专利名称：一种木质纤维吸水材料及其制造方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种木质纤维吸水材料及其制造方法。
背景技术：
经过几十年的发展，高分子吸水性材料已广泛应用于许多领域。在农林方面，土壤 中混入一定的吸湿保水材料，不论土壤干旱缺水或水分过多，都能保持土壤中的有效湿度， 促进作物生长；在工业领域，可用作光纤电缆、建筑混凝土及石油管道运输中的吸水防漏密 封材料。然而，高分子吸水性材料至今仍由难以生物降解和日益枯竭的天然油脂和石油制 造而成，严重制约了吸水材料的发展。寻找一种可再生、来源广泛、价格低廉的原材料制造 吸水性材料成为了当务之急。
发明内容
本发明的目的是克服现有高分子吸水性材料技术的不足，提供一种可生物降解的 绿色环保木质纤维吸水材料。本发明的另一个目的是提供所述木质纤维吸水材料的制备方法。本发明的目的通过以下技术方案予以实现提供一种木质纤维吸水材料，是以天然木纤维为主要原料，通过引发剂引发天然 木纤维接枝丙烯酸(AA)单体制备得到，获得一种可生物降解的绿色环保吸水纤维材料，所 述引发剂为高锰酸钾(KMnO4)和浓硫酸(H2SO4)15本发明提供了所述木质纤维吸水材料的制造方法，包括以下步骤(1)木纤维前处理将木纤维原料经热水抽提后抽滤并洗涤，干燥至绝干得绝干 木纤维；(2)接枝共聚将步骤(1)制得的绝干木纤维和水混合后，在60 70°C条件和氮 气保护下，加入引发剂和丙烯酸单体，搅拌反应，分离木纤维接枝共聚物并干燥至绝干即得 所述木质纤维吸水材料。步骤(1)所述木纤维原料优选由枝桠材及木材加工剩余物通过纤维分离制取得 到的木纤维，也可以采用本领域常规使用的木纤维。木纤维和水的质量比为1 50 200， 优选1 100;将木纤维和水混合后，煮沸1 3h，优选3h，然后抽滤并用水洗涤，去除木纤 维中的热水抽提物；上述抽提、抽滤以及用水洗涤的工序重复2 3次直到洗涤水为淡色， 然后再干燥至绝干，得到绝干木纤维；步骤(2)所述绝干木纤维和水的质量比为1 50 200，优选1 100 ；所述引发剂为KMnO4和H2S04。KMnO4的加入量按照使反应体系中KMnO4的浓度达到 12 20mmol/L来确定，而H2SO4的加入量按照为使反应体系H2SO4的浓度达到10 25mmol/ L来确定。丙烯酸(AA)单体加入量按照所述绝干木纤维和丙烯酸单体的质量比为2 1 18来确定；步骤(2)所述搅拌反应时间为40 240min。优选地，步骤(1)也可以将所述绝干木纤维再用适量化学试剂活化处理，然后干 燥至绝干。所述化学试剂可选用质量浓度为20%的NaOH溶液，按浴比1 50，温度68 士 1°C 下进行浸渍处理，优选处理时间为2h ；或可选用混合活化处理剂浸渍处理，优选处理时间 为2h，所述混合活化处理剂液氨-丙酮或乙二胺(EDA)-丙酮，按浴比1 2浸渍处理；也 可用水_丙酮，其中先用浴比1 100的水煮沸2h后干燥，然后用无水丙酮，按浴比1 2 搅拌和置换2 5次；也可用苯-乙醇-浓硝酸，其中先用苯_乙醇混合液抽提木纤维，然 后按浴比12浓硝酸浸渍。经过本发明优选方案经浸渍处理后可有效提高木纤维的活性 表面积。优选地，步骤(2)加入引发剂和丙烯酸(AA)单体后还可以再加入适量的交联剂， 所述交联剂优选双丙烯酰胺，双丙烯酰胺的用量是单体质量的0. 1 0. 2%，保证提高木纤 维接枝共聚物的结构稳定性。采用上述方法制备得到的木质纤维吸水材料，因其优良的性能，除能替代石油制 造的高分子吸水性材料外，还可以采用现有常规技术，通过与塑料薄膜或人造皮革等复合， 进一步生产满足工农业生产需要的功能性复合塑料和皮革，所述功能性复合塑料和皮革一 面具耐水和隔水性能，另一面具吸水和保水性能。本发明的有益效果是(1)本发明采用了可再生的，容易获取的木质纤维为原料，制备得到的木质纤维吸 水材料是一种绿色环保及可生物降解的吸水材料，木纤维的活性表面积和结构稳定性得到 很好的改善，与聚丙烯酸钠相比较，其吸水及保水性能好，吸水倍率可高达64g/g，可实现在 60°C温度下，5h的保水倍率仍大于84%或者达到最大吸水倍率的时间大大减少。(2)本发明的木质纤维吸水材料可与塑料薄膜或人造皮革等材料复合，不需添加 胶黏剂就可进一步生产出功能性复合塑料和皮革，所述功能性复合塑料和皮革一面具有吸 水、保水性能，另一面却有耐水和隔水性能的复合塑料和皮革。(3)本发明方法简单易行，成本低，环保，具有实用的工业推广价值。
图1本发明的木质纤维吸水材料实物2本发明的木质纤维吸水材料吸水后实物3本发明未加交联剂木质纤维吸水材料放大800倍的SEM微观形貌图4本发明添加交联剂木质纤维吸水材料放大800倍的SEM微观形貌
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，根据本 发明设计思想，同类物质的简单替代应属于本发明的范围。下述实施例中所使用的实验方 法如无特殊说明，均为本技术领域现有常规方法；所述木纤维原料优选由枝桠材及木材加 工剩余物通过纤维分离制取得到的木纤维，也可以采用本领域常规使用的木纤维；其他所 使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为可从商业途径得到的试剂和材料。本发明的木质纤维吸水材料干燥状态和吸水后状态分别见附图1和附图2所示。实施例1将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。将上述绝干木纤维先用浴比1 100的水煮沸2h后干燥，然后用液氨-丙酮混合 活化处理剂，按浴比1 2搅拌和置换3次，干燥至绝干；按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在65°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引发剂 KMnO4和H2SO4,使KMnO4浓度达到15mmol/L，H2SO4浓度达到18mmol/L，搅拌反应240分钟， 用水洗涤后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共聚的聚丙烯酸木质纤维吸 水材料)。聚合物的含量为64. 95%。实施例2将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。将上述绝干木纤维先用浴比1 100的水煮沸2h后干燥，然后用质量浓度为20% 的NaOH溶液，按浴比1 50，下温度68士 1°C进行浸渍活化处理2h后，干燥至绝干；按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在65°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引发剂 KMnO4和H2SO4,使KMnO4浓度达到15mmol/L，H2SO4浓度达到18mmol/L，搅拌反应240分钟， 用水洗涤后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共聚的聚丙烯酸木质纤维吸 水材料)。聚合物的含量为50. 32%。实施例3将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在65°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 5加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引发剂 KMnO4和H2SO4,使KMnO4浓度达到20mmol/L，H2SO4浓度达到20mmol/L，搅拌反应240分钟， 用水洗涤后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共聚的聚丙烯酸木质纤维吸 水材料)。聚合物的含量为27. 58%。实施例4将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在60°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，并先后加入引发 剂KMnO4和H2SO4,使KMnO4和H2SO4浓度均达到20mmol/L，搅拌反应240min，用水洗涤后干 燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共聚的聚丙烯酸木质纤维吸水材料)。测得 聚合物的含量为33. 10%。对本实施例4制备的木质纤维吸水材料进行吸水倍率、耐温性、保水性、抗电解质 能力、吸水速率测试。本实施例制得的木质纤维吸水材料吸水倍率达37g/g，160°C下不易分解，其热稳定性良好，在60°C下，5h的保水倍率小于47%，在1. 4%的氯化钠(NaCl)溶液中 仍有5倍的吸液倍数，且30min就可以达到最大吸水倍率。实施例5将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。将上述绝干木纤维先用体积比1 1的苯-乙醇混合液抽提lh，然后再用浴比 1 2浓硝酸浸渍Ih后，干燥至绝干；按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在60°C的温度和氮气保护下，按 照绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引 发剂KMnO4和H2SO4,使KMnO4和H2SO4浓度均达到20mmol/L，搅拌反应240分钟，用水洗涤 后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共聚的聚丙烯酸木质纤维吸水材料)。 聚合物的含量为68. 84%。对本实施例5制备的木质纤维吸水材料，进行吸水倍率、耐温性、保水性、抗电解 质能力、吸水速率测试。其吸水倍率可达53g/g，160°C下不易分解，其热稳定性良好，在 60°C下，5h的保水倍率小于47%，在1. 4%的NaCl溶液中仍有7倍的吸液倍数，且20min就 可以达到最大吸水倍率。实施例6将45目的木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤， 重复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。将上述绝干木纤维先用体积比1 1的苯-乙醇混合液抽提lh，然后再用浴比 1 2浓硝酸浸渍Ih后，干燥至绝干；按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在60°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引发 剂KMnO4和H2SO4,使KMnO4和H2SO4浓度均达到20mmol/L，加入NaOH，使反应系统中和度为 80%，搅拌反应240分钟，用水洗涤后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(即接枝共 聚的聚丙烯酸木质纤维吸水材料)，见附图3。聚合物的含量为68. 84%。对实施例6制备的木质纤维吸水材料，进行吸水倍率、耐温性、保水性、抗电解质 能力、吸水速率测试。其吸水倍率可达64g/g，160°C下不易分解，其热稳定性良好，在60°C 下，5h的保水倍率小于47%，在1. 4%的NaCl溶液中仍有7倍的吸液倍数，且15min就可以 达到最大吸水倍率，达到最大吸水倍率的时间大大减少。实施例7将45目木纤维和水，按照质量比1 100混合，煮沸3h，然后抽滤并用水洗涤，重 复此步骤3次后，将此工序处理后的木纤维干燥至绝干，得绝干木纤维。将上述绝干木纤维先用体积比1 1的苯-乙醇混合液抽提lh，然后再用浴比 1 2浓硝酸浸渍Ih后，干燥至绝干；按照绝干木纤维和水的质量比为1 100混合，在60°C的温度和氮气保护下，按照 绝干木纤维和丙烯酸(AA)单体的质量比为1 7加入丙烯酸(AA)单体，再先后加入引发 剂KMnO4和H2SO4,使KMnO4和H2SO4浓度均达到20mmol/L，加入交联剂双丙烯酰胺，双丙烯酰 胺的用量是水质量的0. 1%，然后再加入NaOH，使反应系统中和度为80%，搅拌反应240分钟，用水洗涤后干燥至绝干，制得所述木质纤维吸水材料(接枝共聚的聚丙烯酸(PAA)木质 纤维吸水材料)，见附图4所示。聚合物的含量为68. 84%。 对实施例7制备的木质纤维吸水材料，进行吸水倍率、耐温性、保水性、抗电解质 能力、吸水速率测试。其吸水倍率可达64g/g，160°C下不易分解，其热稳定性良好，在60°C 下，5h的保水倍率大于84%，在1. 4%的NaCl溶液中仍有10倍的吸液倍数，且15min就可 以达到最大吸水倍率，达到最大吸水倍率的时间大大减少。
权利要求
一种木质纤维吸水材料，其特征在于是以木纤维为原料，通过引发剂引发木纤维接枝丙烯酸(AA)单体制备得到；所述引发剂为KMnO4和H2SO4。
2.一种木质纤维吸水材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)木纤维前处理将木纤维原料用水热抽提，抽滤并洗涤，干燥至绝干得绝干木纤维；(2)接枝共聚将步骤(1)制得的绝干木纤维和水混合后，在60 70°C条件和氮气 保护下，加入引发剂和丙烯酸单体，搅拌反应，洗涤后干燥至绝干即得所述木质纤维吸水材 料。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于步骤(1)所述木纤维原料和水的质量 比为1 50 200，优选1 100;所述抽提时间为1 3小时，优选3小时。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于步骤(2)所述绝干木纤维和水的质 量比为1 50 200，优选1 100 ；所述绝干木纤维和丙烯酸单体的质量比为2 1 1 8，优选 1 7。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于步骤⑵所述引发剂为KMnOjPH2SO4 ； 所述KMnO4的加入量按照为使反应体系中KMnO4的浓度达到12 20mmol/L确定；所述H2SO4 加入量按照为使反应体系H2SO4的浓度达到10 25mmol/L确定。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于步骤(2)所述搅拌反应时间为40 240分钟。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于在步骤(1)和步骤(2)之间还包括将 所述绝干木纤维用化学试剂活化处理后干燥至绝干的步骤；所述化学试剂为20% NaOH溶 液或水_丙酮或氨水_丙酮或EDA-丙酮或苯-乙醇-浓硝酸。
8.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于步骤(2)引发剂和丙烯酸单体后还加 入交联剂；所述交联剂优选双丙烯酰胺。
9.权利要求2 8任一项制造方法制备得到的木质纤维吸水材料。
10.权利要求9所述木质纤维吸水材料的应用，其特征在于应用于制备土壤吸湿保水 材料或光纤电缆、建筑混凝土中吸水防漏密封材料或应用于与塑料薄膜或人造皮革复合制 备得到功能性的塑料薄膜或人造皮革。
全文摘要
本发明公开了一种木质纤维吸水材料及其制造方法。本发明所述木质纤维吸水材料是以木纤维为原料，通过引发剂KMnO4和H2SO4引发木纤维接枝丙烯酸(AA)单体制备得到。本发明采用了可再生的，容易获取的木质纤维为原料，制备得到的木质纤维吸水材料是一种绿色环保及可生物降解的吸水材料，与聚丙烯酸钠相比较，其吸水及保水性能好，吸水倍率可高达64g/g，可实现在60℃温度下，5h的保水倍率仍大于84％或者达到最大吸水倍率的时间大大减少；还可与塑料薄膜或人造皮革等材料复合，不需添加胶黏剂就可进一步生产出功能性复合塑料和皮革，所述功能性复合塑料和皮革一面具有吸水、保水性能，另一面却有耐水和隔水性能的复合塑料和皮革。
文档编号C09K17/32GK101962428SQ20101029744
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者周金亮, 庄雪影, 王贤彬, 袁纳新 申请人:华南农业大学