蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂降解性能分析

黃琳娟 李營營 黃海波 劉桂云 陸登俊

摘要：【目的】考察蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂的降解性能，為復合高吸水樹脂的開發與應用提供參考依據。【方法】以蔗渣和羥丙基淀粉為原料制備復合高吸水樹脂，分別將其掩埋于土壤中、放置于土壤表面、浸漬于1 mol/L HCl、0.9% NaCl和1 mol/L NaOH溶液中，采用失重法研究該復合高吸水樹脂的降解率與處理時間的變化關系，并進行SEM檢測。【結果】蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂在化學溶液中的降解率大于土壤掩埋法和土壤表面放置法初期的降解率。溶液浸漬法中，復合高吸水樹脂在1 mol/L NaOH溶液中的降解率最大，降解7 d后，樹脂外表層破碎；其次是0.9% NaCl溶液，降解率最低為1 mol/L HCl溶液。復合高吸水樹脂在土壤中和土壤表面的降解過程均呈先緩后快的變化趨勢，降解至63 d，經土壤掩埋的樹脂表面破碎、凹凸不平、有顆粒，且降解率（47.52%）明顯大于在土壤表面的降解率（13.16%）。【結論】復合高吸水樹脂經不同方法處理的降解程度不同，綜合考慮降解速率、處理成本和環保等因素，以土壤掩埋法較適用。

關鍵詞： 復合高吸水樹脂；蔗渣；羥丙基淀粉；降解性能

中圖分類號： TQ321 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）02-0285-05

0 引言

【研究意義】高吸水樹脂是一種典型的功能高分子材料，含有許多強親水性基團，具有一定的交聯度，可吸收自身重量數十倍甚至數千倍的水或水溶液（Abd Allaa et al.，2012）。高吸水樹脂吸水速率快、保水能力強，可促進植物生長、增強光合作用，有利于植物增產（許樹寧等，2012）。因高吸水樹脂的特殊性能，現已廣泛應用于農林、醫藥、生理衛生、石油、化學化工、環保、食品等領域（Zhang et al.，2006），尤其是一次性衛生用品的應用，但大量使用丟棄后對環境造成嚴重威脅。傳統的高吸水樹脂均為含有C-C主鏈的高聚物，難以被土壤中的微生物分解（Yoshimura et al.，2006a）。因此，開發可自然降解的高吸水樹脂取代傳統的丙烯酸鹽高吸水樹脂，對環境保護與可持續發展具有重要的現實意義。【前人研究進展】張小紅等（2005）以過硫酸鉀作引發劑，通過水溶液聚合法制得的聚丙烯酸/海藻酸鈉高吸水性樹脂能被土壤和特定微生物降解，在土壤中60 d的降解率為17.36%。Wang等（2008）采用土壤掩埋法，研究丙烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨接枝共聚改性羧甲基纖維素合成的高吸水樹脂，100 d后樣品降解率為43.6%。趙妍嫣和姜紹通（2009）研究淀粉接枝丙烯酸高吸水樹脂的生物降解性能，結果表明，黑曲霉、米曲霉對樹脂的降解率大于樹脂的未接枝率，淀粉接枝丙烯酸高吸水樹脂具有較好的生物降解性能。賀倩（2011）研究淀粉UV固化高吸水材料在蒸餾水、0.9% NaCl溶液和1 mol/L NaOH溶液中的降解性能，發現材料在水中的降解（水解）效率最高，而在0.9% NaCl溶液中最低。【本研究切入點】蔗渣和淀粉均為可再生資源，價格低廉、易降解，羥丙基淀粉還具有較高的吸水和保水性能，但至今未見以兩者作為原料制備復合高吸水樹脂的相關研究報道。【擬解決的關鍵問題】采用土壤掩埋法、土壤表面放置法和溶液浸漬法對蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂進行降解研究，為復合高吸水樹脂的開發與應用提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

蔗渣采樣于廣西某糖廠；羥丙基淀粉購于廣西明陽生化科技股份有限公司。丙烯酸、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、氫氧化鈉、無水乙醇等試劑均為分析純。主要儀器設備：恒溫水浴振蕩搖床（SHY-100A，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司）、掃描電子顯微鏡（S-3400N，日本日立集團公司）、數控超聲波清洗儀（KQ-500DE，昆山市超聲儀器有限公司）。

1. 2 復合高吸水樹脂的制備

1. 2. 1 蔗渣預處理 參考李春光等（2011）的方法進行預處理。

1. 2. 2 蔗渣與羥丙基淀粉活化 稱取一定質量比的蔗渣和羥丙基淀粉置于三口瓶中，加入適量蒸餾水，于60～65 ℃下以一定超聲波功率超聲處理30 min，得到活化后的蔗渣纖維素和羥丙基淀粉懸浮液。

1. 2. 3 接枝共聚反應 將活化后的蔗渣和羥丙基淀粉懸浮液冷卻，依次加入丙烯酸（預先用NaOH中和）、過硫酸銨和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，在60～70 ℃水浴鍋中攪拌反應2～3 h，得到接枝共聚產物，再用蒸餾水、乙醇將其洗滌后烘干，最后剪切成2.0 cm×0.5 cm×0.2 cm（約1 g）片狀備用。

1. 3 復合高吸水樹脂的降解率測定

1. 3. 1 土壤掩埋法降解率的測定 在燒杯中裝入足量風干并經40目濾網篩分的土壤，將片狀復合高吸水樹脂垂直埋入土壤中，放置于室內，定期調節水分，保持土壤濕潤，每7 d取出1個樣品，依次用無水乙醇和蒸餾水清洗，濾紙吸干表面水分后烘干至恒重，稱重（張東平等，2002），計算降解率，并用掃描電鏡觀察片狀復合高吸水樹脂表面形貌的變化。計算公式如下：

D=（m1-m2）/m1×100

式中，D為降解率（%），m1為樣品降解前的干重（g），m2為樣品降解一段時間后的干重（g）。

1. 3. 2 土壤表面放置法降解率的測定 將片狀復合高吸水樹脂置于裝有適量土壤的燒杯土壤表面上，放置于室內（30 ℃左右），定期調節水分，保持土壤濕潤，每7 d取出1個樣品，經無水乙醇和蒸餾水清洗后，用濾紙吸干表面水分，烘干至恒重，稱重，按上述公式計算降解率，并用掃描電鏡觀察片狀復合高吸水樹脂表面形貌的變化。

1. 3. 3 溶液浸漬法降解率的測定 將片狀復合高吸水樹脂分別置于100 mL 1 mol/L HCl溶液、0.9% NaCl溶液和1 mol/L NaOH溶液中，常溫條件下于恒溫搖床上進行降解試驗。降解后的樣品用蒸餾水清洗表面后干燥至恒重，按上述公式計算降解率，并用掃描電鏡觀察片狀復合高吸水樹脂表面形貌的變化。

1. 4 SEM檢測

取干燥后的樣品粘貼在導電膠上，壓平，輕輕刮掉未粘緊的樣品，噴金，用掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與分析

2. 1 土壤掩埋法降解結果

由圖1可以看出，復合高吸水樹脂掩埋在土壤里，其降解速率隨處理時間的延長而增大，21 d后降解速率明顯加快。這是因為復合高吸水樹脂經土壤掩埋、吸水后，體積膨脹，結構變得疏松，物理結構和化學性質發生了變化，有利于微生物的利用；初始階段土壤中可降解復合高吸水樹脂的微生物數量較少，一段時間后才能繁殖出大量的微生物，快速降解樹脂，故復合高吸水樹脂在土壤中降解過程呈先緩后快的變化趨勢。經63 d掩埋，復合高吸水樹脂的降解率達47.52%，說明復合高吸水性樹脂中，不僅蔗渣和羥丙基淀粉已降解，接枝的聚丙烯酸鈉也已部分降解。

2. 2 土壤表面放置法降解結果

從圖2可以看出，復合高吸水樹脂置于土壤表面時，前28 d的樹脂降解率增加較緩慢，之后的降解速率明顯加快。其原因可能是復合高吸水樹脂置于土壤表面，僅有土壤表面的細菌對其進行降解，故初期降解率較低，降解率的轉折點（28 d）出現在土壤掩埋法轉折點（21 d）之后；隨著處理時間的延長，復合高吸水樹脂吸收土壤和空氣中水分，體積膨脹，結構逐漸變得疏松，有利于土壤表面的細菌利用，降解率明顯增大。與土壤掩埋法相比，土壤表面法的降解率較小，在放置63 d后，降解率僅為13.16%。

2. 3 溶液浸漬法降解結果

由圖3可知，復合高吸水樹脂在不同溶液中的降解率均隨處理時間的延長逐漸增大，其中以在1 mol/L NaOH溶液中的降解率最大，第7 d的降解率為45.73%，而在0.9% NaCl溶液中為32.46%，在1 mol/L HCl溶液中僅為18.23%。其原因可能是隨著浸漬時間的延長，復合高吸水樹脂在溶液中達吸液飽和狀態，交聯網絡得到充分舒展，發生水解反應，網絡結構逐漸被破壞，從而發生降解反應。同時，由于堿性環境會加速水解，故復合高吸水樹脂在1 mol/L NaOH溶液中的降解率最大。

2. 4 SEM圖分析

由圖4-a可知，降解前的復合高吸水樹脂表面光滑、細膩；經土壤掩埋63 d后，復合高吸水樹脂表面破碎、凹凸不平且有顆粒（圖4-b）；而在土壤表面放置降解63 d后，復合高吸水樹脂表面較粗糙（圖4-c）。這說明復合高吸水樹脂在土壤中的降解程度比置于土壤表面的降解程度更深、降解速度更快，與2.1和2.2的降解率研究結果一致。

復合高吸水樹脂在不同溶液中降解7 d后，其表面變化差異明顯。在1 mol/L HCl溶液中，降解后的復合高吸水樹脂表面非常緊密，且較粗糙（圖4-d）；在0.9% NaCl溶液中，復合高吸水樹脂吸液后發生水解反應，其表面有孔洞、凹凸不平（圖4-e）；在1 mol/L NaOH溶液中，降解后的復合高吸水樹脂外表層破碎，露出的內部結構類似于松散泡沫（圖4-f）。說明復合高吸水樹脂在1 mol/L NaOH溶液中降解速率最大，其次是在0.9% NaCl溶液中，而在1 mol/L HCl溶液中的降解速率相對較小，與2.3的研究結果一致。

3 討論

降解一般是聚合物在化學、生化、光、熱、電等外力作用下被分解為二氧化碳、甲烷、生物質和水等簡單物質的過程。吸水樹脂的生物降解即吸水樹脂被細菌、霉菌等微生物利用，分解成可被消化吸收物質的過程。吸水樹脂的生物降解性能受其化學結構和周圍環境條件的影響；含有天然高分子結構的高吸水樹脂，其天然高分子可生物降解（崔亦華等，2007）。Yoshimura等（2006b）通過生物需氧量監測研究琥珀酸酐改性淀粉吸水樹脂的生物降解特性，發現琥珀酸酐的引入量增大會降低吸水凝膠的生物降解性。趙偉等（2007）研究發現，木薯淀粉與丙烯酸的質量比為1∶3時，制得的木薯淀粉/丙烯酸鹽吸水樹脂的降解效果較好，半個月內降解了49%。

本研究采用土壤掩埋法和土壤表面放置法對蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂進行生物降解，采用溶液浸漬法進行化學降解，對比發現，土壤掩埋法和土壤表面放置法處理的樹脂在降解初期的降解率小于溶液浸漬法的降解率；在7 d內，復合高吸水樹脂在土壤中和土壤表面的降解率分別為3.86%和1.27%，而在NaOH、NaCl和HCl溶液中的降解率分別為45.73%、32.46%和18.23%；降解63 d后，復合高吸水樹脂在土壤中和土壤表面的降解率分別為47.52%和13.16%，僅達到溶液浸漬法降解7 d的程度。本研究結果符合微生物反應慢于化學反應的一般規律，但從實際的環境條件及綠色環保的角度出發，土壤掩埋法更為可取。

纖維素系高吸水樹脂與淀粉系高吸水樹脂相比，前者具有吸水后凝膠強度大、可避免微生物侵蝕分解、使用壽命較長等優點，但其吸水率普遍較低；后者吸水倍率高，在自然界中可生物降解，對環境友好，但凝膠強度低，耐鹽堿性差；而淀粉與纖維素混合制備的復合高吸水樹脂可兼具兩者的優點。本研究以羥丙基淀粉和蔗渣纖維素混合制備復合高吸水樹脂，從生物降解和化學降解兩方面對其降解性能進行對比研究，發現其在不同處理方法中均可降解，但降解程度有所不同。聚合物的降解性會影響其力學性能，下一步將對復合高吸水樹脂在不同方法中降解至一定程度時的力學性質和化學組分變化進行深入研究，為復合高吸水樹脂的開發利用提供更科學的理論依據。

4 結論

復合高吸水樹脂經不同方法處理的降解程度不同，綜合考慮降解速率、處理成本和環保等因素，以土壤掩埋法較適用。

參考文獻：

崔亦華，郭建維，崔英德，董奮強，秦建忠. 2007. 可生物降解吸水劑分類及降解性能進展[J]. 化工新型材料，35（7）：1-4.

Cui Y H，Guo J W，Cui Y D，Dong F Q，Qin J Z. 2007. Progress of biodegradable superabsorbent resin and its biodegrad ability[J]. New Chemical Materials，35（7）：1-4.

賀倩. 2011. 淀粉基UV固化速降解型高吸水材料的制備及性能[D]. 長沙：湖南大學.

He Q. 2011. Preparation and properties of starch-based UV-

curable and rapid degradation superabsorbent material[D]. Changsha：Hunan University.

李春光，周偉鐸，田魏，商執峰，李攀登，何雪梅. 2011. 甘蔗渣纖維素提取及木質素與半纖維素脫除工藝探討[J]. 中國農學通報，27（4）：316-320.

Li C G，Zhou W D，Tian W，Shang Z F，Li P D，He X M. 2011. Study on extraction of cellulose and removal of hemicelluloses and lignin from bagasse[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，27（4）：316-320.

許樹寧，農定產，周琳慶，何寒，游建華，桂意云，黃家雍. 2012. 甘蔗施用保水劑后效研究初報[J]. 南方農業學報，43（5）：637-640.

Xu S N，Nong D C，Zhou L Q，He H，You J H，Gui Y Y，Huang J Y. 2012. Residue effect of water holding agents on sugarcane[J]. Journal of Southern Agriculture，43（5）：637-640.

張東平，吳岳英，夏春娟. 2002. 淀粉—丙烯酸接枝共聚物的生物降解研究[J]. 上海大學學報（自然科學版）， 8（3）：261-264.

Zhang D P，Wu Y Y，Xia C J. 2002. Study on biodegradability of graft copolymer of acrylic acid and maize starch[J]. Journal of Shanghai University（Natural Science），8（3）：261-264.

張小紅，崔英德，潘湛昌. 2005. 聚丙烯酸/海藻酸鈉高吸水性樹脂的制備及生物降解性能[J]. 化工學報，56（6）：1134-1137.

Zhang X H，Cui Y D，Pan Z C. 2005. Preparation and biodegradability of acrylic acid/sodium polymannuronate super-ab-

sorbent[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering（China），56（6）：1134-1137.

趙偉，崔亦華，郭建維. 2007. 可生物降解吸水樹脂的制備及其性能研究[J]. 化工新型材料，35（7）：71-72.

Zhao W，Cui Y H，Guo J W. 2007. Research on synthesis and properties of biodegradable superabsorbent polymer[J]. New Chemical Materials，35（7）：71-72.

趙妍嫣，姜紹通. 2009. 淀粉接枝丙烯酸高吸水樹脂的生物降解性能研究[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版），32（6）：841-844.

Zhao Y Y，Jiang S T. 2009. Study on biodegradation of starch graft sodium acrylate superabsorbent[J]. Journal of Hefei University of Technology（Natural Science），32（6）：841-844.

Abd Allaa S G，Sen M，EI-Naggar A W M. 2012. Swelling and mechanical properties of superabsorbent hydrogels based on Tara gum/acrylic acid synthesized by gamma radiation[J]. Carbohydrate Polymers，89（2）：478-485.

Wang D，Song Z Q，Shang S B. 2008. Characterization and biodegradability of amphoteric superabsorbent polymers[J]. Journal of Applied Polymer Science，107（6）：4116-4120.

Yoshimura T，Matsuo K，Fujioka R. 2006a. Novel biodegradable superabsorbent hydrogels derived from cotton cellulose and succinic anhydride：synthesis and characterization[J]. Journal of Applied Polymer Science，99（6）：3251-3256.

Yoshimura T，Yoshimura R，Seki C，Fujioka R. 2006b. Synthesis and characterization of biodegradable hydrogels based on starch and succinic anhydride[J]. Carbohydrate Polymers，64（2）：345-349.

Zhang J P，Li A，Wang A Q. 2006. Study on superabsorbent composite. VI. Preparation，characterization and swelling behaviors of starch phosphate-graft-acrylamide/attapulgite superabsorbent composite[J]. Carbohydrate Polymers，65（2）：150-158.

（責任編輯 羅 麗）