一種高吸溼速率吸溼材料的製備方法與流程
2023-10-09 04:05:09
本發明屬於高分子材料製備技術領域，具體涉及一種高吸溼速率吸溼材料的製備方法。
背景技術：
溼度不但影響人們的生活環境，還直接關聯到工農業生產、物品倉庫、文物、檔案等的保存。因此，空氣除溼已經是普遍存在的問題，隨著生產的發展和生活水平的提高，空氣除溼已經發展並形成一門新的技術。
吸溼材料包括無機吸溼材料和有機吸溼材料兩大類。無機吸溼材料如木炭、分子篩、變色矽膠等，多呈固體顆粒狀，吸溼容量低，用量大，重複吸溼放溼過程很容易粉碎，影響使用效果。有機高分子吸溼材料是新型的功能高分子材料，它是由高吸水性樹脂發展而產生的，具有優異的吸溼、保溼性能，是一種經過化學與物理方法改性的水性樹脂，以分子中的親水基團來吸收水分。有機高分子吸溼材料吸收空氣中水分的能力高於一般的無機吸溼材料，且無腐蝕、無汙染，並可再生。根據吸附劑對吸附質之間吸附力的不同，吸附可被分為物理吸附及化學吸附。高分子吸溼的過程主要分為2個階段：第一階段是通過氣體流通，空氣中的水分通過聚合物顆粒表面接觸，稱為外部傳遞過程或外擴散；第二階段是水分從聚合物顆粒表面傳向顆粒孔隙內部，稱為內部傳遞過程或內擴散。第一階段主要是物理吸附，而第二階段主要是化學吸附。而有機高分子的吸附以化學吸附為主。化學吸附容量的大小隨被吸附分子和吸附劑表面原子間形成吸附化學鍵力大小的不同而有所差異。化學吸附需要一定的活化能，在相同的條件下，化學吸附（或解吸）速度比物理吸附慢。
聚丙烯酸類樹脂是有機高分子吸溼材料中使用最早的一類產品，其吸水原理是利用化學鍵的方式把水和親水性物質結合在一起，具有超強的吸水性能，但聚丙烯酸類樹脂吸溼性能並不盡如人意。具體問題表現在，吸溼容量很低，另外其吸溼機理主要是通過化學吸附，相比物理吸附，吸溼、放溼速率較慢。因此，如何克服現有技術不足，開發一種具有較大吸溼容量及較快吸、放溼速率的吸溼材料，具有重要的現實意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題，針對目前傳統的聚丙烯酸類吸溼材料存在吸溼容量低並且吸、放溼速率慢的問題，提供了一種高吸溼速率吸溼材料的製備方法。
為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：
（1）取天然海綿晾乾後粉碎，並過50目篩，收集過篩物得到天然海綿粉末，將天然海綿粉末用矽酸鈉溶液浸泡後取出，再次晾乾，得到預處理天然海綿粉末；
（2）將丙烯酸、氫氧化鈉溶液以及海藻酸鈉溶液混合，在室溫下攪拌反應，得到預聚液；
（3）將預處理天然海綿粉末和丙烯醯胺溶液加入到預聚液中，攪拌混合得到混合液，再向混合液中加入過硫酸鉀，加熱，攪拌反應，過濾分離得到濾渣，即為吸溼材料粗品，備用；
（4）按等質量比將大豆、山藥和蓮藕粉碎，得到混合粉碎物，將所得混合粉碎物平鋪在竹篩中，將竹篩放入大棚中，靜置直至混合粉碎物表面發黴，得到發黴混合粉碎物；
（5）將上述發黴混合粉碎物和水混合後裝入發酵罐中，密封發酵，發酵結束後過濾，分離得到發酵濾液；
（6）將備用的吸溼材料粗品和胃蛋白酶溶液混合後振蕩浸漬，浸漬結束後過濾分離得到濾餅，再將濾餅和上述發酵濾液混合後堆置在溫室中，靜置反應，待反應完成後，得到反應產物，用無水乙醇反覆衝洗後冷凍乾燥，即得高吸溼速率吸溼材料。
步驟（1）中所述的天然海綿為象耳海綿、蜂窩綿、絲綿、草綿中的一種。
步驟（2）中所述的丙烯酸、氫氧化鈉溶液以及海藻酸鈉溶液的體積比為3:3:1，氫氧化鈉溶液的質量分數為50%，海藻酸鈉溶液的質量分數為10%，攪拌反應時間為20～30min。
步驟（3）中所述的預處理天然海綿粉末和丙烯醯胺溶液以及預聚液的質量比為1:1:10，丙烯醯胺溶液的質量分數為10%，過硫酸鉀的加入量為混合液質量的0.5～1.0%，加熱後的溫度為65～75℃，攪拌反應時間為2～3h。
步驟（4）中所述的大棚中溫度為30～40℃、空氣相對溼度為70～80%，靜置時間為5～7天。
步驟（5）中所述的發黴混合粉碎物和水的質量比為1:3，密封發酵溫度為30～40℃，密封發酵時間為7～9天。
步驟（6）中所述的吸溼材料粗品和胃蛋白酶溶液的質量比為1:10，胃蛋白酶溶液的質量分數為20%，振蕩浸漬時間為5～7h，濾餅和發酵濾液的質量比為1:3，溫室溫度為30～50℃，靜置反應時間為10～15天。
本發明的有益效果是：
（1）本發明以具有豐富孔隙結構的天然生物海綿為模板，經矽酸鹽浸漬改性，使模板表面的矽羥基數量增加，提高模板的吸附能力，再通過海藻酸鈉與丙烯酸的混合物在過硫酸鉀的引發下，丙烯酸分子中帶羥基的碳原子上的h被奪走而產生自由基，再引發丙烯酸鈉和模板生成海藻酸鈉/丙烯酸鈉/模板自由基，從而與丙烯酸鈉進行鏈增長聚合，同時丙烯酸鈉也會產生自由基，進行丙烯酸鈉的均聚反應，最終在模板表面形成一層聚丙烯酸吸水樹脂層，得到具有多孔結構的吸溼劑粗品，接著將富含胺基酸的植物靜置發黴，發酵，然後收集得到富含胺基酸和微生物的發酵濾液，通過胃蛋白酶對吸溼劑粗品進行酶解，對粗品中的天然生物海綿模板進行初步降解，再用富含胺基酸和微生物的發酵濾液中微生物對初步降解後的粗品進行二次降解，直至天然生物海綿模板降解完全，使本身具有多孔結構的吸溼劑粗品進一步呈現中空結構，進而增加了吸溼劑的孔隙率以及有效吸溼比表面積，提高了吸溼劑的物理吸溼能力，從而提高了吸溼劑的吸溼速率和放溼速率；
（2）本發明發酵濾液中富含的胺基酸在微生物的作用下降解生成親水性的氨基和羧基，在生物自交聯的作用下附著在吸溼劑表面，從而增加了吸溼劑表面的親水性氨基和羧基數量，又提高了吸溼劑的化學吸溼能力，而化學吸溼性能的提高可以使吸溼劑的吸溼容量進一步增大，具有極佳的吸溼效果。
具體實施方式
取天然海綿晾乾後放入粉碎機中粉碎20～30min，並過50目篩，收集過篩物得到天然海綿粉末，將天然海綿粉末用質量分數為20%的矽酸鈉溶液浸泡1～2h後取出，再次晾乾，得到預處理天然海綿粉末，按體積比為3:3:1將丙烯酸、質量分數為50%氫氧化鈉溶液以及質量分數為10%海藻酸鈉溶液裝入反應釜中混合，啟動攪拌器以100～200r/min的轉速在室溫下攪拌反應20～30min，得到預聚液，按質量比為1:1:10將預處理天然海綿粉末和質量分數為10%的丙烯醯胺溶液加入到預聚液中，攪拌混合均勻得到混合液，再向反應釜中加入混合液質量0.5～1.0%過硫酸鉀，加熱升溫至65～75℃，以200～300r/min轉速攪拌反應2～3h，過濾分離得到濾渣，即為吸溼材料粗品，按等質量比將大豆、山藥和蓮藕粉碎，得到混合粉碎物，將所得混合粉碎物平鋪在竹篩中，將竹篩放入溫度為30～40℃、空氣相對溼度為70～80%的大棚中，靜置5～7天直至混合粉碎物表面發黴，得到發黴混合粉碎物，再將發黴混合粉碎物和水按質量比為1:3混合後裝入發酵罐中，在30～40℃下密封發酵7～9天，發酵結束後過濾，分離得到發酵濾液，隨後將吸溼材料粗品和質量分數為20%胃蛋白酶溶液按質量比為1:10混合後放置在搖床上振蕩浸漬5～7h，浸漬結束後過濾分離得到濾餅，再將濾餅和發酵濾液按質量比為1:3混合後堆置在溫度為30～50℃的溫室中，靜置反應10～15天，待反應完成後，得到反應產物，用無水乙醇反覆衝洗20～30min後冷凍乾燥，即得高吸溼速率吸溼材料。所述的天然海綿為象耳海綿、蜂窩綿、絲綿、草綿中的一種。
實例1
取象耳海綿晾乾後放入粉碎機中粉碎20min，並過50目篩，收集過篩物得到象耳海綿粉末，將象耳海綿粉末用質量分數為20%的矽酸鈉溶液浸泡1h後取出，再次晾乾，得到預處理象耳海綿粉末，按體積比為3:3:1將丙烯酸、質量分數為50%氫氧化鈉溶液以及質量分數為10%海藻酸鈉溶液裝入反應釜中混合，啟動攪拌器以100r/min的轉速在室溫下攪拌反應20min，得到預聚液，按質量比為1:1:10將預處理象耳海綿粉末和質量分數為10%的丙烯醯胺溶液加入到預聚液中，攪拌混合均勻得到混合液，再向反應釜中加入混合液質量0.5%過硫酸鉀，加熱升溫至65℃，以200r/min轉速攪拌反應2h，過濾分離得到濾渣，即為吸溼材料粗品，按等質量比將大豆、山藥和蓮藕粉碎，得到混合粉碎物，將所得混合粉碎物平鋪在竹篩中，將竹篩放入溫度為30℃、空氣相對溼度為70%的大棚中，靜置5天直至混合粉碎物表面發黴，得到發黴混合粉碎物，再將發黴混合粉碎物和水按質量比為1:3混合後裝入發酵罐中，在30℃下密封發酵7天，發酵結束後過濾，分離得到發酵濾液，隨後將吸溼材料粗品和質量分數為20%胃蛋白酶溶液按質量比為1:10混合後放置在搖床上振蕩浸漬5h，浸漬結束後過濾分離得到濾餅，再將濾餅和發酵濾液按質量比為1:3混合後堆置在溫度為30℃的溫室中，靜置反應10天，待反應完成後，得到反應產物，用無水乙醇反覆衝洗20min後冷凍乾燥，即得高吸溼速率吸溼材料。
實例2
取蜂窩綿晾乾後放入粉碎機中粉碎25min，並過50目篩，收集過篩物得到天然海綿粉末，將蜂窩綿粉末用質量分數為20%的矽酸鈉溶液浸泡1h後取出，再次晾乾，得到預處理蜂窩綿粉末，按體積比為3:3:1將丙烯酸、質量分數為50%氫氧化鈉溶液以及質量分數為10%海藻酸鈉溶液裝入反應釜中混合，啟動攪拌器以150r/min的轉速在室溫下攪拌反應25min，得到預聚液，按質量比為1:1:10將預處理蜂窩綿粉末和質量分數為10%的丙烯醯胺溶液加入到預聚液中，攪拌混合均勻得到混合液，再向反應釜中加入混合液質量0.8%過硫酸鉀，加熱升溫至70℃，以250r/min轉速攪拌反應2h，過濾分離得到濾渣，即為吸溼材料粗品，按等質量比將大豆、山藥和蓮藕粉碎，得到混合粉碎物，將所得混合粉碎物平鋪在竹篩中，將竹篩放入溫度為35℃、空氣相對溼度為75%的大棚中，靜置6天直至混合粉碎物表面發黴，得到發黴混合粉碎物，再將發黴混合粉碎物和水按質量比為1:3混合後裝入發酵罐中，在35℃下密封發酵8天，發酵結束後過濾，分離得到發酵濾液，隨後將吸溼材料粗品和質量分數為20%胃蛋白酶溶液按質量比為1:10混合後放置在搖床上振蕩浸漬6h，浸漬結束後過濾分離得到濾餅，再將濾餅和發酵濾液按質量比為1:3混合後堆置在溫度為40℃的溫室中，靜置反應13天，待反應完成後，得到反應產物，用無水乙醇反覆衝洗25min後冷凍乾燥，即得高吸溼速率吸溼材料。
實例3
取絲綿晾乾後放入粉碎機中粉碎30min，並過50目篩，收集過篩物得到天然海綿粉末，將絲綿粉末用質量分數為20%的矽酸鈉溶液浸泡2h後取出，再次晾乾，得到預處理絲綿粉末，按體積比為3:3:1將丙烯酸、質量分數為50%氫氧化鈉溶液以及質量分數為10%海藻酸鈉溶液裝入反應釜中混合，啟動攪拌器以200r/min的轉速在室溫下攪拌反應30min，得到預聚液，按質量比為1:1:10將預處理絲綿粉末和質量分數為10%的丙烯醯胺溶液加入到預聚液中，攪拌混合均勻得到混合液，再向反應釜中加入混合液質量1.0%過硫酸鉀，加熱升溫至75℃，以300r/min轉速攪拌反應3h，過濾分離得到濾渣，即為吸溼材料粗品，按等質量比將大豆、山藥和蓮藕粉碎，得到混合粉碎物，將所得混合粉碎物平鋪在竹篩中，將竹篩放入溫度為40℃、空氣相對溼度為80%的大棚中，靜置7天直至混合粉碎物表面發黴，得到發黴混合粉碎物，再將發黴混合粉碎物和水按質量比為1:3混合後裝入發酵罐中，在40℃下密封發酵9天，發酵結束後過濾，分離得到發酵濾液，隨後將吸溼材料粗品和質量分數為20%胃蛋白酶溶液按質量比為1:10混合後放置在搖床上振蕩浸漬7h，浸漬結束後過濾分離得到濾餅，再將濾餅和發酵濾液按質量比為1:3混合後堆置在溫度為50℃的溫室中，靜置反應15天，待反應完成後，得到反應產物，用無水乙醇反覆衝洗30min後冷凍乾燥，即得高吸溼速率吸溼材料。
對比例：採用水溶液聚合法，以丙烯酸和丙烯醯胺為原料，以過硫酸鉀作引發劑，n,n'-亞甲基雙丙烯醯胺作交聯劑製得聚丙烯酸/丙烯醯胺高吸溼性樹脂。
對實例1～3製得的高吸溼速率吸溼材料與對比例的聚丙烯酸/丙烯醯胺高吸溼性樹脂進行性能檢測，其檢測結果如表1所示：
表1（測試環境：溫度25℃，相對溼度90%）
綜上所述，本發明製得的高吸溼速率吸溼材料具有較快的吸、放溼速率，同時吸溼容量較大，是一種理想的吸溼產品。