聚合物改性玉米秸秆制备农用高吸水树脂及其形态结构研究

A biodegradable agricultural superabsorbent resin with higher content of corn straw is prepared through multiphase free radical polymerization process based on corn straw, acrylic acid and maleic acid. Gel Permeation Chromatography （GPC）, Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetic analysis (TGA), dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), scanning/ transmission electron microscopy (SEM/TEM) and X-ray diffraction (XRD are used as methods to analyze microstructure of macromolecular chains including chemical composition of structure unit, degree of polymerizationof of grafting chain; molecular motion of polymer, such as glass transition and glass transition temperature which provide a detailed about chain segment structure of polymer, chain segment motion, interactions among macromolecules; structure of molecular aggregation of polymers including morphology and structure of crystallization and amorphous phase, degree of crystallinity and melting point, arrangement of polymer chain; as well as microphase structure of multicomponent copolymer which includes phase continuity, phase separation and compatibility; morphologies of section and surface; polymer blend or copolymer; size, distribution and specific surface of microporosity in the polymer; and so on. The behaviors of swelling and degradation of resin and release profiles of nutrient from biuret phosphoramide fertilizer coated with resin is investigated, the largest water-holding ratio, water retention immersing in soil as well. The mechanism of swelling and the relationship between structure and properties are tried to investigate and clarify.

通过多相自由基聚合方法，以玉米秸秆为底物和丙烯酸、马来酸进行共聚，制备秸秆含量高、可生物降解的农用高吸水树脂。采用凝胶渗透色谱、傅里叶变换红外光谱、示差扫描量热、热失重、动态机械热分析技术以及扫描/透射电子显微镜和X射线衍射法剖析树脂的分子链结构，包括结构单元化学组成、侧链聚合物的聚合度；聚合物分子运动，如玻璃化转变及玻璃化转变温度（Tg），分析高分子链段结构、链段运动和聚合物分子链之间的作用力等；高分子聚集态结构，包括晶区和非晶区形态及结构，结晶度及结晶区熔点，大分子链的排列方式；多组分聚合物的微相结构，包括相连续性、相分离和相容性；断面及表面形态；共混与共聚；聚合物中微孔大小、分布和比表面等。考察树脂在不同水体系中的吸液溶胀行为，降解行为，以及树脂包膜聚磷酰胺铁复合肥在土壤中的保水性、最大持水率以及养分释放行为。力图探讨树脂的吸液溶胀机理，阐明树脂结构与性能之间的关系。

由于低毒性、亲水性、优异的生物相容性和可降解性能，利用农业秸秆制取功能材料吸引了越来越多的关注，例如环境友好型可降解纤维素接枝高吸水树脂。玉米是一种在全世界范围内广泛种植的重要经济作物，每年将产生大量的玉米秸秆（RMS）。然而，许多国家秸秆的再利用仅限于造纸、还田、乙醇和沼气以及动植物饲料，RMS并未得到充分的再利用。.本项目利用简易的自由基聚合方法，将丙烯酸（AA）与未经任何处理的RMS进行共聚合，得到RMS含量可达40%、蒸馏水中吸水倍数为663g/g、生理盐水中吸水倍数为61g/g的吸水树脂（RMS/PAA SAR）。FTIR、SEM、XRD考察了树脂的结构，表明由于AA的接枝共聚和原位自由基均聚合反应，形成了树脂的互接聚合物网络和海岛型相分离结构，PAA的介入导致秸秆结晶度下降，有利于提高树脂的亲水性。.树脂性能与水含量和水状态密切相关。DSC是树脂内部水状态研究的主要方法。然而，DSC测试树脂中吸附水的吸热峰仅出现在水含量足够大的情况下。本项目利用FTIR、TG和DSC研究了RMS/PAA SAR树脂中的水状态。根据水分子与聚合物网络之间作用力的大小，FTIR 将水划分成四种类型；而DSC无法检测的不可冻结键合水利用TG方法分析，随RMS含量从0到50%变化，不冻结键合水含量由0.05%增加到7.22%。.过去40年世界粮食产量获得了重要增加，而水和化肥是粮食增产的决定性因素。传统的施肥方法和不同的土壤条件，不仅导致30~70%的肥料养分流失，资源浪费，更造成严重的环境污染。高吸水树脂能吸附大量水分，已被广泛用作肥料包衣和载体材料，农业领域的应用研究已取得喜人成果。本项目以RMS/PAA聚合物为载体，采用共混然后加热交联的方法成功制备含氮11.65%（以N计）、磷14.21%（以P2O5计）和钾18.88%（以K2O计）、价格与NPK 12-14-19基本相当的缓释肥料（SRFRMS），沙土中释放第2天时，仅8.67% 的氮、7.21%的磷和 23.89%的钾释放出来，沙土保水性为20%，具有良好的缓释性和保水性。.采用低温交联方法，RMS/PAA SAR也可以用作种子被覆剂。RMS取代羧甲基纤维素，制备低成本、含水量达97.47%的固体水，可提升土壤湿度1~1.61个百分点，显著增加种子萌发率。