正交設計優化制備淀粉接枝AMPS高吸水樹脂

管仁貴++柳嬋++褚菲菲

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑、過硫酸鉀為引發劑，采用正交設計優化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結構及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結果表明：在正交試驗確定的較優工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學校科技計劃（編號：J13LD11）；煙臺大學青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產成本低、可生物降解、對環境無污染且具有優越的吸水保水性能等優點而被廣泛應用于醫療衛生、農林園藝、沙漠治理等領域[1-2]，而提高該類產品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協同互補效應提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調節pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應3 h，產物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區的黃土。稱取3份質量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結果與分析

2.1正交試驗結果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖。可見樹脂吸水后呈現出明顯的多層蜂窩狀結構，網孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優反應條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應溫度，3 h反應時間。該反應條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農林園藝及沙漠治理方面具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農學報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑、過硫酸鉀為引發劑，采用正交設計優化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結構及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結果表明：在正交試驗確定的較優工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學校科技計劃（編號：J13LD11）；煙臺大學青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產成本低、可生物降解、對環境無污染且具有優越的吸水保水性能等優點而被廣泛應用于醫療衛生、農林園藝、沙漠治理等領域[1-2]，而提高該類產品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協同互補效應提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調節pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應3 h，產物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區的黃土。稱取3份質量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結果與分析

2.1正交試驗結果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖。可見樹脂吸水后呈現出明顯的多層蜂窩狀結構，網孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優反應條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應溫度，3 h反應時間。該反應條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農林園藝及沙漠治理方面具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農學報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.

摘要：以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑、過硫酸鉀為引發劑，采用正交設計優化合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS）接枝改性淀粉基高吸水樹脂，通過紅外光譜和掃描電鏡對樹脂的結構及吸水后的表面形貌進行表征。性能測試結果表明：在正交試驗確定的較優工藝條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g；加壓3 500 Pa條件下的保水率為74.4%。綜合試驗結果可以看出，樹脂在土壤中的保水緩釋作用顯著，并且隨著樹脂用量的增加而增強。

關鍵詞：正交法；淀粉；AMPS；接枝；土壤保水

中圖分類號： TQ321.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0265-03

收稿日期：2013-12-27

基金項目：山東省高等學校科技計劃（編號：J13LD11）；煙臺大學青年基金（編號：HY11Z6）。

作者簡介：管仁貴（1974—），男，山東日照人，博士，講師，研究方向為納米及催化材料。E-mail：guanrengui@sina.com。淀粉基高吸水樹脂因生產成本低、可生物降解、對環境無污染且具有優越的吸水保水性能等優點而被廣泛應用于醫療衛生、農林園藝、沙漠治理等領域[1-2]，而提高該類產品的綜合吸液能力是目前的研究熱點[3]。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（以下簡稱AMPS）分子中含有吸水性和耐鹽性極強的離子型親水基團磺酸基[4-5]，丙烯酰胺（以下簡稱AM）單體上含有吸水性較強的非離子型基團酰胺基，本試驗采用AM和AMPS與淀粉接枝共聚的方法得到分子鏈上含有2種不同類型親水基團的吸水樹脂[6-7]，并利用基團間的協同互補效應提高樹脂的吸水保水能力。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑有：可溶性淀粉、AMPS、過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、AM。除AM為化學純（95%）外，其余均為分析純，所有試劑均直接使用。

主要儀器有：冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；HITACHI S-4800型高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2試驗方法

稱取1 g可溶性淀粉于100 mL三口燒瓶中，加入15 mL去離子水，通氮氣，80 ℃攪拌糊化；1 h后降溫至60 ℃，加入過硫酸鉀溶液；30 min后將適量AMPS（冰水浴中用NaOH溶液調節pH值至6～7）、AM、MBA溶液一起加入到三口燒瓶中，體系總用水量為30 mL；恒溫反應3 h，產物用無水乙醇洗滌浸泡，45 ℃真空干燥至恒重。

1.3性能測試

1.3.1吸液性能稱取0.05 g樹脂（記為m1）加入到盛有500 mL去離子水的燒杯中，吸水飽和后將樹脂傾倒在100目的篩上，過濾至無水滴下，稱重（記為m2）。吸水倍率的計算公式為：Q（g/g）=（m2-m1）/m1。以此類推，測試樹脂在自來水和生理鹽水中的吸液能力。

1.3.2保水性能將吸水飽和后的樹脂（記為m1）置于 500 mL 燒杯中，每隔一定時間測定樹脂的重量（記為m2），計算保水率W1：W1=（m2/m1）×100%。

樹脂在加壓下及在土壤中的保水性能測試方法參照文獻[8-9]，土壤選用山東省煙臺地區的黃土。稱取3份質量為100 g的土壤樣品，分別加入0.2、0.4、0.6 g樹脂拌勻，加水至飽和后稱重（記為m3），自然環境下放置，每隔一定時間稱量（記為m4），計算保水率W2。

2結果與分析

2.1正交試驗結果

作用下也能很好地保持這個特點，因而可以有效防止由于土壤表面水分蒸發而造成的土壤水分損失，從而延長土壤的保水時間，且隨樹脂用量增加，保水能力逐漸提高。

2.5掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

圖6是充分溶脹的水凝膠冷凍真空干燥后的SEM圖。可見樹脂吸水后呈現出明顯的多層蜂窩狀結構，網孔多且均勻，像一個個緊密排列的蓄水池，可以容納大量的水分子，因而具有較高的吸水保水能力。

3結論

采用接枝共聚法將AM和AMPS接枝到淀粉上制備了淀粉基高吸水樹脂。正交試驗確定的較優反應條件為：過硫酸鉀用量1.1%，MBA用量0.5%，AM ∶AMPS=4 ∶3，30 mL水，1 g淀粉，2 g單體，60 ℃反應溫度，3 h反應時間。該反應條件下，樹脂對去離子水、自來水、生理鹽水的吸液倍率分別為1 797.0、162.5、79.4 g/g。

樹脂在土壤中具有較好的保水緩釋性能，其保水能力隨樹脂用量的增加而提高，在農林園藝及沙漠治理方面具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]周明，蒲萬芬，胡佩，等. 淀粉接枝共聚高吸水性樹脂的研究進展[J]. 現代化工，2003，23（11）：18-21，23.

[2]Zhou M，Zhao J Z，Zhou L Z. Utilization of starch and montmorrilonite for the preparation of superabsorbent nanocomposite[J]. Journal of Applied Polymer，2011，121（4）：2406-2412.

[3]汪昌保，趙永富，葛才林，等. 輻照制備兩種淀粉基高吸水樹脂的性能研究[J]. 核農學報，2013，27（1）：42-46.

[4]徐繼紅，趙素梅，李忠，等. 微波輻射羧甲基纖維素接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸制備高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2012，41（4）：443-448.

[5]譚德新，王艷麗，段先淋，等. 紫外光固化法制備2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/順丁烯二酸酐三元共聚高吸水性樹脂[J]. 石油化工，2013，42（5）：551-556.

[6]Kiatkamjornwong S，Chomsaksakul W，Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide[J]. Radiation Physics and Chemistry，2000，59（4）：413-427.

[7]Bhuniya S P，Rahman M D S，Satyanand A J，et al. Novel route to synthesis of allyl starch and biodegradable hydrogel by copolymerizing allyl-modified starch with methacrylic acid and acrylamide[J]. Journal of Polymer Science Part A： Polymer Chemistry，2003，41（11）：1650-1658.

[8]馬松梅，柳明珠，曹麗歆，等. 丙烯酸鹽與丙烯酰胺共聚制備耐鹽性高吸水樹脂[J]. 功能高分子學報，2003，16（4）：502-506.

[9]何新建，謝建軍. PAAAM高吸水樹脂吸液及保水性能研究[J]. 精細石油化工進展，2013，14（3）：51-54.