甘薯淀粉基高吸水树脂的合成及性质研究

论文摘要

随着科学技术的发展,淀粉作为一种来源丰富的天然高分子,由于其具有可再生、生物可降解等性质,越来越多地被应用于社会生产的各个方面,对淀粉进行接枝改性将能更有效地拓展其应用空间。甘薯是富含淀粉的作物,我国甘薯年产量达10Mt,居世界之首,对其进行深度高值化加工利用十分迫切。本论文以甘薯淀粉为原料,采用溶液聚合法合成了甘薯淀粉接枝共聚高吸水树脂,通过对其吸水机理、溶涨理论及生物降解性能的研究,获得主要结果如下:1.以KMnO4取代传统的铈盐为引发剂,在酸性条件下合成了甘薯淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物,制备出吸水率达1127g/g的高吸水树脂;甘薯淀粉接枝丙烯酰胺高吸水树脂的最佳工艺条件为:淀粉/单体=1/7.5,催化剂浓度5.4mmol/L,引发剂浓度1.5mmol/L。2.以过硫酸盐为引发剂,甘油为交联剂,在室温下合成的甘薯淀粉-丙烯酸高吸水树脂吸水率达980g/g,较好地解决了现有工艺中淀粉需高温糊化、接枝反应需通N2保护等问题,有效简化了合成工艺;通过添加碳酸氢钠作为致孔剂合成的甘薯淀粉-丙烯酸多孔高吸水树脂,其吸液速率提高30%。3.在甘薯淀粉-丙烯酸高吸水树脂合成的基础上,研究了多元共聚及添加Al2（SO4）3、EDTA等成分对高吸水树脂吸水性能和吸盐性能的影响。结果表明:甘薯淀粉接枝丙烯酸/丙烯酰胺三元共聚高吸水树脂或甘薯淀粉接枝丙烯酸共混EDTA高吸水树脂均能够显著提高树脂的吸盐性能。不同种类甘薯淀粉基高吸水树脂的水凝胶强度及其重复吸水性能试验结果表明:甘薯淀粉接枝丙烯酸/丙烯酰胺高吸水树脂吸水8次后,其吸水率仍能保持最大吸水率的85.6%,提高树脂的水凝胶强度可以改善其重复吸水能力。4.采用Berens-Hopfenberg扩散-松弛模型,研究了高吸水树脂的组成、粒度大小、溶液浓度对树脂溶胀行为的影响。结果表明:高吸水树脂的溶胀过程符合扩散-松弛模型。在高吸水树脂吸液过程的起始阶段,水分子扩散占主导地位,吸液一段时间后,链段松弛吸水开始影响树脂的溶胀行为。水分子的扩散和大分子链段的松弛对树脂的吸水率都有贡献,但不同条件下贡献大小不同。树脂制备过程中,单体用量越多,高吸水树脂平衡吸水率中扩散吸水所占的比例就越大;高吸水树脂粒度越小,扩散吸水所占的比例越大;溶液浓度越大,树脂接枝链段松弛速率越小,扩散吸水在平衡吸水率中所占的比例越大。5.研究了溶液中离子种类、浓度对高吸水树脂吸液率的影响,结果表明:高吸水树脂的吸液能力与溶液中阴离子种类、价态无关,与阳离子价态、浓度有关。一价阳离子的种类不影响树脂吸液率,随着一价阳离子浓度的增大,树脂吸液率降低;二价阳离子种类影响树脂吸液率。根据高吸水树脂吸液过程中溶液电导率的变化,探讨了树脂的吸液机理,推导出高吸水树脂在溶液中产生的渗透压π的计算公式,证明树脂内外的渗透压是树脂吸液的主要动力。6.研究了黑曲霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌对甘薯淀粉接枝共聚丙烯酸高吸水树脂的生物降解作用,发现微生物产淀粉酶活影响其对高吸水树脂的降解能力,酶活越大,高吸水树脂降解率越高,这说明高吸水树脂的降解主要是其中的淀粉被利用,这也是甘薯淀粉基高吸水树脂易生物降解的原因。研究还发现,甘薯淀粉基高吸水树脂最大降解率大于未接枝率,表明微生物不仅可以利用其中的淀粉基质成分,而且可以利用接枝共聚物中的其它成分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 高吸水树脂概述
• 1.1.1 高吸水树脂的分类
• 1.1.2 高吸水树脂的组成结构
• 1.1.3 高吸水树脂的性质
• 1.2 高吸水树脂的研究进展
• 1.2.1 合成方法研究
• 1.2.2 引发方法研究
• 1.2.3 新型高吸水树脂的合成
• 1.2.4 吸液理论研究
• 1.2.5 高吸水树脂的其它性质
• 1.2.6 高吸水树脂的应用研究
• 1.3 耐盐性高吸水树脂
• 1.3.1 溶液中盐离子对高吸水树脂吸液率的影响
• 1.3.2 提高高吸水树脂耐盐性的方法
• 1.4 本论文的研究内容和意义
• 参考文献
• 第二章 甘薯淀粉性质研究
• 2.1 材料与设备
• 2.2 测定方法
• 2.2.1 淀粉成分的测定
• 2.2.2 淀粉的形态观察
• 2.2.3 淀粉颗粒大小的测定
• 2.2.4 结构表征
• 2.2.5 淀粉糊糊化特性研究
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 不同淀粉的组成
• 2.3.2 淀粉颗粒形状分析
• 2.3.3 淀粉颗粒粒径分析
• 2.3.4 甘薯淀粉红外吸收光谱分析
• 2.3.5 甘薯淀粉X-射线衍射图谱分析
• 2.3.6 甘薯淀粉的糊化特性
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 甘薯淀粉接枝共聚丙烯酰胺高吸水树脂的合成
• 3.1 材料与设备
• 3.2 甘薯淀粉接枝共聚丙烯酰胺高吸水树脂的合成
• 3.2.1 合成方法
• 3.2.2 正交实验
• 3.2.3 吸水率的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同因素条件对淀粉接枝丙烯酰胺高吸水树脂吸水率的影响
• 3.3.2 正交试验结果分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 甘薯淀粉接枝共聚丙烯酸高吸水树脂的合成
• 4.1 材料与设备
• 4.2 甘薯淀粉接枝共聚丙烯酸高吸水树脂的合成
• 4.2.1 合成方法
• 4.2.2 多孔高吸水树脂的合成
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同因素条件对甘薯淀粉接枝共聚丙烯酸高吸水树脂吸水率的影响
• 4.3.2 FTIR分析
• 4.3.3 致孔剂对高吸水树脂吸液过程的影响
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 甘薯淀粉基耐盐性高吸水树脂的制备
• 5.1 材料与设备
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 甘薯淀粉接枝共聚耐盐性高吸水树脂的合成
• 5.2.2 吸液率的测定
• 5.2.3 高吸水树脂凝胶强度的测定
• 5.2.4 高吸水树脂重复吸水能力的测定
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 添加不同成分对高吸水树脂吸液率的影响
• 5.3.2 高吸水树脂凝胶强度分析
• 5.3.3 高吸水树脂重复吸水能力分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 甘薯淀粉基高吸水树脂吸液过程动力学研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 试验材料及设备
• 6.1.2 试验方法
• 6.1.3 高吸水树脂吸液率的测定
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 高吸水树脂的吸液动力学模型
• 6.2.2 树脂组成对树脂溶胀行为的影响
• 6.2.3 树脂粒度对树脂溶胀行为的影响
• 6.2.4 溶液浓度对树脂溶胀行为的影响
• 6.3 小结
• 参考文献
• 第七章 甘薯淀粉基高吸水树脂的吸液机理研究
• 7.1 材料与设备
• 7.2 试验方法
• 7.2.1 高吸水树脂对不同离子吸收性能的测定
• 7.2.2 DSC测定
• 7.2.3 高吸水树脂吸液过程中NaCl溶液电导率的测定
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 离子种类和浓度对高吸水树脂吸液能力的影响
• 7.3.2 DSC测试结果分析
• 7.3.3 高吸水树脂的吸液机理研究
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第八章 甘薯淀粉基高吸水树脂的生物降解性能研究
• 8.1 菌种
• 8.2 试验方案
• 8.2.1 高吸水树脂的性质测定
• 8.2.2 高吸水树脂生物降解性能的测定
• 8.2.3 土壤环境降解试验
• 8.2.4 高吸水树脂降解菌的筛选及初步鉴定
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 高吸水树脂的性质
• 8.3.2 不同菌株产淀粉酶的酶活
• 8.3.3 高吸水树脂的生物降解性能
• 8.3.4 土壤环境降解试验结果
• 8.3.5 高吸水树脂降解菌的初步鉴定
• 8.4 小结
• 参考文献
• 第九章 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文和完成的科研工作