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Preparation of Super-Absorbents Composites from Kaolin/Sodium Lignosulfonate-g-AA-AM

高岭土/木质素磺酸钠-g-AA-AM复合高吸水树脂的制备


以木质素磺酸钠(LS-Na)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)为原料,高岭土(Kaolin)为无机添加剂,过硫酸钾(KPS)为引发剂,N,N‘-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)为交联剂,通过溶液聚合制备高岭土/木质素磺酸钠-g-AA-AM复合高吸水树脂(LPAAM)。选用正交试验设计方法,以蒸馏水和0.9%NaCl溶液中的平衡吸液倍率为评价参数得到了较优配方: m(AM) ∶m(AA)=1 ∶1,m(KPS)=1.0%,m(NMBA)=0.1%,pH=3。将上述配方制备的LPAAM以不同浓度NaOH于90 ℃皂化2 h,得到皂化后的LPAAM,该树脂在蒸馏水和0.9%NaCl溶液中的平衡吸液倍率分别为1 003及89 g ·g-1

Kaolin/sodium lignosulfonate graft acrylic acid and acrylamide superabsorbents composites(LPAAM) were prepared by solution polymerization using sodium lignosulfonate(LS-Na), acrylic acid(AA)and acrylamide(AM)as raw materials, kaolin as inorganic filler, potassium peroxydisulfate(KPS) as initiator, N,N‘-methylene-bis-acrylamide(NMBA)as crosslinker. The optimized formula using orthogonal experiment design based on the assessment of the absorbencies in distilled water and 0.9%NaCl solution was obtained as follows: m(AM) ∶m(AA)=1 ∶1, m(KPS)=1.0%, m(NMBA)=0.1%, pH=3. Then the saponification reaction based on the above-mentioned optimized formula superabsorbent was used with different concentration NaOH solution at 90 ℃ for 2 h. Its absorbencies in distilled water and 0.9% NaCl aqueous solution were respectively 1 003 and 89 g · g-1.


全 文 :第 !" 卷 第 # 期
% & &
高岭土h木质素磺酸钠U4U--U-E
复合高吸水树脂的制备&
何新建6谢建军6魏6玉6李6晟6黄6凯6韩心强6张绘营
"中南林业科技大学材料科学与工程学院6长沙 !&%%%!6!6".U+D%丙烯酸"--为原料!高岭土"jD01=<!"jZ为引发剂!+!+0 @亚甲基双丙烯酰胺 "+E^ -!hU4UUE".ZE& 选用正交试验设计方法!以蒸馏水和 %2Bd+D(1溶液中的平衡吸液倍率
为评价参数得到了较优配方’ ,"-Er," g&r&!,"jZ’g&2%d!,"+E^ - g%2&d!Geg7& 将上述配方制
备的 .Z--E以不同浓度 +Die于 B% c皂化 K!.ZE!666文献标识码!-666文章编号!&%%& @"!##"%%B @%# @%!# 修回日期’ #&
基金项目’ 湖南省自然科学重点基金资助项目"%"kk7&%B!!"%%#:j7%B$$ &
& 谢建军为通讯作者&
F/"+$/$%&’(’5.0+"/7;,)’/,"(%)6’4+’)&%")5/’4<$’#&(d.’2&04
S&I(’)0#5’($%"7I7;;7;:
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;,)%/$1%’6jD01=G;FGD;FR JMO013S=0< G01M8F;=\DS=0< 3O=<4O0R=381=4<0O31P08DSF;=D1O! ]D01=< DO=<0;4D<=TP=1F;! G0SDOO=38 GF;0QMR=O31PDSF"jZ’ $ DO=<=S=DS0;! +!+0U8FSKM1F"+E^ -$ DOT;0OO1=<]F;5,KF0GS=8=\FR P0;831D3O=<40;SK040DJO0;JF&2%d! ,"+E^ -$ g%2&d! Geg72,KF< SKFODG0<=P=TDS=0< ;FDTS=0< JDOFR 0< SKFDJ0WFU8FO3GF;DJO0;JFD<"= -’/2)’61=4<=<# O3GF;DJO0;JF66 高吸水树脂 "O3GF;DJO0;JF’-Z%%A& 因此!生 物质系黏土复合高吸水树脂更备受关注& 目前!主 要有黏土h淀粉系".=-./%5!%%?%%%黏土h壳聚糖系 "NKD<4-./%5!
和黏土h腐殖酸钠系"华水波等! &
木质素磺酸盐是木材水解和造纸制浆行业的主
要副产品之一!来源广泛& 在电子显微镜下!观察到
木质素磺酸盐大分子聚集体近似于球状或块状
"I=1=O-./%5! &B#"!其热力学柔性属于中度刚性键 聚合物& 木质素磺酸盐主要是由结构单元苯丙烷组 成!分子结构上含有甲氧基%羟基 "酚羟基和醇羟 基%不饱和双键%磺酸盐基和醚键等官能团!在一
定条件下能与多种物质发生多种反应 "邱卫华等!
6第 # 期 何新建等’ 高岭土h木质素磺酸钠U4U--U-E复合高吸水树脂的制备
’ 磺化% 与甲醛缩合% 与不饱和单体进行接枝
共聚& 其中对于不饱和单体丙烯酸%丙烯酰胺的接
枝共聚!国内外进行了许多研究& 对木质素磺酸盐
与丙烯酰胺接枝共聚!该接枝产物吸附能力较改性
前明显增强 "叶凌等!!对染料废水有较好的
脱色效果"C3F-./%5! %%!& 刘千 钧等"%%7%%?!使!"!%%7& 王晓红等"%%"!ji# 引发木 质素磺酸钠与丙烯酸发生接枝共聚!反应的较佳条 件是’ 质量分数 ,"ji# gd研究了木质素磺酸盐与丙烯酰胺或丙烯
酸的接枝共聚!详细考察了 种接枝反应的条件& 目前!木质素磺酸盐及其接枝共聚物主要用做 混凝土减水剂%分散剂%泥浆处理剂%土质稳定剂%表 面活性剂%水处理剂%黏合剂等"蒋挺大!%%7# 徐青
林!!用于吸水保水材料!文献报道很少& 赵
建兵等"分析了目前高吸水树脂的研究与开
发中存在的问题!阐明了木质素基吸水性树脂的研
究意义& 王云普等"将马铃薯茎叶经干燥%粉
碎后!在微波辐射下与丙烯酸%丙烯酰胺接枝共聚!
同时与木质素磺酸钠制备互穿网络高吸水材料!经
测定’ 蒸馏水中吸水倍率可达自身干质量的 吸水倍率可达自身
干质量的 以硫酸亚铁
@过氧化氢 @硝酸铈铵体系为引发剂!研究了丙烯
腈在木质素上发生的接枝聚合作用!试验表明’ 接
枝共聚物水解时!碱的浓度和体积对产物的吸水倍
率有较大影响& 罗学刚等 "用高纯木素和水
溶性高分子为原料!通过活化﹑接枝﹑共聚﹑交联
和发泡制得了一种环境友好的木素高吸水树脂& 杨
磊等"采用木粉接枝丙烯酰胺可制得吸水性
能良好的高吸水树脂!考察了木粉与 -E配比%皂化
时 +Die用量和温度%引发剂用量%反应温度与时间
对木粉U4U-E高吸水树脂吸液性能的影响!并获得
了制备木粉"I[@EhI[g? %2%%& A%反应温度 A% c%反应时间? K%
产物碱水解皂化度 !%%水解温度 B% c!其吸水倍率
可达& %
丙烯酸"--%高岭土"jD01=<!hU4UhE".ZE! 通过正交试
验设计方法得到了较优配方!并研究了后处理方式
和皂化中 +Die用量对 .Z--E基本吸液性能的
影响&
&6材料与方法
@?@A主要原料
木质素磺酸钠".’U+D’工业品!北京慕湖外加 剂有限公司# 丙烯酸"--’ 分析纯!成都市科龙化
工试剂厂!使用前进行减压蒸馏纯化# 丙烯酰胺
"-E’ 分析纯!天津市科密欧化学试剂有限公司# 高岭土"jD01=<’ 化学纯!上海五四化学试剂厂# 过
硫酸 钾 "jZ’ ’ 分析纯!上海化学试剂厂# 盐酸%氯化钠%
氢氧化钠’ 分析纯!湖南汇虹试剂有限公司&
@?>A复合高吸水树脂的合成
按正交试验配方称取定量的 .’U+D和 -E各溶
于适量的蒸馏水!在 -E溶液中依次加入 +E^ -!
--!jD01=液加入 .’U+D溶液中!调节 Ge值!再加入定量的
jZ’!密封!采用阶梯升温方式’ A?!"?!#? c各反应
K!!+Die!使!!!!"A的复合高吸水树脂 .Z--E!
备用&
@?BA吸液倍率的测定
采用袋滤法’ 称取上述 .Z--E约 %2+D(1溶液中!一定时间后取出!并静置约 7%
8=_*J",*^,%K,
式中’ ,% 为干凝胶质量"4!,"4!_*为第 *次吸液倍率"4-4
@&& _*基本不变时为其平衡吸液倍率或饱和吸液倍率&6结果与讨论
>?@A正交试验设计
在一定 .’U+D与总单体质量比%高岭土质量浓
度为 7d下!以 -Er--单体质量比)E*%Ge值%交
联剂质量浓度)A*及引发剂质量浓度)L*"相对于总
单体的质量!! 为试验
结果!表 7 为极差分析结果& 从表 7 可知’ 当
)E* g7r7% Geg7%)A* g%2&%d%)L* g&2%d时!
.Z--E复合高吸水树脂在蒸馏水中吸水倍率最高#
当)E* g7r&%Geg7%)A* g%2%#d%)L* g&2?d时!
.Z--E复合高吸水树脂在 %2Bd+D(1溶液中吸液
倍率最高# 各因素对 .Z--E复合高吸水树脂吸液
倍率影响程度由强到弱依次为’ Ge值%单体质量
比%引发剂质量及交联剂质量浓度&
表 @A正交试验的因素水平设置
9,E@A;55"11%’/(2#"K"#2")&I(’5 ’/%*’I’(#"L+"/&4"(%)
因素h水平
.FWF1hPDTS0;
)A* "d)E)L"d Ge
& %2%# &r7 %2? &2%
2%
7 %2&7r& &2? 72% 表 >A正交试验结果! 9,E>A!")0#%)’5%*"’/%*’I’($#"L+"/&4"(%
试验编号
*QGF;=8F+05
)A*
"d)E)L"d
Ge
_Vh
"4-4@& _Oh "4-4@&
& %2%# &r7 %2? &2% %2%# 7r7 &2% 2 7?
? %2&% 7r7 &2? &2% 7BB ?A2% 7B& !%
" %2&&r7 &2?2% 7A7
# %2&7r7
B %2&7r& &2% &2% 7&" 7! 66_V’ 蒸馏水中吸液倍率 -JO0;JF%2Bd +D(1溶液中吸液倍率 -JO0;JFDJO0;GS=0<5
表 BA正交试验中蒸馏水和 Z?cV86#溶液中 吸液倍率的极差分析 9,EBA!(I"(#=)&)’5%*",)’/,"(1&")5’/
’/%*’I’(#"L+"/&4"(%)&(2&)%&#"2-%"/(2Z?cV86#)’#0%&’(
水平
.FWF1O
_Vh"4-4
@& _Oh"4-4 @&
)A*
"d)E)L"d
Ge
)A*
"d)E)L"d
Ge
j& & %AB & %&? & %%B B&" &&& "BA"7j & ! & 7%% & ?7 &7" &%% &%% &%BA j7 & BA & %B & &!? & ?7 BB &7# && &!&
极差 YD<4F &"! #?!! 77A &AA &A A# 66综合考虑 .Z--E复合高吸水树脂对蒸馏水吸 液倍率和各因素对 .Z--E复合高吸水树脂在蒸馏 水中吸液倍率影响程度!笔者选取了对蒸馏水吸液 倍率最高的配方")E* g7r7%Geg7%)A* g%2&d% )L* g&2%d进行试验!得到 .Z--E复合高吸水树
脂在室温下蒸馏水和 %2Bd+D(1溶液中的平衡吸液
倍率分别为 !B% 及 7? 4-4@&&而由表 !22&6后处理方式对 .Z--E复合高吸水树脂吸 液性能的影响6在合成条件 ")E* g7r7%Geg7% )A* g%2&d%)L* g&2%d不变的情况下!比较测定
了直接干燥%+Die浸泡 !# K%+Die浸泡 !# K 后乙
醇浸泡 !# K%+Die于 B% c水解 K.ZE"!& 从表 ! 可见’ 后处理方式对 .Z--E复合
高吸水树脂吸液性能的影响很大!+Die水解能较
大地提高 .Z--E复合高吸水树脂的吸液倍率!主
要是因为 +Die水解能使高分子链上的((i+e((iie# 又由于((ii
@的排
斥作用!分子链伸直!网络膨胀!交联网络内外侧渗
透压增高# 另外!((ii+D%((iie%((i+e基 团间存在协同作用!这些因素都使吸液倍率增加& 采取 +Die浸泡方式和浸泡后甲醇洗涤方式吸液倍 率较低!是因为 +Die无法较好地渗入到复合树脂 内部!只能使复合树脂表面的((iie%((i+e
化为((ii+D!复合树脂内部几乎无((ii+D!排
斥力小!渗透压低!且其内部可能存在 ep!使内部
酸性仍可能较强!吸液倍率较低&
表 CA不同后处理方式对吸液性能的影响
9,ECAG55"15%"/7%/",)’/,"(1&")
A"+Dieh "801-.@&
处理方式
,;FDS8F_Vh
"4-4@& _Oh "4-4@&
正交试验最优配 方! 无 后 处 理 EDQ=38
P0;831D 0P 0;SK040DPSF;US;FDSFR
!!? 77
%2%? 沉浸处理 )88F;O=0< ?"7 !B
沉浸处理后甲醇洗涤 IDOKFR V=SK
8FSKD<01DPSF;=88F;O=0<
!B% 7?
%2!% 水解皂化 eMR;01MO=O B&7 A沉浸处理 )88F;O=0< !A7 #" 水解皂化 eMR;01MO=O A%? &%7226皂化中氢氧化钠用量对 .Z--E复合高吸
水树脂吸液性能的影响6在其他条件")E* g7r7%
Geg7%)A* g%2&d%)L* g&2%d%B% c水解 K
变的情况下!取&? 4.Z--E复合高吸水树脂!考察
+Die溶液浓度对 .Z--E复合高吸水树脂吸液性
能的影响"图 && 从图 & 可见’ +Die溶液浓度对 吸液性能的影响很大!尤其在低于 %2&% 801-.@& 时!蒸馏水中吸液倍率随 +Die浓度增大而迅速提 A7& 6第 # 期 何新建等’ 高岭土h木质素磺酸钠U4U--U-E复合高吸水树脂的制备 高!在 %2&% 801-.@&时吸液倍率达最大值!之后逐 渐减小& 这主要是因为水解度随溶液中 +Die用量 的增加而增大!接枝共聚物侧链上的((iie% ((i+e转化为((ii+D的数量增加!((ii+D
比((i+e 方面的共同作用使复合高吸水树
脂在蒸馏水中的吸液倍率提高# 当大于 %2&%
801-.@&时!可能由于((iie%((i+e$ 几乎完全
转化为((ii+D!导致高分子链上((ii@的静电
排斥作用过大!聚合物链的弹性模量随之下降!且无
不同基团的协同作用!所以吸液倍率降低&
图 &6皂化液中 +Die浓度对 .Z--E吸液性能的影响
[=45&6*PFTSO0PSKFT0O013S=0< 0< SKFDJO0;JF)E* g7r7!Geg7!)A* g%2&d!
)L* g&2%d!温度 ,F8GF;DS3;FB% c!时间 ,=8FK2+Die! 和((ii+D间协同作用使吸液性
能优于单一的((ii+D或((iie和((i+e!((iie 转化为((ii+D达到一定程度!复
合树脂中的((iie%((i+e和((ii+D的数量配 比适当时!复合树脂的吸水性能最佳& 试验表明’%% 8.+Die溶液的浓度为 %2&%
801-.@&时!复合树脂在蒸馏水中吸液倍率最高为
& %%7 4-4@&!%2Bd+D(1溶液中的平衡吸液倍率为
#B 4-4@&#而 2276.ZE6")Eg7r7%% 8.+Die于 B% c
水解 K不变时!比较了 +Die水解后用乙醇脱水
再干燥与直接干燥对 .Z--E复合高吸水树脂吸液
性能的影响"表 ?& 从表 ? 可知’ +Die水解后乙 醇脱水对吸液性能的影响较小!说明乙醇在脱水过 程中没有破坏 .Z--E复合高吸水树脂的网络结 构!也没有改变((iie%((i+e%((ii+D基团
的数量配比!仅起到了加快干燥的作用&
表 DA8R9,EDAG55"1%’5"%*(’#2"*=2/%&’(5‘R
)+’(&5&1&’(’(%*",)’/,"(1&")’5SF;;: A"+Dieh
"801-.@& $
后处理
,;FDS8F_Vh"4-4
@& _Oh"4-4 @&
%2%? 无甲醇 +0FSKD<01 ?"! 7# 甲醇脱水 *SKD<01 RFKMR;DS=0< ?"# !% %2%"? 无甲醇 +0FSKD<01 #!! ?B 甲醇脱水 *SKD<01 RFKMR;DS=0< #!7 ?B %2&% 无甲醇 +0FSKD<01 & %%7 #B 甲醇脱水 *SKD<01 RFKMR;DS=0< BB" #B >?BASF;;:的傅里叶红外分析 从接枝前后的红外谱图 "图 中可以看出’ .Z--E接枝共聚物中除了木质素苯环结构的特征 吸收峰依然存在外!还具有高岭土h丙烯酰胺 @丙烯 酸共聚物的部分特征峰& 如’ 7 !7! T8@&附近的 i(e或 +(e振动吸收峰% B!& T8@&处的 ((e
对称伸缩振动峰%& AA# T8@&处的((i+e%% 8.%2&% 801-.@& +Die于 B% c水解 K不变时!通过对比试验发现!添加了高岭土的
.Z--E室温下在蒸馏水和 %2Bd+D(1溶液中的平衡吸
"7&
林 业 科 学 !" 卷6
66[,)Y0PO0R=381=4<0O31P0D2木质素磺酸钠 .=4<0O31P0液倍率"分别为& %%7及 #B 4-4@&.ZE%及 A! 4-4@&高& 可能是因为’ 高 岭土是层状的硅铝结构!表面有许多(ie& 一方面高 岭土表面上的许多(ie参与((iie%((i+e%(
(ii+D基团的协同作用# 另一方面高岭土的加入使
.Z--E的交联度更有利于吸液性能的改善!也提高了
其耐盐性!这些都可能使含高岭土的 .Z--E在蒸馏水
和 %2Bd+D(1溶液中吸液倍率增加& 当交联剂用量一
定时!高岭土的用量适合!网络空间的改变很少"或几
乎没有改变!因此其吸水倍率较高& 76结论 & 采用正交试验法!得到在质量比木素磺酸钠
,".’U+Dr)," p,"-E*为 &r"%高岭 土为总单体质量的 7d时!制备高岭土h木质素磺酸 钠U4U丙烯酸U丙烯酰胺复合高吸水树脂".Z--E
佳配方条件’ ,"-Er," g&r&%,"jZ’g &2%d%,"+E^ - g%2&d%Geg7&
+Die!B"!BB @7%&5
刘千钧!詹怀宇!刘明华5 ’ "7" @"7B5
刘千钧!詹怀宇!连安丰!等5 ’ ?"" @?"B5
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王爱勤!张俊平5 ’ &7@&7A5 王晓红!郝6臣5%%"5木质素磺酸盐与丙烯酸接枝改性5江苏大学
学报’ 自然科学版!#"A ’ ?# @?7&5 王云普!梁6燕!张6继5%%#5马铃薯茎叶h木质素磺酸钠高吸水
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徐青林5!"7’ !7 @!#5 杨6磊!李6坚5%%75木质基高吸水树脂的合成5东北林业大学学
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研究进展5中国科技论文在线!7"B$ ’ A$A @A7A5
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!责任编辑6石红青"
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