10 g/g。由此可見(jiàn)，再生后干燥劑的吸濕規(guī)律沒(méi)變化，吸濕能力為原始的80%以上。