秸秆种类对秸秆基高吸水性树脂性能的影响

潘滋涵

（承德石油高等专科学校化学工程系，河北 承德067000）

高吸水性树脂具有优良的吸水性和保水性，在医药、卫生、农林、建筑等诸多领域都有广泛的应用。以秸秆为原料制备高吸水性树脂，具有成本低、性能好、环境友好等优点，实现了高吸水性树脂的可持续发展[1-7]。

不同作物秸秆，因其组成不同，导致制备的高吸水性树脂性能有一定的差异，因此有必要通过实验筛选出一种最适宜的作物秸秆。本研究选用玉米、小麦、高粱三种最为常见易得的作物秸秆为原料，比较其合成的高吸水性树脂的各项性能。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

HH-6 恒温水浴锅（金坛市大地自动化仪器厂）；DHG-9140电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；GJ-3A密封式化验制样粉碎机（鹤壁市民生开发有限责任公司）。

玉米秸秆、小麦秸秆、高梁秸秆，采自承德市郊，干燥饱满无污染。丙烯酸，化学纯；丙烯酰胺，分析纯；过硫酸铵，分析纯；N,N＇—亚甲基双丙烯酰胺，分析纯；氢氧化钠，化学纯，以上试剂均购自天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 秸秆的预处理

将作物秸秆用清水洗净后放到温度为80℃的烘箱内烘至恒重。取出秸秆剪碎并用粉碎机做粉碎处理，过100目筛后用10 wt%的NaOH溶液浸泡2 h[8-9]，再进行抽滤，并用无水乙醇洗至中性，烘干至恒重。

1.2.2 树脂的合成

首先称取适量预处理后的秸秆并加入到三颈瓶中，再加入适量蒸馏水，放到温度为80℃的恒温水浴锅中搅拌。然后配制单体溶液，先用氢氧化钠溶液中和丙烯酸（AA），然后向其中加入丙烯酰胺（AM）和引发剂过硫酸铵，并搅拌使其溶解，把水浴锅温度降到60℃，再将混合溶液加入到三颈瓶内，通氮气，在反应45 min后加入交联剂N,N＇—亚甲基双丙烯酰胺，直至出现爬杆现象。最后将反应产物倒出，置于60℃烘箱内烘至恒重，然后取出剪碎成小块。

1.2.3 吸水能力的测试

先用电子天平称取质量为M1的干燥后的高吸水性树脂，然后选取80目的滤袋称量其质量，记为M2。将高吸水性树脂放入滤袋内，将其放在液体中浸泡，使高吸水性树脂充分吸水达到饱和。最后提出滤袋，滤掉水分，称量滤袋与吸水后的树脂总质量，记为M3。最后计算高吸水性树脂的吸水倍率。高吸水性树脂的吸水倍率Q的计算公式：

1.2.4 保水性能测试

先选择干燥的烧杯称量其质量，记录为M1，然后选取充分吸水达到饱和的高吸水性树脂放于烧杯中，称量其总重量，并记录为M2。将恒温干燥箱的温度设置为40℃，再把装有高吸水性树脂的烧杯放于恒温干燥箱内，每隔一小时拿出来称量其总质量，记为M0。

用所得到的数据计算高吸水性树脂的保水率，按照下式计算：

1.2.5 高吸水性树脂凝胶强度的测试

先选取适量高吸水性树脂置于蒸馏水中，让其充分吸水达到饱和，选取合适凝胶用美工刀修饰为1 cm×1 cm×1 cm 的立方体，然后将树脂放置在载玻片上，并在其上表面放置盖玻片。用游标卡尺测量载玻片与盖玻片之间的距离，记为L0；选用合适载玻片重置于盖玻片上，树脂因为压力作用会发生一定形变，再用游标卡尺测量盖玻片与载玻片之间的距离，记为L1。重复三次取平均值，用树脂的抗压形变量ΔL（ΔL=L1-L0）来表征高吸水性树脂的凝胶强度。

2 结果与讨论

2.1 不同种类秸秆基高吸水性树脂的吸水能力

图1 不同种类秸秆基高吸水性树脂在不同液体中的吸水倍率

从图1中可以看出，玉米秸秆基高吸水性树脂的吸水倍率在不同溶液中都是最大的。这是因为本实验以纤维素为原料制备高吸水性树脂，纤维素含量越多，越有利于树脂三维网状结构的形成，但作物秸秆中还有木质素和半纤维素等其他成分，而木质素中的苯酚单元对聚合反应起到了一定的阻碍作用，使树脂无法有效形成网络结构，并且阻碍树脂的膨胀。从图1 中还可以发现，秸秆基高吸水性树脂在蒸馏水中的吸水倍率都是最大的，而在自来水和生理盐水中的吸水倍率要小很多倍。这是因为自来水与生理盐水中含有大量离子，根据Flory 吸水公式，溶液离子强度越大，则表明渗透压越小，所以高吸水性树脂的吸水率就会变小。

不同作物秸秆各组分含量见表1，从表1可知，玉米秸秆纤维素含量高，木质素的含量很低[10]，所以用玉米秸秆制备高吸水性树脂更利于三维网络结构的形成，吸水性能也最好，通过比较还发现，玉米秸秆基高吸水性树脂的耐盐性最好。

2.2 不同种类秸秆基高吸水性树脂的保水能力

不同种类秸秆基高吸水性树脂在40℃温度下的保水性能如图2 所示。经过7 h 后，三种不同的秸秆基高吸水性树脂的保水率都在50%以上，表明三种高吸水性树脂都具有良好的保水性，其中以玉米秸秆基高吸水性树脂的保水性能最好。在脱水时，首先是在树脂分子内的自由水从空隙内先脱去，其次是在外界温度的作用下，与秸秆通过化学键的形式形成的结合水，而结合水较难脱去，因此玉米秸秆基高吸水性树脂的保水性能最好。

表1 不同作物秸秆中各组分的含量

图2 不同种类秸秆基高吸水性树脂的保水率

2.3 不同种类秸秆基高吸水性树脂的凝胶强度

图3 不同种类秸秆基高吸水性树脂的受压形变量

从图3中可看出，受压形变量最小的是用玉米秸秆制备的高吸水性树脂，表明该树脂的凝胶强度最大。这同样也与高吸水性树脂的三维网络结构有关，不同种类的秸秆其成分含量不同，导致不同秸秆制备出的树脂的接枝点数目也不同，接枝点越多，就越有利于三维网络结构的形成，结构稳定性也就越强，树脂的凝胶强度也越高。

3 结论

（1）以玉米秸秆为原料制备的高吸水性树脂，其吸水能力明显高于小麦和高梁，这是因为玉米秸秆中的纤维素含量最高。

（2）三种作物秸秆都具有良好的保水性能，其中玉米秸秆制备的高吸水性树脂保水能力最佳。

（3）以玉米秸秆为原料制备的高吸水性树脂其凝胶的受压形变量最小，强度最大。

综上所述，玉米秸秆在本研究所用的三种秸秆中最适宜制备高吸水性树脂，其制备的高吸水性树脂综合性能最优。