廢棄的生物質秸稈合成WS-g-PAA/Loess復合型高吸水性樹脂及性能研究

魏娟娟，馮恩科，曹江平，王亞麗，葉 飛

(寧夏師范學院 化學化工學院，寧夏 固原 756000)

十三五期間，我國將環境保護和生態文明建設提高到了新的高度。隨著近年來國家對環保和生態的重視，用于干旱區和風沙危害區生態環境修復的保水材料及固沙材料的需求量激增。但是國內該類材料成本太高，限制了產品的推廣使用。如果能夠利用農作物秸稈制備保水及固沙材料，不僅解決了農作物固廢引起的環境污染和資源浪費問題，而且可降低保水劑等產品的成本，促進其在生態修復領域中的推廣使用[1]。

常見丙烯酸類高吸水樹脂由于保水性能不高、耐鹽性差、凝膠強度低等原因制約了其大規模使用[2]。為了解決該類問題，王愛勤和柳明珠等課題組[3,4]采用在生物質中添加黏土的方法來制備高吸水樹脂，使吸水樹脂在實際應用中取得了顯著進展。因而，本文以廢棄的小麥秸稈和丙烯酸為原料，復配黃土合成了復合型高吸水樹脂。該研究既對生態脆弱區域的生態修復具有重要作用，又可以實現農業廢棄資源的循環利用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

所用實驗材料：無水甲醇、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺、丙烯酸、過硫酸銨均購于國藥集團化學試劑有限公司，屬分析純。小麥秸稈和黃土采自于寧夏固原市隆德縣。所用實驗儀器：超聲波清洗機、臺式高速離心機、鼓風干燥箱、掃描電子顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜儀。

1.2 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的制備

將稱量的2.0 g小麥秸稈粉末加入一定體積蒸餾水中，設置反應溫度進行糊化；在N2保護下，向體系中添加一定量的引發劑，快速攪拌，引發一定時間；將一定量丙烯酸，交聯劑和黃土按順序加入反應，重新調節反應溫度，使反應保持一定時間，直至凝膠生成；將得到的凝膠使用造粒機造粒，用無水甲醇洗滌3次后置于65℃烘箱干燥，即得目標產物。

2 結果與討論

2.1 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的的紅外表征

如圖1a曲線所示，3552 cm-1、3620 cm-1和1654 cm-1處為Si-OH、Al-OH和-OH的特征峰，478 cm-1、1027 cm-1處為Si-O不對稱彎曲振動和收縮振動特征峰，表明a為黃土的紅外光譜。b曲線2919 cm-1、3414 cm-1和1049 cm-1處為C-H、-OH 和C-O特征峰，表明b為小麥秸稈的紅外光譜。c曲線為WS-g-PAA 紅外光譜，當小麥秸稈參與反應后，1049 cm-1處C-O特征峰在復合材料紅外光譜中出現，同時，在1405 cm-1、1454 cm-1、1575 cm-1和1718 cm-1處均出現了丙烯酸及丙烯酸鹽的紅外吸收峰，表明小麥秸稈和丙烯酸產生了接枝共聚反應。對比c曲線，d曲線1027 cm-1處出現了黃土Si-O收縮振動特征峰，說明d為WS-g-PAA/Loess的紅外光譜[5]。由以上分析可知，小麥秸稈、丙烯酸以及黃土之間發生了接枝共聚反應，并合成了復合型的高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess。

圖1 紅外光譜圖(a)黃土，(b)小麥秸稈，(c)WS-g-PAA和(d)WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂

2.2 WS-g-PAA/Loess高吸水樹脂的形貌表征

圖2為高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的掃描電鏡圖。由圖可看出，黃土與高吸水樹脂具有較好的相容性，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess表面粗糙，有褶皺，出現孔隙結構。由此表明該結構比表面積較大，有利于提高了高吸水樹脂的吸水倍率。

圖2 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的掃描電鏡圖

2.3 交聯劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

如圖3所示，當交聯劑添加量為0.155%時，樹脂吸自來水和蒸餾水的吸水倍率最高。分析原因可知，當交聯劑添加量比較少時，樹脂網絡結構中產生的交聯點少，樹脂可溶性部分相對增多，導致樹脂的吸水倍率相對較低；交聯劑添加量較大時，形成的樹脂交聯密度變大，形成的網絡空間變小，導致水分子難以進入網絡空間，對應的吸水倍率相應變小。

圖3 交聯劑添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.4 引發劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

圖4為引發劑添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響。由圖可知，當引發劑添加量為1.23%時，樹脂的吸水倍率達到最高。這是因為當引發劑添加量過少時，體系中形成的自由基相對較少，聚合反應速率慢，聚合物的相對分子質量較小，導致很難形成網狀結構，因而樹脂吸水性能變差；引發劑添加量較多時，容易產生暴聚現象，導致自由基鏈鍛來不及增長，形成的多是易溶性低聚物。

圖4 引發劑添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.5 黃土添加量對高吸水樹脂吸水倍率的影響

從圖5可知，當黃土添加量為7.7%時，樹脂的吸水倍率最大。這是由于黃土表面的羥基與聚丙烯酸側鏈上的羧基會發生相互作用，黃土可以作網絡結構中的交聯點，與聚合物的側鏈形成有效的三維網狀結構，有效增加了樹脂的吸水性能[6]。但是，黃土添加量過高時，過多的黃土會堵塞網狀結構的空穴，使外界水分子無法進入聚合物膠體的內部，從而降低其吸水倍率。

圖5 黃土添加量對高吸水性樹脂吸水倍率的影響

2.6 保水性能測試

圖6是高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的保水性能圖，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess溶脹后，經離心分離(4000 r/min，30 min)，測得保水率能達到95%，說明該復合材料具有較高的保水能力。表明向聚丙烯酸類吸水樹脂中添加黃土，能夠很好的解決該類吸水樹脂保水性能差的問題。

圖6 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的保水性能

2.7 反復吸水性能測試

圖7為高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess反復吸水倍率。由圖可知，高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess重復吸水6次后才基本失去再吸水能力，說明利用小麥秸稈接枝丙烯酸，并復配黃土制備得到的高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess具有較好的反復吸水性能。

圖7 高吸水樹脂WS-g-PAA/Loess的反復吸水性

3 結論

本文采用水溶液聚合法，以小麥秸稈(WS)和丙烯酸(AA)為原料，復配黃土(Loess)，用N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)作交聯劑、過硫酸銨(APS)為引發劑，成功制備了小麥秸稈/聚丙烯酸/黃土(WS-g-PAA/Loess)的復合型高吸水樹脂。通過性能研究表明，當交聯劑、引發劑和黃土的添加量分別為0.155%、1.23%和7.7%時，合成的復合型高吸水樹脂的吸水性能最佳，其對自來水和蒸餾水的最大吸液倍率分別為120.0 g/g 和440.0 g/g。