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        木質(zhì)素親水改性研究?

        2020-08-31 06:58:26孫耀星龐緒富李新月龐久寅
        林產(chǎn)工業(yè) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:甲基丙烯酸親水親水性

        孫耀星 龐緒富 李新月 龐久寅 蘇 玲

        (1.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 132013; 2.煙臺職業(yè)學(xué)院,煙臺 264670)

        木質(zhì)素是重要的可再生生物質(zhì)資源,具有來源豐富、可生物降解以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而這些生物質(zhì)資源并沒有得到充分利用,造成巨大的資源浪費(fèi)。因此,為實(shí)現(xiàn)以木質(zhì)素為代表的生物質(zhì)資源的高值化利用,減少資源浪費(fèi),開發(fā)具有高附加值的生物質(zhì)基高分子材料成為目前生物質(zhì)利用的主流趨勢[2-3]。

        由于木質(zhì)素原料本身具有碳含量高,吸附性能好和價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn),很多研究者將其直接應(yīng)用于聚合物中[4-6]。如將功能性聚合物側(cè)鏈通過“從主鏈接枝法”或“接枝到主鏈法”接枝到木質(zhì)素中,賦予木質(zhì)素新的功能特性[7]。這也是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素高值化利用的最有效途徑之一[8]。Avérous等[9]利用開環(huán)聚合,以木質(zhì)素(Lignin)上的羥基官能團(tuán)作為引發(fā)點(diǎn)將ε-己內(nèi)酯(CL)接枝到木質(zhì)素上,制備了Lignin-g-PCL接枝共聚物,該木質(zhì)素基接枝共聚物表現(xiàn)出半結(jié)晶結(jié)構(gòu),并且表現(xiàn)出明顯的彈性行為。Chung等[10]從制備全生物質(zhì)基功能材料的角度出發(fā),發(fā)明了一種無溶劑和金屬催化劑的開環(huán)聚合反應(yīng),以1,5,7-三氮雜二環(huán)[4.4.0]癸-5-烯(TBD)為催化劑將聚乳酸接枝到木質(zhì)素上,制備了玻璃化溫度在45~85 ℃之間的Lignin-g-PLA共聚物,然后將Lignin-g-PLA與PLA聚合物基體進(jìn)行復(fù)合,用以改善PLA本身的脆性,同時還賦予復(fù)合材料紫外吸收性能。

        原子轉(zhuǎn)移自由基聚合[11](Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)是目前最常用的活性自由基聚合方法之一。可實(shí)現(xiàn)對高分子聚合物的相對分子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量分布和末端官能團(tuán)的精準(zhǔn)控制;可實(shí)現(xiàn)不同形狀[12](如線性,星形或多支化,梳狀或刷狀,網(wǎng)狀和超支化結(jié)構(gòu))和不同組成(如均聚物,嵌段共聚物,無規(guī)共聚物,梯度共聚物和接枝共聚物)聚合物的制備。

        本研究以木質(zhì)素的高值化利用為出發(fā)點(diǎn),以木質(zhì)素為原料,結(jié)合木質(zhì)素本身所具備的空間結(jié)構(gòu),制備木質(zhì)素基引發(fā)劑,然后采用ATRP法將親水單體甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、乙酸乙烯酯(VAC)以及丙烯酸(AA)分別接枝到木質(zhì)素,制備親水性木質(zhì)素基接枝共聚物,以擴(kuò)展木質(zhì)素的應(yīng)用范圍。并通過紅外光譜(FTIR)、接觸角測試表征確定其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        試驗(yàn)中所用藥品試劑如表1 所示。

        表1 試驗(yàn)用藥品試劑表Tab.1 Test reagents table

        1.2 儀器與設(shè)備

        試驗(yàn)中所用儀器與設(shè)備如表2 所示。

        表2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備Tab.2 Test instrument and equipment list

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 堿木質(zhì)素的精制

        首先將2 kg堿木質(zhì)素與15 kg水放入一塑料桶中,攪拌均勻后靜置過夜。配制500 mL一定濃度的鹽酸(濃鹽酸和蒸餾水按照體積比1:1 的比例配制)備用。抽取塑料桶中的上層清液,加入到3 個1 000 mL的大燒杯中,然后緩慢加入上述配制好的鹽酸溶液,并不斷攪拌,直至燒杯中液體不再有氣泡。同時用pH試紙監(jiān)測pH值,并用鹽酸溶液進(jìn)行調(diào)節(jié),使得溶液pH值為2。3 杯液體均按照相同的方法操作。全部完成后,將這3杯溶液靜置沉淀。當(dāng)出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象時,把各燒杯中的上層液體吸出,將剩下的沉淀物進(jìn)行真空抽濾,不斷用蒸餾水洗滌至pH約為4,隨后得到洗滌后的木質(zhì)素原料[13]。將抽濾后的木質(zhì)素濾餅放到溫度為60 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱里干燥24 h,然后研磨后備用。

        1.3.2 木質(zhì)素基引發(fā)劑的合成

        木質(zhì)素基引發(fā)劑(Lignin-Br)的合成路線如圖1 所示。將精制的木質(zhì)素(1.000 g)和4-二甲氨基吡啶(DMAP,1.592 g )放入100 mL帶玻璃塞的磨口錐形瓶中,加入40 mL無水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)使木質(zhì)素和DMAP充分溶解。然后將錐形瓶浸于冰水浴中,稱取3.016 g的2-溴代異丁酰溴,緩慢加入其中。隨后,將錐形瓶從冰水浴中取出,置于磁力攪拌器上,于室溫條件下攪拌反應(yīng)24 h[14-20]。

        圖1 木質(zhì)素基引發(fā)劑的合成路線圖Fig. 1 Scheme for the synthesis of macroinitiator Lignin-Br

        反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)液倒入裝有蒸餾水的燒杯中,并用真空泵進(jìn)行真空抽濾。抽濾過程中用蒸餾水洗滌3~5 次,得到反應(yīng)生成的木質(zhì)素基引發(fā)劑。然后將木質(zhì)素基引發(fā)劑進(jìn)行真空干燥至恒重,干燥溫度設(shè)定為50 ℃[21]。

        1.3.3 木質(zhì)素接枝共聚物的制備

        將上述制備好的木質(zhì)素基引發(fā)劑 (0.016 4 g)倒入100 mL的蘇倫克瓶中,之后加入無水四氫呋喃(THF,9 mL)和無水N,N-二甲基甲酰胺(DMF,1 mL)。待木質(zhì)素基引發(fā)劑完全溶解后,再稱取加入配體五甲基二乙烯三胺(PMDETA,0.010 8 g)和親水單體甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA,8.04 g)[22]。經(jīng)過冷凍—抽真空—充氮三個循環(huán)狀態(tài)后,加入 0.008 9 g的溴化亞銅[Cu(I)Br],再經(jīng)過一次冷凍—抽真空—充氮過程。隨后,在80 ℃的油浴環(huán)境中進(jìn)行攪拌反應(yīng)8 h[15,23-29]。木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯共聚物的合成路線如圖2所示。

        圖2 木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯共聚物的合成路線圖Fig. 2 Scheme for the synthesis of Lignin grafted 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA)

        反應(yīng)結(jié)束后,使用中性Al2O3柱清除銅催化劑溴化亞銅,以達(dá)到銅回收的目的[30]。然后以冷甲醇為沉淀劑,以甲苯和水為洗滌劑,經(jīng)多次沉淀、洗滌后,對保留產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理,得到目標(biāo)產(chǎn)物,親水的木質(zhì)素基接枝共聚物——木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯(Lignin-g-PHEMA)。

        在另兩種單體的接枝過程中,加入乙酸乙烯酯(VAC)的質(zhì)量為5.32 g,加入丙烯酸(AA)的質(zhì)量為4.45 g,合成方法同上,得到的產(chǎn)物分別為木質(zhì)素接枝乙酸乙烯酯(Lignin-g-PVAc) 和木質(zhì)素接枝丙烯酸(Lignin-g-PAA)[31]。木質(zhì)素接枝乙酸乙烯酯、丙烯酸共聚物的合成路線分別如圖3、4 所示。

        圖3 木質(zhì)素接枝乙酸乙烯酯共聚物的合成路線圖Fig. 3 Scheme for the synthesis of Lignin grafted vinyl acetate (VAC)

        圖4 木質(zhì)素接枝丙烯酸共聚物的合成路線圖Fig.4 Scheme for the synthesis of Lignin grafted acrylic acid (AA)

        1.3.4 測試與表征

        將3 種木質(zhì)素基接枝共聚物放在鋁箔上,在50 ℃的真空干燥箱中制成薄膜,堿木質(zhì)素用壓片機(jī)壓制成小圓盤,用JC2000C1 接觸角測量儀測定接觸角[32]。通過壓片機(jī)壓片法將被測樣品與溴化鉀壓成薄片,用WQF-520 型傅里葉變換紅外光譜儀,光譜范圍4 000~400 cm-1,對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行表征[33]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 親水性分析

        經(jīng)過3 種親水單體接枝后的木質(zhì)素基接枝共聚物和木質(zhì)素的接觸角如圖5 所示。木質(zhì)素(a)的接觸角為45°,在其他條件不變的前提下,木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯Lignin-g-PHEMA(b)、木質(zhì)素接枝丙烯酸Lignin-g-PAA(c)、木質(zhì)素接枝乙酸乙烯酯Lignin-g-PVAc(d)的接觸角分別為21.6°、27.3°、35.8°。與木質(zhì)素相比,接觸角都有所減小,說明接枝后木質(zhì)素的親水性均有所提升。其中,木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯接觸角最小,親水效果最好。由此可見,接枝的3種單體中,HEMA的親水效果最好,由它引入的聚甲基丙烯酸羥乙酯側(cè)鏈提高了木質(zhì)素的親水性,將原來難溶于水的材料變成了親水性材料,從而擴(kuò)大了木質(zhì)素基材料的應(yīng)用范圍。

        圖5 木質(zhì)素(a)、木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯(b)、木質(zhì)素接枝丙烯酸(c)和木質(zhì)素接枝乙酸乙烯酯(d)的接觸角Fig. 5 The contact angle of Lignin(a), Lignin-g-PHEMA(b), Lignin-g-PAA (c) and Lignin-g-PVAc(d)

        2.2 紅外光譜分析

        圖6 為木質(zhì)素、木質(zhì)素基引發(fā)劑和木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯的紅外光譜圖。如圖b、c所示,由于木質(zhì)素中的—OH(羥基)和2-溴代異丁酰溴發(fā)生了酯化反應(yīng),因此在木質(zhì)素基引發(fā)劑的1 740 cm-1處顯示出較強(qiáng)的吸收峰,歸屬于C=O官能團(tuán)的伸縮振動峰[34]。與未改性的木質(zhì)素相比,木質(zhì)素基引發(fā)劑在3 500~3 100 cm-1處的—OH伸縮振動峰幾乎都消失了,表明大量的—OH官能團(tuán)都已被轉(zhuǎn)變成2-溴代異丁酸,即ATRP引發(fā)劑的官能團(tuán)[35-39]。綜上所述,2-溴代異丁酸已成功接枝木質(zhì)素中。

        圖6 木質(zhì)素、木質(zhì)素基引發(fā)劑和木質(zhì)素接枝甲基丙烯酸羥乙酯的紅外光譜圖Fig. 6 Infrared spectra of Lignin, Lignin-based initiator and Lignin-g-PHEMA

        如圖6 中a所示,改性后的木質(zhì)素即木質(zhì)素基接枝共聚物在1 240 cm-1和1 730 cm-1處具有明顯的吸收峰,分別對應(yīng)著接枝側(cè)鏈中的C—O—C鍵及C=O鍵的伸縮振動峰,而在3 500~3 100 cm-1處的—OH伸縮振動峰又出現(xiàn)了,表明含有甲基丙烯酸羥乙酯(C6H10O3)的聚合物側(cè)鏈成功地接枝到木質(zhì)素上。

        3 結(jié)論

        研究以精制的木質(zhì)素為原料,用2-溴代異丁酰溴改性木質(zhì)素得到木質(zhì)素基引發(fā)劑,采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)(ATRP),將親水單體甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、乙酸乙烯酯(VAC)及丙烯酸(AA)分別接枝到木質(zhì)素上,合成親水木質(zhì)素基接枝共聚物。接觸角檢測結(jié)果表明,木質(zhì)素接枝HEMA后具有較好的親水性,接枝前后接觸角分別為45°、21.6°。紅外光譜分析表明:接枝單體HEMA后,改性木質(zhì)素具有HEMA的特征峰,共聚物制備成功。接枝單體HEMA的側(cè)鏈提高了木質(zhì)素的親水性,將原先難溶于水的木質(zhì)素變成了親水性材料,擴(kuò)大了木質(zhì)素基材料的應(yīng)用范圍。

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