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        納米葡萄糖酸活性白土的制備改進

        2013-06-08 05:48:22韋藤幼童張法潘遠(yuǎn)鳳
        關(guān)鍵詞:活性白土白土甘油

        李 浩,韋藤幼,童張法,潘遠(yuǎn)鳳

        (廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530004)

        剝離型葡萄糖酸膨潤土是一種采用葡萄糖酸修飾膨潤土納米片的復(fù)合材料[1],它是一種親水性納米有機土,對淀粉糊的改性可使其粘度增加一倍[2],對聚乙烯醇(PVA)的改性也取得較好的效果[3]。早期的葡萄糖酸膨潤土采用堿性鈣基膨潤土制備[4-6],由于堿性鈣基膨潤土的制備采用半干法,該法要求制備溫度低,反應(yīng)時間需要18h以上,加上反應(yīng)后除去過量的氫氧化鈣比較麻煩,制備過程效率較低。朱云倩等[7]采用堿性白土代替堿性鈣基膨潤土,制備了葡萄糖酸活性白土,并用于PVA薄膜的改性,取得了與文獻[3]相近的效果,但薄膜的改性葡萄糖酸活性白土的最佳添加量只要1.5%,薄膜的力學(xué)性能提高不多。

        由于膨潤土是天然材料,蒙脫石的含量一般在80%以下,用無機酸活化制得的活性白土[8-10]雖然其純度有所提高,但仍然存在一定量的雜質(zhì)。這樣由氫氧化鈣負(fù)載制備得到的堿性白土,再用葡萄糖酸改性時,得到剝離的蒙脫石納米片純度并不高,因此影響了其剝離效果。本文在葡萄糖酸活性白土的制備過程中加入甘油,并采用乙醇—甘油體系對葡萄糖酸活性白土進行分離純化,最后把該土用于PVA薄膜的改性,以考察其改進效果。

        1 試驗部分

        1.1 原料與儀器設(shè)備

        原料:堿性白土,按文獻[11]自制,氫氧化鈣容量為1.85mmol/g;葡萄糖酸內(nèi)酯,分析純,上海晶純實業(yè)有限公司;95%乙醇,分析純,廣東汕頭市西隴化工股份有限公司;聚乙烯醇(簡稱PVA),聚合度1750±50,國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

        儀器設(shè)備:DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,河南鄭州長城科工貿(mào)有限公司;SXJQ-1數(shù)顯直流無級調(diào)速攪拌器,河南鄭州長城科工貿(mào)有限公司;KQ2200E超聲波清洗機,昆山超聲儀器有限公司;320型程控箱式馬弗爐,德國納博熱公司;XiangYi L-550離心機,湘儀離心機儀器有限公司;S-3400型掃描電子顯微鏡,日本日立公司;DNS100型電子萬能試驗機,長春市試驗機研發(fā)有限公司。

        1.2 葡萄糖酸活性白土的制備

        稱取5.0g堿性白土和100mL的一定濃度的乙醇溶液置于斜三口燒瓶中,攪拌使其充分分散,將一定量的30%葡萄糖酸溶液在一定溫度下20min內(nèi)滴入恒速攪拌的分散液中,冷凝回流,反應(yīng)結(jié)束后抽濾,將濾餅分別用100mL 70%乙醇洗滌2次、用100mL 95%乙醇洗滌1次,過濾,即得粗葡萄糖活性白土。

        采用單因素試驗,以產(chǎn)物有機燒失量為考察目標(biāo),分別研究了反應(yīng)時間、葡萄糖酸用量、分散劑體積和濃度及其攪拌速度和甘油添加量的影響。葡萄糖酸活性白土的有機燒失量的測定參照文獻[7]。

        1.3 粗葡萄糖酸活性白土的純化

        研究發(fā)現(xiàn),葡萄糖酸活性白土對甘油具有良好的親和性,分散于甘油后相當(dāng)穩(wěn)定,高速離心仍不會沉降,但對乙醇的親和性較低,其乙醇懸浮液可以通過離心使其沉降。這樣可以把粗葡萄糖酸活性白土分散于一定乙醇和甘油配比溶液中,通過離心沉降除去顆粒較大的非葡萄糖酸活性白土,留下的懸浮液再加乙醇,降低親和性,再次離心沉降回收得到純度較高的精葡萄糖酸白土。

        用乙醇和甘油按不同配比(質(zhì)量比,4∶1;3∶2;2∶3;1∶4;100%甘油)配成溶劑。稱取一定量的葡萄糖酸活性白土于離心管內(nèi),加入適量上述溶劑,攪勻并超聲30min,然后3000r/min離心,上層清液和下層固體均用無水乙醇洗2次,烘干,然后用于PVA薄膜的改性,比較其力學(xué)性能。

        1.4 葡萄糖酸活性白土用于PVA薄膜改性

        稱取10.0g PVA倒入三口燒瓶中,加入去離子水,在90℃下加熱攪拌使之溶解,配成10%的膠液,然后加入一定量的葡萄糖白土和0.3g甘油,高速攪拌2h,超聲30min,使其分散均勻,靜止除泡,流延鋪膜。最后置于50℃烘箱內(nèi)干燥成膜。按照GB/T1040.3-2006進行測試[12],將膜剪成100mm×10mm的長條,烘干,拉伸速度為30mm/min,每組測多個試樣,取相近值,并求其平均值。

        分別用精葡萄糖酸活性白土和粗葡萄糖酸活性白土進行改性,以比較改進效果。

        1.5 葡萄糖酸活性白土的SEM表征

        掃描電鏡用于觀察產(chǎn)品的微觀形貌,對比堿性白土改性前后和葡萄糖酸活性白土提純前后的變化;電壓25kV,放大5000倍,獲取堿性白土和提純前后的葡萄糖酸活性白土的微觀形貌照片。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 試驗條件對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        圖1 反應(yīng)時間對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        圖2 葡萄糖酸內(nèi)酯用量對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        圖3 乙醇濃度對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        圖4 乙醇用量對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        反應(yīng)時間、葡萄糖酸內(nèi)酯用量、乙醇濃度及用量對燒失量的影響雖然已在文獻[7]進行了初步的研究探索,但由于本試驗所用原材料的不同以及認(rèn)識的深入,本文對這些影響因素重新進行了研究。圖1~圖4分別是反應(yīng)時間、葡萄糖酸內(nèi)酯用量、乙醇濃度及乙醇用量對葡萄糖活性白土有機燒失量的影響,4個試驗攪拌速度均為400r/min,不添加甘油。由圖1(葡萄糖酸內(nèi)酯用量為3.0g、乙醇濃度及用量為70%、100mL)和圖2(反應(yīng)時間為100min、乙醇濃度及用量為70%、100mL)可知,反應(yīng)時間及葡萄糖酸內(nèi)酯用量對有機燒失量均出現(xiàn)最大值,其主要原因是反應(yīng)體系中堿性白土中的氫氧化鈣與葡萄糖酸過度反應(yīng)生成葡萄糖酸鈣,葡萄糖酸鈣與活性白土的吸附不穩(wěn)定而溶解出來,從而導(dǎo)致堿性白土中的葡萄糖酸含量下降,而我們需要的產(chǎn)品是堿性白土中Ca(OH)2的一個OH-與C6H12O7分子反應(yīng),剩下的一個氫氧根保持與活性白土的酸活性中心吸附。而圖3(反應(yīng)時間為100 min、葡萄糖酸內(nèi)酯用量為3.0g、乙醇用量為100mL)與圖4(反應(yīng)時間為100min、葡萄糖酸內(nèi)酯用量為3.0g、乙醇濃度為70%)與文獻[7]的情況相似。最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)時間100min、葡萄糖酸內(nèi)酯用量3.0g、乙醇濃度70%用量100mL。

        在溫度70℃、反應(yīng)時間100min、濃度70%乙醇100mL、葡萄糖酸內(nèi)酯用量3.0g的反應(yīng)條件下,攪拌速度和甘油加入量與葡萄糖蒙脫土有機燒失量的關(guān)系分別如圖5和圖6所示,它們對有機燒失量都出現(xiàn)最大值。開始時攪拌速度增加,反應(yīng)剝離速度加快,但過快的攪拌速度會使剝離速度過快,導(dǎo)致生成葡萄糖酸鈣的副反應(yīng)速度加快,使葡萄糖酸基團從活性中心上脫落。甘油分子與葡萄糖酸基團的羥基親和性較好,可以在蒙脫石剝離的過程中增加一種拉力,有利于蒙脫石的剝離,但甘油加入量過多同樣導(dǎo)致剝離過程太快,從而增大了葡萄糖酸基團從活性中心上脫落的概率,最終導(dǎo)致有機燒失量下降。

        圖5 攪拌槳轉(zhuǎn)速對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        圖6 甘油加入量對葡萄糖酸活性白土有機燒失量的影響

        2.2 葡萄糖酸活性白土的提純

        表1是按1.3中方法用不同配比溶劑提純得到的上層葡萄糖酸活性白土的收率,隨著甘油含量增加收率上升。圖7是提純后的葡萄糖酸活性白土制備的PVA薄膜力學(xué)性能(添加量為1%干基量),隨著甘油含量增加其拉伸強度下降。斷裂伸長率有最大值??紤]到收率與性能的平衡,甘油含量50%比較適宜。

        表1 不同配比溶劑提純得到葡萄糖酸活性白土收率

        圖7 上層清液中葡萄糖酸活性白土制備PVA薄膜力學(xué)性能

        圖8分別是堿性白土圖8(a)和未提純葡萄糖酸活性白土圖8(b),提純后葡萄糖酸活性白土圖8(c)的掃描電鏡圖片。從圖8(b)可以看出經(jīng)葡萄糖酸改性后的堿性白土的土層已經(jīng)明顯出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,而圖8(c)則表明經(jīng)提純后的葡萄糖酸活性白土顆粒狀雜質(zhì)明顯減少而呈棒狀散亂分布,剝離的葡萄糖酸活性白土成分明顯提高。

        圖8 不同白土的SEM圖片

        2.3 葡萄糖酸活性白土用于PVA薄膜改性

        圖9 不同精葡萄糖酸活性白土添加量對PVA薄膜力學(xué)性能的影響

        表2 提純前后改性PVA薄膜的效果對比

        不同精納米葡萄糖酸活性白土添加量與PVA薄膜抗拉強度和斷裂伸長率的關(guān)系如圖9。從圖9知最佳添加量為2%,其薄膜抗拉強度和斷裂伸長率同時達到最大值,加葡萄糖酸白土改性后,抗拉強度增加62%,斷裂伸長率增加30%。表2是葡萄糖酸活性白土提純前后的PVA薄膜改性效果的比較,提純后葡萄糖酸活性白土最佳添加量由1.5%增加到2%,薄膜的斷裂伸長率增加了30%,而抗拉強度也有一定量的提高。

        3 結(jié)論

        (1)當(dāng)原料堿性白土為5.0g時,在葡萄糖酸內(nèi)酯為3.0g、溶劑乙醇濃度為75%用量100mL、甘油和土質(zhì)量比為0.25∶1、轉(zhuǎn)速為400r/min、反應(yīng)時間2h和溫度為70℃條件下,制得的粗葡萄糖酸活性白土的有機含量約為36%。

        (2)粗葡萄糖酸活性白土用50%的甘油乙醇溶劑提純效果最好,經(jīng)提純過后得到的精葡萄糖酸活性白土作為納米填充材料加入到PVA薄膜中,最佳添加量為2%,抗拉強度增加62%,斷裂伸長率增加30%,改性效果顯著。

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