一种高吸水复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高吸水复合材料及其制备方法 (High-water-absorption composite material and preparation method thereof ) 是由 马国富 桑武堂 王向兵 李小侠 彭辉 雷自强 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高吸水复合材料,该高吸水复合材料主要由以下原料聚合反应得到：丙烯酸100重量份,聚天冬氨酸10～50重量份,2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸10～50重量份,废旧纤维0～10重量份,引发剂1.5～2重量份,交联剂0.05～0.25重量份。与现有技术相比,本发明的高吸水复合材料制备过程简单、成本低廉、具有优异的吸水、保水和反复溶胀性能,既能充分回收再利用了生活废弃纤维资源,又扩大了聚天冬氨酸的利用范围,在减少污染、节约资源以及能源等方面具有很大的环境效益和经济效益。(The invention discloses a high water absorption composite material which is mainly obtained by polymerization reaction of the following raw materials: 100 parts of acrylic acid, 10-50 parts of polyaspartic acid, 10-50 parts of 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, 0-10 parts of waste fiber, 1.5-2 parts of initiator and 0.05-0.25 part of cross-linking agent. Compared with the prior art, the high water absorption composite material has the advantages of simple preparation process, low cost, excellent water absorption, water retention and repeated swelling performance, can fully recycle domestic waste fiber resources, expands the utilization range of polyaspartic acid, and has great environmental benefit and economic benefit in the aspects of reducing pollution, saving resources, saving energy and the like.)
技术领域
本发明涉及一种高吸水复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，高吸水复合材料作为一种高效的水处理材料受到了研究者的青睐。它是目前发展较快的一种化学节水、高科技抗旱产品，具有快速吸收和缓慢释放水分的特性，减少栽培基质表面积水和基质水分蒸发量，将其应用在农业中，可将植物不能持续利用的重力水储存起来，有效增加基质持水量，以提高水分利用率。
由于现代城市化进程的不断发展，城市环境废弃物正以指数速度产生，而纸制品是最大的固体废弃物之一。与天然纤维相比，废纸纤维是一种数量巨大的可回用资源，实现其充分利用，能够节约植物纤维原料，同时减少固体废弃物的排放，并降低生产成本。据统计，制浆造纸及纸制品全行业2020年完成纸浆、纸及纸板和纸制品合计25498万吨，同比增长1.22%；2020年国内废纸回收总量5439万吨，较上年增长4.75%，2011-2020年废纸回收总量年均增长率2.63%，但废纸利用率却在逐年下降。这主要局限于废纸纤维的研究着重于再造纸的使用性能及理化性质的固定思维，而从形态及结构特性入手来找到废纸纤维后续回收及使用性能的研究相对较少。所以提高废纸纤维的资源化利用率，尤其是高值化利用率将是今后研究热点之一。
聚天冬氨酸（Polyaspartic acid，简称PASP）是一种带有羧酸侧链，由多种α-氨基酸以肽键（CO－NH）结合而成类蛋白质结构的聚氨基酸。在环境中的微生物作用下，从活性点位处断裂分解成小片段，最终分解生成CO2和H2O，是一种生物可降解的水溶性多肽。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种成本低廉、性能优异的高吸水复合材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高吸水复合材料，其特点在于，所述高吸水复合材料主要由以下重量份数的原料聚合反应得到：
丙烯酸 100重量份，
聚天冬氨酸 10~50重量份，
2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸10~50重量份，
废旧纤维 0~10重量份，
引发剂1.5~2重量份，
交联剂0.05~0.25重量份。
优选地，所述废旧纤维为废纸纤维。
优选地，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
优选地，所述引发剂为过硫酸钾。
优选地，各原料的重量份数如下：
丙烯酸 100重量份，
聚天冬氨酸 15~25重量份，
2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸10~15重量份，
废旧纤维2~10重量份，
引发剂1.5~2重量份，
交联剂0.05~0.25重量份。
更优选地，各原料的重量份数如下：
丙烯酸 100重量份，
聚天冬氨酸20~25重量份，
2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸12~13重量份，
废旧纤维2~10重量份，
引发剂1.5~2重量份，
交联剂0.2~0.25重量份。
上述高吸水复合材料的制备方法，包括以下步骤：
先将聚天冬氨酸、废旧纤维和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸混合加热，形成均匀的混合液；
再向混合液中加入引发剂；
接着向混合液中加入预先中和至一定中和度的丙烯酸和交联剂，加毕，保温反应，得到所述的高吸水复合材料。
优选地，加完引发剂后，搅拌0.1~2小时，以生成一定量的自由基。
优选地，反应温度为60~80℃。
优选地，丙烯酸预先中和至中和度为50~80%。
优选地，丙烯酸预先中和至中和度为60~70%。
优选地，反应在氮气保护下进行。
有益效果
与现有技术相比，本发明的高吸水复合材料制备过程简单、成本低廉、具有优异的吸水、保水和反复溶胀性能，既能充分回收再利用了生活废弃纤维资源，又扩大了聚天冬氨酸的利用范围，在减少污染、节约资源以及能源等方面具有很大的环境效益和经济效益。为高吸水复合材料的制备和研究提供了新思路，是实现可持续发展战略和环境友好的一个重要过程。
附图说明
图1是本发明高吸水复合材料的FT-IR红外光谱图。
图2为本发明高吸水复合材料的扫描电镜图。
图3为本发明制备的高吸水复合材料在蒸馏水中的保水性能图。
图4为本发明制备的高吸水复合材料在蒸馏水中的反复溶胀性能图。
图5本发明制备的高吸水复合材料与市售吸水材料吸水量的对比图。
图6为掺入不同PASP含量的高吸水复合材料的吸水(盐)性能。
具体实施方式
以下结合说明书附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的废旧纤维采用废纸纤维。
实施例1
高吸水复合材料的具体制备过程如下：
向5.4 g丙烯酸(AA)中滴加2.1 g 氢氧化钠（溶于6 ml 蒸馏水中），至丙烯酸的中和度为70%，备用。
在70 ℃水浴条件下，将1.08 g聚天冬氨酸(PASP)、0.108 g废纸和0.675 g 2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)，加入到带有机械搅拌装置、恒压滴液漏斗和氮气导管的四颈烧瓶中，加热搅拌1 h，使其形成均匀的混合液。
然后加入引发剂0.10 g过硫酸钾(KPS)溶液，持续搅拌15 min生成自由基。
接着，向其中滴加中和度为70% 的丙烯酸及交联剂0.013 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。滴加完毕后，继续恒温反应1 h，直到完全聚合。整个实验过程均用氮气保护。反应结束以后，60 ℃下干燥至恒重，再将干燥的样品粉碎过筛，所有用于测试的样品的粒径为20-50目。
为了比较，高吸水复合材料空白样的制备，除了不添加废纸纤维之外，其余过程均与上述一致。
图1是本发明制备的高吸水复合材料的FT-IR红外光谱图。(a)曲线是废纸纤维；(b)曲线是PASP；(c)曲线是高吸水复合材料。a曲线上2922 cm-1处是C－H伸缩振动峰，1161cm-1和1114cm-1分别是环状C－C和C－O－C糖苷醚键的吸收峰，以上三组峰说明纤维素的存在；b曲线上3416 cm-1处是聚天冬氨酸N-H伸缩振动峰，1595 cm-1是C-N-H弯曲振动峰，1402 cm-1是羧酸根的对称伸缩振动峰；上述各组峰在聚合后(即c曲线上)仍然保留甚至有明显的减弱或消失，说明接枝聚合反应成功。
图2为本发明制备的高吸水复合材料的扫描电镜图。其中，图(a)是未添加PASP和废纸纤维的空白样，图(b)是高吸水复合材料。从SEM图可以观察到，空白样表面相对平滑，并且其断面有许多微孔结构；加入PASP和废纸纤维制备的高吸水复合材料表面不规整，相对粗糙有更多的孔状结构，表明引入PASP和废纸纤维对高吸水复合材料的结构产生了影响，从而有效地降低了聚合物链间的物理交联度，使高吸水复合材料的吸水（盐）倍率上升。
图3为本发明制备的高吸水复合材料在蒸馏水中的保水性能图。从图中可以看出，高吸水复合材料空白样在室温下6天后的持水量小于60%，而高吸水复合材料在室温下6天后仍有超过60%的持水量。结果表明，利用废纸纤维增强的高吸水复合材料具有良好的保水性能。
图4为本发明制备的高吸水复合材料在蒸馏水中的反复溶胀性能图。从图中可以看出，高吸水复合材料空白样在5次反复溶胀后的含水量约为10%，而高吸水复合材料在5次反复溶胀后的持水量超过30%。结果表明，该高吸水复合材料是可充分回收再利用的高吸水复合材料。
图5本发明制备的高吸水复合材料与市售吸水材料（巩义市美源净水材料有限公司），及高吸水复合材料空白样吸水量的对比图。从图中可以看出高吸水复合材料的吸水量比市售吸水材料吸水量高约50.61%，比空白样吸水量高约36.56%。结果表明，若利用废纸纤维和聚天冬氨酸来制备高吸水复合材料，不仅可以降低其生产成本，而且实现了资源的合理化利用，有利于环保，具有很好的经济和社会效益。
实施例2~6
与实施例1不同在于，将PASP的用量调整为0.54 g、1.08 g、1.62 g、2.16 g、2.70g，分别获得PASP相对于AA的含量为10wt%、20wt%、30wt%、40wt%、50wt%的高吸水复合材料。
图6为掺入不同PASP含量的高吸水复合材料的吸水(盐)性能。从图中可以看到，当PASP的含量小于20%时，高吸水复合材料的吸水倍率呈上升趋势，这是因为随着PASP用量的增大，大分子自由基与单体碰撞的几率增加，使接枝共聚反应程度提高，吸水倍率增大。当PASP的含量等于20%时，吸水倍率最大(在蒸馏水和0.9%的NaCl溶液中分别达到了710.2 g/g和73.2 g/g)。当PASP的含量大于20%时，高吸水性材料的吸水倍率开始降低，是由于PASP用量的进一步増加，反应速率加快，支化和自交联反应加剧，导致AA/AMPS不再和过量的PASP进行反应，从而使材料的溶胀能力变差，吸水倍率降低。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。