淀粉接枝共聚物的快速制备及结构与性能研究

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淀粉由于其环境友好性、生物降解性和来源的多样性,是一种成本低廉、可持续发展的天然高分子材料,日益受到越来越多的研究关注。但是原淀粉自身的不足限制了它的应用。为了提高淀粉的性能,淀粉可通过定向改性引入所需的官能团,兼备天然高分子和合成高分子的特性,广泛作为高吸水树脂、水处理剂、胶黏剂及其他功能材料使用。本研究以玉米淀粉为原料,采用半干法一锅法快速制备三种不同的淀粉接枝共聚物:CSt-g-AMPS(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸接枝淀粉)、CSt-g-DMC(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵接枝淀粉)和CSt-g-AM-AMPS-DMC(丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵接枝淀粉),并对所制备的接枝产品进行应用性能(吸水性、絮凝性、吸附铜离子性能)研究。(1)以玉米淀粉(CSt)为原料,2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为单体采用“半干一锅法”工艺制备玉米淀粉接枝共聚物(CSt-g-AMPS)。用单因素实验考察单体质量分数、反应温度和时间工艺参数对接枝率(GR)和接枝效率(GE)的影响,得到较佳制备工艺参数为:质量分数15%,反应温度100℃,反应时间20 min。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、热失重-红外光谱联用仪(TGA-FTIR)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)等仪器设备对CSt以及CSt-g-AMPS分子结构、晶体结构、颗粒形貌与热性能进行表征。结果表明,CSt已成功接枝了AMPS,接枝物CSt-g-AMPS不再保留原淀粉的A型结晶结构,颗粒的微观形貌已被破坏,属无定形态的多孔树脂。对产品进行吸水性能测试表明,CSt-g-AMPS具有快速吸水能力(267.53 g?g-1)。(2)采用过硫酸铵(APS)—热双引发体系,以CSt为原料,DMC为单体,快速制备玉米淀粉接枝共聚物CSt-g-DMC。用单因素(单体质量分数、反应温度与时间)实验探究确定的较佳制备工艺参数:单体质量分数12%,反应温度110℃,反应时间30 min。利用FTIR、XRD、SEM和TGA-FTIR对产物结构进行表征。结构分析表明,单体DMC已成功地接枝上CSt分子链上,所得产物是无定形态的物质,颗粒形貌呈多孔树脂状;在N2氛围下的受热过程中,CSt-g-DMC分子链所包含的DMC基团在214℃下仍然稳定。将CSt-g-DMC进行应用性能(絮凝)测试,结果表明:CSt-g-DMC具有良好的絮凝性能",其絮凝能力的大小与投加量有关,对于模拟的待处理水体,即质量体积浓度为500 mg?L-1的高岭土悬浊液,当CSt-g-DMC投加量为4.0mg?L-1时,此时絮凝效果最好,透光率达到(96.6±0.4)%。(3)采用“半干一锅法”工艺制备CSt-g-AM-AMPS-DMC(CAAD)。利用FTIR、SEM、XRD以及TGA-FTIR等设备对CAAD结构进行表征,并研究其对Cu(II)的吸附性能。结构分析表明,CAAD已成功接枝了丙烯酰胺(AM)、AMPS与DMC基团,产品样貌属无定型晶态,是多孔状树脂;在N2氛围下,对CAAD加热出现阶梯式热解,所接入的3种单体的基团能稳定至218℃;吸附实验表明,CAAD在不同温度下对Cu(II)的等温吸附行为符合Freundlich方程,其动态吸附行为,即对Cu(II)吸附随时间的变化可用准二级动力学模型拟合,热力学分析CAAD对Cu(II)的吸附是自发的、放热的、熵增的过程。
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