改性木質(zhì)纖維土壤保水材料的制備及性能研究

作者簡介：，在讀碩士研究生；研究方向：生物基高分子吸水聚合物。

關(guān)鍵詞：木粉；聚谷氨酸；紫外光聚合；復(fù)合土壤保水材料中圖分類號：TS79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.11980/j.issn.0254-508X.2025.04.009

Study on Preparation and Performances of Modified Wood Fiber Soil Water Retention Materials

WANG XiaoyongNIU Junjie ZHANG Liying QIU YetongWANG Huowang LIU Zehua*

（NationalKeyLabofBbasedFiberMaterials，ianjinKeyLbofPulpandPape，hinaKeyabofPapermakingandBiomasefining

forLightIndustrKebgefoceFibet-doalsfextiledstrinUesity Technology，Tianjin，） （*E-mail： zehual@tust. edu. cn）

Abstract：Inthisstudy，woodpowderproducedduringoodprocesingasusedas thefersource.Afterpretreamentbyhemicalo chanicalpulpingandalkalinehydrogenperoxidebleaching，odifiedoodfber（CRF）wasbtainedbyEMPOoxidationandcoldmiling. Subsequently，tecompositesoilwaterrelentionmaterial（GA-CRFSWR）waspreparedbyulravioletpolymerizaionwithpolygutaicacid （PGA），acrylic acid （AA），and acrylamide（AM）. The results showed that adding CRF with the dosage of 6 % could significantly improve the mechanicalprotiofolatereetateialdompesiergsdfroatoao age of PGA increased from 3 % to 12 % ，the compressive strength further increased to O. O46 7 MPa.When the pH value was 7 and the water temperature was ，thewater absorptionrate and waterretentionrateofPGA-CRF/SWRreached thebest，and whenthedosages of CRFand PGA were both 6 % ，the best water absorption rate of PGA-CRF/SWR in deionized water and tap water were 688.5 and 298.7 g / g ，respectively，and the water retention rate were 6 5 5 . 7 and 2 7 7 . 9 g / g ，After5 cycles of water absorption and swelling，the water absorption rate could still reach 6 2 . 2 % of the initial value，the residual mass after soil burial for 6O days was 7 9 . 2 % ，which showed good thermal stability before 309.1℃. Key words：wood powder；polyglutamic acid;UV polymerization；composite soil water retention material

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源則是影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。由于工業(yè)的發(fā)展和化石燃料的廣泛使用，排放的二氧化碳等溫室氣體導(dǎo)致全球氣候持續(xù)變暖。在此背景下，農(nóng)業(yè)用水需求量逐年增加。2023年，我國農(nóng)業(yè)用水量達(dá)總用水量的 。為了提高干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的利用效率，已經(jīng)開發(fā)出了多種節(jié)水技術(shù)。其中，土壤保水材料（SWR）的研究與開發(fā)為解決該問題提供了新途徑[4-5]。SWR可以通過強(qiáng)親水性基團(tuán)吸收水分形成凝膠孔狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效吸附水分子，提高土壤水分保持能力和作物的抗旱能力6，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤中有益微生物活動和作物生長[9]

纖維素作為一種在自然界中廣泛分布且儲量豐富的生物質(zhì)資源，具有可再生、可生物降解和無毒等優(yōu)點(diǎn)[2]，在能源、材料科學(xué)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[13-14]。隨著化石能源的減少和環(huán)境要求的日趨嚴(yán)格，開發(fā)和利用纖維素作為農(nóng)業(yè)保水的原材料之一，被認(rèn)為是可以替代部分傳統(tǒng)化石能源的一個重要方向[15-6]。秦傳高等[1使用經(jīng)過處理的小麥秸稈與丙烯酸制備了一種高吸水性樹脂。結(jié)果表明，在優(yōu)化的合成條件下，該樹脂對去離子水、自來水和NaCI溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0 . 9 % ）的吸水倍率分別為322.7、167.2和 3 0 . 6 g / g 。木粉作為木材加工副產(chǎn)物，資源豐富且成本低廉，是制備纖維素的理想原料[18]。這不僅提升了木材加工副產(chǎn)品的附加值，還促進(jìn)了其高值化利用和可持續(xù)發(fā)展。李文軍等1對農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼進(jìn)行預(yù)處理后，與丙烯酸反應(yīng)制備了一種高吸水性樹脂。結(jié)果表明，在最佳合成條件下，該樹脂在去離子水中的吸水倍率為 。

聚谷氨酸（PGA）是一種由谷氨酸單元通過 γ 酰胺鍵連接而成的高分子聚合物，主要通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)，具有高黏性、水溶性、可生物降解性和生物相容性[2。在農(nóng)業(yè)中，PGA可以改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力，增強(qiáng)土壤團(tuán)粒穩(wěn)定性、透氣性和保水性，有效提高肥料利用率并減少環(huán)境污染，促進(jìn)植物根系的發(fā)育和作物增產(chǎn)2；尤其在低肥力土壤中，PGA展現(xiàn)出作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)土壤改良劑的潛力。因此，PGA在環(huán)境保護(hù)和有機(jī)農(nóng)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展中重要的資源之—[22]。

本研究以木質(zhì)廢棄物木粉作為纖維來源，采用化學(xué)熱磨機(jī)械制漿法，結(jié)合堿性過氧化氫漂白對木粉進(jìn)行預(yù)處理，并經(jīng)過TEMPO氧化及膠體磨處理得到改性木質(zhì)纖維（CRF）。然后與PGA、丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）通過紫外光聚合制備復(fù)合土壤保水材料（PGA-CRF/SWR）。使用傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、核磁共振氫譜儀和熱重分析儀對材料進(jìn)行分析表征；研究PGA用量對材料吸水倍率和保水倍率、潤脹循環(huán)性能、生物降解性、化學(xué)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料、試劑及儀器

木粉（楊木鋸末木粉，水分 5 . 4 % ，取自山東省臨沂某木材加工廠，木粉的粒徑分布及化學(xué)組分見表1和表2。聚谷氨酸（PGA，質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9 0 % ），購自慧智百川生物工程有限公司。2.2.6，6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO，質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9 8 % ）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA，質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9 8 % ），購自上海麥克林生化科技股份有限公司。丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM），均為分析純，購自市大茂化學(xué)試劑廠。偶氮二異丁腈（AIBN，質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10 % ），購自河南慧澤生物科技有限公司。光引發(fā)劑184（純度9 9 % ），購自市久日新材料股份有限公司。去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制（電導(dǎo)率 lt; 2 μ S / c m ）

ZDPH高濃磨漿機(jī)、ZSLX雙螺旋擠漿機(jī)，山東旭日東機(jī)械有限公司；A50DX膠體磨，廊坊市廊通機(jī)械有限公司；RSJDUV固化機(jī)，眾鈺光電科技有限公司；11-3萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，瑞典Lamp;W公司；JSM-IT300LV掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司；FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），港東科技發(fā)展股份有限公司；YTLG-10A真空冷凍干燥機(jī)，上海葉拓科技有限公司；AVⅡI400M核磁共振氫譜儀（ ），德國Bruker公司；TG209F3Tarsus熱重分析儀（TG-DTG），德國NETZSCH公司。

1. 2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木粉預(yù)處理

稱取一定量去除雜質(zhì)的絕干木粉，加入去離子水，調(diào)整液比為 1 ： 4 ，在 $9 0 ＼ { ^ ＼circ ＼mathrm { C } }$ 水浴鍋中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3 % 的 N a O H （相對于絕干木粉）并攪拌處理 2 h 。處理后的木粉通過高濃磨漿和雙螺旋擠漿脫水后按以下工藝漂白：取 5 0 g 絕干漿料，加人去離子水調(diào)節(jié)漿濃為10 % 。接著加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2 % 的 （相對于絕干漿料，以下同）、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3 % 的NaOH和質(zhì)量分?jǐn)?shù) 12 % 的 后，迅速混合均勻后密封，并在 $9 0 ＼ { ^ ＼circ } ＼mathrm { C }$ 下漂白2 h 。漂白后對漿料進(jìn)行酸化、洗滌和脫水。隨后進(jìn)行TEMPO氧化：取 1 g 漂白的絕干漿料分散于 3 0 0 m L 去離子水中，加入 的TEMPO試劑、 和 溶液持續(xù)攪拌，期間不斷加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5 0 % KOH溶液維持 值在 ，反應(yīng) 8 h 。氧化后的漿料使用膠體磨在 6 0 0 0 r / m i n 的轉(zhuǎn)速下研磨 ，得到改性木質(zhì)纖維（CRF），脫水冷藏備用。

1.2.2復(fù)合土壤保水材料的制備

稱取一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5 0 % KOH溶液中和AA（中和度 9 2 % ），加人與AA質(zhì)量比為 1 ： 3 的 A M 。將相對于單體總質(zhì)量 0 . 4 8 % 的光引發(fā)劑184、 0 . 4 8 % 的過硫酸銨（APS）、 0 . 4 8 % 的AIBN及 0 . 1 6 % 的MBA攪拌溶解于 1 0 m L 無水乙醇中，然后加入到AA混合液中攪拌均勻。接著加入CRF（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6 % ）和適量的PGA，攪拌混合均勻后，使用UV固化機(jī)進(jìn)行紫外光聚合，制得復(fù)合土壤保水凝膠材料。在去離子水中充分浸泡洗滌除去未反應(yīng)的單體后，于 下真空干燥 1 0 h 然后粉碎并通過孔徑 0 . 4 2 5～0 . 8 5 0 m m 的篩網(wǎng)，得到復(fù)合土壤保水材料（PGA-CRF/SWR）。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。按照相同的方法分別制備不添加CRF和PGA的土壤保水材料（SWR）和僅添加CRF的土壤保水材料（CRF/SWR），其中CRF質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6 % 。

1.3性能檢測與表征

1.3.1 FT-IR表征

稱取 的干燥樣品和 溴化鉀粉末放入研缽中充分研磨。將混合粉末置于磨具中使用壓片機(jī)在 1 0 M P a 下加壓 1 m i n 制成透明均勻的薄片樣品。采用FT-IR測量樣品的FT-IR譜圖，波數(shù)范圍為 4 0 0 ～ 。

1.3.2 NMR表征

將制備的樣品低溫干燥后，以 為溶劑，用核磁共振氫譜儀進(jìn)行 NMR測試。

1.3.3 SEM表征

將制備的樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，使用離子鍍金儀進(jìn)行真空噴金處理后，放置在固定的樣品室內(nèi)，在 1 0 . 0 k V 的工作電壓下，利用SEM觀察其形貌結(jié)構(gòu)。

1.3.4吸水倍率和保水倍率的測定

參考GB/T22875—2018《紙尿褲和衛(wèi)生巾用高吸收性樹脂》，稱取 干燥樣品裝入茶包中，分別浸泡于裝滿去離子水和自來水（ 值 = 7 . 7 ，以下同）中 3 0 m i n 。隨后將茶包靜止懸掛 1 0 m i n 進(jìn)行稱量，以空白茶包作為對照組。每個樣品測量2組，結(jié)果取平均值。吸水倍率 按照式（1）計算。

式中， 為裝有樣品的茶包吸水后的質(zhì)量，g; 為空白茶包吸水后的質(zhì)量， g ： M 為稱取樣品的絕干質(zhì)量，g。

將測定完吸收倍率的茶包在 2 5 0 g 離心力的作用下離心脫水 3 m i n 后，稱量茶包的質(zhì)量，并設(shè)置空白茶包作為對照。每個樣品測量2組，結(jié)果取平均值。保水倍率 按照式（2）計算。

式中， 為裝有樣品的茶包脫水后的質(zhì)量，g; 為空白茶包脫水后的質(zhì)量，g。

1.3.5 吸水潤脹循環(huán)的測定

首先測得樣品初始的吸收自來水倍率。將吸水后的茶包 恒溫干燥。重復(fù)此過程并記錄第2次吸水倍率。反復(fù)進(jìn)行5次吸水和干燥過程，記錄第5次吸水倍率，每個樣品測量2組，測量結(jié)果取平均值[25]。

1.3.6力學(xué)性能的測定

將干燥樣品（長度 寬度 高度 2 m m ））浸泡在自來水中至潤脹，用吸水紙吸去多余水分后置于萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的壓縮夾具中，以 的速度對樣品均勻施加壓力，直至樣品高度減少 8 0 % 。記錄壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線最高點(diǎn)，即為樣品的壓縮強(qiáng)度。每個樣品測量2組，結(jié)果取平均值2]。

1.3.7 生物降解性的測定

稱取干燥樣品裝人茶包埋入土壤 深處，期間保持土壤含水量為 2 0 % 。在15、30和60天時分別取出樣品，清除表面土壤并用去離子水徹底洗滌。干燥后稱量確定損失質(zhì)量，生物降解速率（ ， % ）根據(jù)式（3）計算[27]

式中， 為樣品的初始絕干質(zhì)量， g ； 為 i 天后樣品的質(zhì)量，g。

1.3.8 熱穩(wěn)定性測試

使用TG-DTG在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中進(jìn)行測試，氣體

流量設(shè)置為 5 0 m L / m i n ，測試溫度范圍為 升溫速率為 。

2 結(jié)果與討論

在本研究中，PGA-CRF/SWR是在CRF質(zhì)量分?jǐn)?shù)6 % 的基礎(chǔ)上，分別添加 3 % 、 6 % 、 9 % 和 12 % 的PGA，制備土壤保水材料，根據(jù)PGA用量分別命名為 3 % PGA-CRF/SWR、 6 % PGA-CRF/SW、 9 % PGA-CRF/SWR、 12 % PGA-CRF/SWR。

2.1 FT-IR分析

圖2為PGA、CRF、SWR和PGA-CRF/SWR的FT-IR譜圖。從圖2可以看出，CRF在 的吸收峰是由一0H的伸縮振動引起；在1386和 處的吸收峰為C一H鍵的伸縮振動2；在 處的吸收峰為TEMPO氧化后纖維素中羧基的伸縮振動[29]； 處的吸收峰與C—O—C的拉伸振動有關(guān)；上述均為CRF的特征吸收峰。對于PGA在 處的吸收峰為N一H鍵的伸縮振動；在1386和 處的吸收峰分別對應(yīng)C一H和 c=0 的伸縮振動[30。對于PGA-CRF/SWR，CRF和PGA的吸收峰均存在，在 處的特征吸收峰強(qiáng)度增加，并且出現(xiàn)向低波數(shù)輕微偏移的現(xiàn)象，這可能是由氨基與羥基的伸縮振動的重疊和氫鍵的形成導(dǎo)致3；PGA-CRF/SWR在 處的吸收峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并出現(xiàn)了新的肩峰，同時在 處的特征峰出現(xiàn)了偏移和增強(qiáng)現(xiàn)象，以及在 處出現(xiàn)了新的吸收峰，以上現(xiàn)象均說明，PGA和CRF接枝在AA和AM上。綜上所述，F(xiàn)T-IR譜圖說明了CRF和PGA在PGA-CRF/SWR中的存在，一OH和C—O鍵的特征峰的強(qiáng)度和偏移變化，以及新特征峰的出現(xiàn)證明了CRF和PGA的成功接枝。

2.2 （20 NMR分析

圖3為SWR、CRF/SWR和PGA-CRF/SWR的 NMR譜圖。 處出現(xiàn)的強(qiáng)信號峰為檢測使用的氘代試劑 。由圖3可以看出， δ=1 . 0 8 p p m 處的信號峰對應(yīng)聚合物主鏈上甲基 ）的質(zhì)子，位于 δ =1 . 5 1 和2 . 1 5 p p m 的2處信號峰分別代表聚合物主鏈中的亞甲基0 ）和次甲基（一CH）中的質(zhì)子[32]。 和3 . 6 9 p p m 處的信號峰主要來源于CRF和PGA上的質(zhì)子[33]。δ =6 . 0 1 和 5 . 1 0 p p m 處出現(xiàn)的信號峰是一NH上的質(zhì)子。從圖3還可以看出， δ =6 . 0 1 和 5 . 1 0 p p m 處出現(xiàn)的信號峰在SWR中未觀察到峰值，在添加了CRF和PGA后才逐漸顯現(xiàn)。這可能是因?yàn)镾WR分子結(jié)構(gòu)中的某些氫原子屬于活潑氫，在某些情況下會發(fā)生快速的質(zhì)子交換，導(dǎo)致在 譜圖中峰值變得不明顯。當(dāng)接枝反應(yīng)發(fā)生時會改變氫原子的化學(xué)環(huán)境，降低與溶劑的交換速率，使其在核磁氫譜中得以觀察。

2.3PGA用量對PGA-CRF/SWR吸水行為的影響

圖4為PGA用量對PGA-CRF/SWR吸水倍率和保水倍率的影響。PGA作為一種多功能生物高分子，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量羧基和氨基，這些官能團(tuán)能夠與水分子通過氫鍵相互作用，使PGA具有較強(qiáng)的親水性能。由圖4可知，隨著PGA用量增加，PGA-CRF/SWR的吸水倍率呈下降趨勢。這可能是由于PGA與AA和CRF的相互作用增加了PGA-CRF/SWR內(nèi)部的復(fù)雜化。這種復(fù)雜的相互作用可能會形成過多的氫鍵和交聯(lián)點(diǎn)，且交聯(lián)點(diǎn)的增加會導(dǎo)致PGA-CRF/SWR的黏度增加，形成過于緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步限制了水分子的滲透和擴(kuò)散，進(jìn)而影響PGA-CRF/SWR的吸水性能[34。PGA-CRF/SWR在去離子水中的吸水倍率和保水倍率遠(yuǎn)大于自來水35，這是由于自來水中溶解的離子（如鈣離子、鎂離子和鈉離子）與PGA-CRF/SWR中的負(fù)電荷和親水基團(tuán)發(fā)生相互作用，限制了水分子與材料之間的結(jié)合，從而降低了吸水能力。而去離子水中幾乎不含溶解離子，避免了離子屏蔽效應(yīng)，水分能夠更自由地滲透到PGA-CRF/SWR的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使PGA-CRF/SWR具有更高的吸水倍率。

2.4溫度對PGA-CRF/SWR吸水行為的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，土壤保水材料的吸水行為很容易受到環(huán)境因素的影響。因此，研究PGA-CRF/SWR在不同溫度條件下的吸水和保水性能具有重要意義。圖5為不同溫度下PGA-CRF/SWR的吸水行為分析。由圖5可知，在低溫條件下，由于水分子和PGA-CRF/SWR的熱運(yùn)動減緩，水分子滲透到材料內(nèi)部的速度降低，導(dǎo)致吸水倍率不高；當(dāng)溫度從 升高至 時，PGA-CRF/SWR的吸水倍率逐漸增加，這是由于溫度的升高增強(qiáng)了水分子的熱運(yùn)動，材料的親水基團(tuán)與水分子結(jié)合速率加快，增加了吸水能力， 時PGA-CRF/SWR在去離子水和自來水中的吸水倍率和保水倍率均達(dá)到最高。當(dāng)溫度繼續(xù)從 升高到 時，PGA-CRF/SWR的吸水倍率開始逐漸下降。這是由于隨著溫度的升高進(jìn)一步加劇了水分子熱運(yùn)動，導(dǎo)致水分子與材料之間的一些弱分子間作用力不穩(wěn)定3，進(jìn)而影響吸水能力。

2.5 值對PGA-CRF/SWR吸水行為的影響

土壤保水材料的吸水和保水性能不僅受溫度的影響，pH值的變化也會對其吸水性能產(chǎn)生一定的影響。圖6為不同pH值溶液下PGA-CRF/SWR的吸水行為分析。由圖6可知，當(dāng)pH值從3增加到7時，PGA-CRF/SWR的吸水倍率逐漸增大。這可能是由于在低pH值條件下，PGA-CRF/SWR中的親水基團(tuán)電離程度較低，羧基和羥基主要以非離子化狀態(tài)存在，難以與水分子形成氫鍵，使得PGA-CRF/SWR的親水性降低。隨著pH值的增加，親水基團(tuán)逐漸電離，增強(qiáng)了水分子與PGA-CRF/SWR的相互作用，顯著提升了PGA-CRF/SWR的親水性38。當(dāng)pH值進(jìn)一步升高時，PGA中的親水基團(tuán)進(jìn)一步電離形成更多的負(fù)電荷可能會增強(qiáng)分子間的靜電排斥作用，導(dǎo)致水分子的吸附受限。同時，隨著pH值的增加，親水基團(tuán)逐漸電離，PGA-CRF/SWR中的離子濃度增加導(dǎo)致材料內(nèi)部與外部水溶液之間的離子濃度差減小，滲透壓降低，減少了水分滲透，從而降低了吸水性能。

2.6PGA-CRF/SWR的吸水潤脹循環(huán)

PGA-CRF/SWR的吸水潤脹循環(huán)能夠評價材料在多次吸水潤脹循環(huán)過程中的穩(wěn)定性和耐久性，驗(yàn)證其在反復(fù)吸水后的保水能力是否持久有效，從而揭示其在實(shí)際使用中的行為表現(xiàn)。圖7為不同PGA用量下PGA-CRF/SWR在自來水中的吸水潤脹循環(huán)。由圖7可以看出，經(jīng)過5次重復(fù)吸水潤脹循環(huán)后，即使 12 % PGA-CRF/SWR也仍能達(dá)到第1次重復(fù)吸水倍率的 5 1 . 5 % ，表明在多次吸水潤脹循環(huán)后仍可以保持良好的吸水性，從而保證在長期使用過程中持續(xù)提高土壤水分利用效率，有助于植物生長。然而，CRF和PGA與SWR在分子結(jié)構(gòu)上的差異會導(dǎo)致吸水潤脹循環(huán)中交聯(lián)結(jié)構(gòu)的松弛或破壞，從而影響潤脹循環(huán)中的穩(wěn)定性4。此外，PGA的高黏性和水溶性在潤脹循環(huán)過程中也會對水分子的吸附產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)一步降低潤脹性能。

綜上所述，在 值 、水溫為 時，PGA-CRF/SWR的吸水倍率和保水倍率達(dá)到最佳。當(dāng)CRF和PGA用量均為 6 % 時，PGA-CRF/SWR可以保持一定的吸水倍率和良好的保水能力。PGA-CRF/SWR在去離子水和自來水中的最佳吸水倍率分別為688.5和6 5 5 . 7 g / g ，保水倍率為298.7和 2 7 7 . 9 g / g 。

2.7 PGA-CRF/SWR的力學(xué)性能

PGA-CRF/SWR的力學(xué)分析能夠揭示材料在吸水后的結(jié)構(gòu)變化及PGA用量對其壓縮強(qiáng)度的影響，確保PGA-CRF/SWR在實(shí)際應(yīng)用中能夠維持足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。圖8為SWR、CRF/SWR和不同PGA用量下PGA-CRF/SWR潤脹后的壓縮強(qiáng)度。由圖8可知，CRF的添加顯著提高了材料的壓縮強(qiáng)度，由 0 . 0 1 0 8 M P a 提高到 0 . 0 3 5 1 M P a ；并隨著PGA用量的增加，PGA-CRF/SWR的壓縮強(qiáng)度逐漸增加， 12 % PGA-CRF/SWR壓縮強(qiáng)度為 0 . 0 4 6 7 M P a 。這是由于CRF和PGA的高分子鏈和羧基官能團(tuán)提高了交聯(lián)密度并增強(qiáng)了材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性41]。作為天然高強(qiáng)度纖維材料，CRF具有顯著的機(jī)械支撐和增強(qiáng)效果42]，相比于CRF/SWR，PGA通過分子間相互作用和孔隙填充進(jìn)一步增強(qiáng)，但增強(qiáng)程度不如CRF的支撐作用顯著。同時PGA與CRF之間存在的相互作用也可能導(dǎo)致PGA-CRF/SWR內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而影響其整體力學(xué)性能。

2.8 PGA-CRF/SWR的可生物降解性

土壤保水材料的可生物降解性對于環(huán)境友好和土壤健康具有重要意義。與傳統(tǒng)保水材料相比，可生物降解性好的材料能夠在自然環(huán)境中被微生物分解，減少環(huán)境污染，避免了對土壤的負(fù)面影響。圖9為SWR、CRF/SWR和PGA-CRF/SWR在15、30和60天的可生物降解性。由圖9可知，隨著PGA用量的增加，PGA-CRF/SWR在各時間段的降解速率均有所提升[27]。在60天時， 3 % PGA-CRF/SWR剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 1 . 5 % ， 6 % PGA-CRF/SWR剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7 9 . 2 % ，而 12 % PGA-CRF/SWR剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6 7 . 3 % 。這主要是因?yàn)镃RF和PGA均屬于天然聚合物，具有良好的生物降解性能，易于被土壤中的微生物分解。此外，PGA在土壤中可以增強(qiáng)微生物活性[22]，這進(jìn)一步加快了PGA-CRF/SWR的生物降解。這些因素共同作用，使得PGA-CRF/SWR在土壤環(huán)境中表現(xiàn)出較好的降解優(yōu)勢。

2.9 微觀形貌分析

由于PGA的成膜特性及其與AA和AM之間的相互作用可能會改變PGA-CRF/SWR的形貌和交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步影響其吸水倍率和保水能力。因此需要通過SEM觀察分析PGA用量對PGA-CRF/SWR微觀形貌的影響。圖10為不同PGA用量下PGA-CRF/SWR的SEM圖。圖10（a-1）＼～圖10（a-4）和圖10（b-1）＼～圖10（b-4）分別為PGA-CRF/SWR在40和2000倍放大倍數(shù)下的微觀形貌。由圖10（a-1）＼～圖10（a-4）和圖10（b-1）＼～圖10（b-4）可以看出，隨著PGA用量增加，PGA-CRF/SWR的孔徑逐漸減小。這是由于PGA的成膜特性使其與AA和AM之間緊密結(jié)合導(dǎo)致的。PGA的高分子鏈有效填充了內(nèi)部孔隙[33]，并通過物理交聯(lián)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得孔徑減小[43]

圖10（c-1）＼～圖10（c-4）分別是PGA-CRF/SWR潤脹后冷凍干燥放大400倍的SEM圖。由圖10（c-1）＼～圖10（c-4可以看出，隨著PGA用量的增加，PGA-CRF/SWR表面呈現(xiàn)出更加平滑的形貌。這是由于PGA的成膜特性使其在吸水潤脹后仍然能均勻分布在表面并形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得表面變得平整。然而隨著PGA用量增加，PGA-CRF/SWR吸水倍率卻逐漸降低，這是因?yàn)楸M管PGA自身具有一定的吸水能力，但其吸水倍率通常低于合成聚合物。同時，分子鏈之間的緊密結(jié)合和孔徑的減小也進(jìn)一步限制了水分子能夠進(jìn)人和擴(kuò)散的空間，從而降低PGA-CRF/SWR的吸水性。

2.10 PGA-CRF/SWR的熱穩(wěn)定性分析

盡管PGA-CRF/SWR在實(shí)際應(yīng)用中通常不會暴露于高溫環(huán)境，但是熱穩(wěn)定性分析在其性能評估和長期可靠性研究中具有重要作用。圖11為SWR、CRF/SWR和PGA-CRF/SWR的熱穩(wěn)定性分析。由圖11可知，土壤保水材料的熱分解主要經(jīng)歷3個質(zhì)量損失階段，在第1個質(zhì)量損失階段中，SWR、CRF/SWR和不同PGA用量的PGA-CRF/SWR分別在40＼～270、 4 0 ～ 285和 損失自身質(zhì)量的 1 1 . 3 % 、 1 4 . 5 % 、1 5 . 2 % 、 1 4 . 8 % 、 1 6 . 2 % 和 1 6 . 6 % ，這一階段主要是土壤保水材料中含有的吸附水隨著溫度升高而逐漸蒸發(fā)注1為3%PGA-CRF/SWR；2為6%PGA-CRF/SWR；3為9%PGA-CRF/SWR；4為12%PGA-CRF/SWR。

在第2個質(zhì)量損失階段中，SWR、CRF/SWR和不同PGA用量的PGA-CRF/SWR分別在270＼～520、285＼～530和310＼～510 損失自身質(zhì)量的 4 5 . 4 % 、4 3 . 6 % 、 4 2 . 8 % 、 3 5 . 1 % 、 3 4 . 6 % 和 3 4 . 1 % ，這表明PGA-CRF/SWR在此階段發(fā)生主要的熱分解反應(yīng)34。由圖11還可以看出，SWR和CRF/SWR的起始受熱分解溫度低于PGA-CRF/SWR，但其在該階段的質(zhì)量損失較大，這表明添加的CRF和PGA提高了土壤保水材料的熱穩(wěn)定性。此外，SWR和PGA-CRF/SWR基本都存在3個吸熱峰，而PGA-CRF/SWR的吸熱峰較為顯著，這表明CRF和PGA的存在改變了材料的分子結(jié)構(gòu)和排列，提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致吸熱峰的增強(qiáng)。進(jìn)一步說明了CRF和PGA可以提高其熱穩(wěn)定性。在第3個質(zhì)量損失階段中，SWR、CRF/SWR和PGA-CRF/SWR分別在520、530和 左右開始緩慢分解。這一階段總體質(zhì)量變化較小，質(zhì)量損失曲線趨于平緩，表明主要熱分解已經(jīng)完成，材料進(jìn)入碳化過程。以上表明 6 % PGA-CRF/SWR在溫度低于 時，表現(xiàn)出良好熱穩(wěn)定性。

綜上所述，當(dāng)CRF和PGA的用量均為 6 % 時，PGA-CRF/SWR在兼顧良好的吸水潤脹循環(huán)穩(wěn)定性、吸水倍率和保水倍率的基礎(chǔ)上，其力學(xué)性能、生物降解性及熱穩(wěn)定性均得到不同程度的增強(qiáng)。

3結(jié)論

本研究利用木材加工過程中產(chǎn)生的木粉為纖維來源，經(jīng)過一系列處理制得改性木質(zhì)纖維（CRF），通過紫外光聚合與聚谷氨酸（PGA）、丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）制備了復(fù)合土壤保水材料（PGA-CRF/SWR），其具有原材料環(huán)保、優(yōu)異的生物可降解性和良好的保水性等優(yōu)勢。3.1在水溫為 、 Δ p H 值為7時，PGA-CRF/SWR的吸水倍率和保水倍率達(dá)到最佳。當(dāng)CRF和PGA用量均為 6 % 時，PGA-CRF/SWR在去離子水和自來水中的最佳吸水倍率分別為688.5和 ，保水倍率為655.7和 。3.2PGA-CRF/SWR的表征結(jié)果顯示，丙烯酸-丙烯酰胺與CRF和PGA發(fā)生了接枝反應(yīng)，并有著良好的力學(xué)性能、吸水潤脹循環(huán)性能、可生物降解性和熱穩(wěn)定性。添加 6 % C R F 的土壤保水材料壓縮強(qiáng)度由0 . 0 1 0 8 M P a 提高到 0 . 0 3 5 1 M P a ，并隨著PGA用量由3 % 增至 12 % 時，壓縮強(qiáng)度進(jìn)一步提高到 0 . 0 4 6 7 M P a 。當(dāng)CRF和PGA用量均為 6 % 時，經(jīng)過5次吸水潤脹循環(huán)后吸水倍率仍能達(dá)到初始的 6 2 . 2 % ；土壤掩埋60天后剩余質(zhì)量為 7 9 . 2 % ；在低于309.1℃時表現(xiàn)出了良好的熱穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯：呂子露）