乙基纤维素醋酸乙烯酯乳液聚合制备可生物降解的肥料包膜材料.docx
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乙基纤维素醋酸乙烯酯乳液聚合制备可生物降解的肥料包膜材料
创新实验论文
乙基纤维素醋酸乙烯酯乳液聚合制备可生物降解的肥料包膜材料
——乳化剂用量的影响
小组成员：
指导老师：
廖水姣
摘要
包膜肥料是指通过特殊工艺在普通肥料表面包裹上一层半透性或不透性物质，从而减缓和控制肥料养分释放的一种缓（控）释肥料，又称包衣肥料、包膜肥料。
缓释肥料具有大幅提高肥料利用率，节省劳力，减少环境问题等优势，但也因价格的高昂、包膜材料难降解，使其实际应用受到限制，因此，开发价格低廉、环境友好的缓释肥料已成为世界化肥行业发展的主要趋势。
本文以乙基纤维素为原料，采用超声预乳化种子乳液聚合方法合成了乙基纤维素接枝丙烯酸丁酯/醋酸乙烯酯（EC/BA/VAC）乳液，考察了乳化剂用量对合成乳液各特性的影响，以及膜的性质来确定最佳合成条件。
结果表明，乳化剂的用量的增加使膜的性能先增强后减弱。
关键词
乳液聚合，缓释材料，乳液性质检测，膜性质检测
1前言
1.1背景介绍
我国是农业大国，用世界的7%的土地养活了22%的人口，但农业的发展却同时伴随着肥料资源的大量使用，加上目前土地中所施肥料几乎都是速溶化肥，不仅仅浪费巨大，同时还需要大量的劳动力，不符合可持续发展的理念。
因此，发展控释肥料势在必行。
缓释肥料作为一种新型肥料,能够保证农作物在整个生长期过程中都能吸收到丰富的营养,有利于农作物的正常生长,既提高了肥料的利用率,又不会造成环境污染。
缓释肥料良好的环境效应,将有可能成为21世纪的主要肥料。
本文采取乳液聚合的方法，研究合成一种可降解且可恰当的起到控释肥料作用的包膜材料，是因为乳液聚合的以下优点：
乳液聚合速率快且可得到高分子量的聚合物，聚合温度较低，体系黏度小，易于传热，主要以水为介质，环保安全，成本小，且制备的乳液可直接使用。
1.2技术路线
性能表征
乳胶膜的性能检测
2实验部分
2.1主要原料及仪器
原料：
醋酸乙烯酯（VAC），聚乙烯醇（PVA），十二烷基磺酸钠（SDS）， 辛基酚聚氧乙烯基醚（OP-10），去离子水，丙烯酸丁酯（BA）纤维素（EC），过二硫酸钾（KPS）。
仪器：
机械搅拌器两套，球形冷凝管两个，500ml四口烧瓶两个，100ml滴液漏斗两个，恒温水浴搅拌器两套，温度计，固定夹若干，天平，量筒，烧杯，表面皿，胶头滴管，玻璃棒，烘箱，NDJ-79型旋转粘度计
2.2实验步骤
2.2.1预乳液的制备
取定量的EC溶于BA/VAc混合溶液，混合均匀（油相），将其加入装有乳化剂（SDS/OP-10）水溶液的烧瓶中，用机械搅拌器剧烈搅拌2h，形成乳状液，再超声30min得预乳液。
2.2.2保护胶体PVA溶液以及引发剂溶液的制备
取聚乙烯醇（PVA）0.5g，去离子水20mL于三口烧瓶中，在90℃下恒温水浴，机械搅拌1h,可以溶解，制的PVA溶液。
取过二硫酸钾0.25g于50mL烧杯中，加去离子水10mL,用玻璃棒搅拌溶解。
2.2.3乳液聚合
将20-25mL的预乳液加入装有PVA溶液的三口烧瓶中，75℃恒温水浴，充分搅拌使其混合均匀，其余预乳液加入恒压滴液漏斗中，通入氮气，5min后用胶头滴管边搅拌边滴加2mL引发剂溶液，开始聚合，同时，开始滴加单体，控制60滴每分钟，之后，每隔30min滴加2mL引发剂，3h后，将温度升到85℃，搅拌1h。
冷却乳液，用纱布过滤得到乳液，并洗净过滤得到的凝胶。
乳液聚合各原料用量如表1.
2.2.4乳液特性测定
凝胶率测定
将凝胶烘干，称重，计算凝胶率：
固含量测定
取约2g聚合物乳液于表面皿中，真空干燥，称重，按下式计算固含量：
乳液粘度测定
本实验参考中华人民共和国国家标准GB/T2794-1995《胶粘剂粘度的测定》进行，乳液黏度采用旋转粘度计NDJ-79测量，测量使用第三单元测定器因子为0.1的转筒。
测试时等到旋转粘度计指针指示不变时读数，每个试样测定三次，取三次试样测试中最小一个读数，将读数按粘度计规定进行计算，以mPa·s为单位。
2.2.5乳胶膜的制备以及乳胶膜的耐水性测定
乳胶膜的制备：
将一定量的乳液倒入底部平整的圆形盘子里，使其铺展均匀，无明显气泡，置于室温下干燥一天，再将其于50℃真空干燥箱内干燥24h。
即可制得薄膜，将其从盘子边缘可缓慢揭下。
耐水性测试：
参照GB1034-70标准进行：
干燥薄膜，剪成3×3cm的薄片，称重，浸入25℃的蒸馏水并保持24h，取出，用滤纸吸干表面，再次称重，计算吸水率，每个样品取3块为一组，取平均值。
吸水率按下式计算：
3结果
表1乳液聚合原料用量
原料分组
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
EC/g
2.98
3.05
3.01
3.00
3.01
BA/ml
9.02
9.01
9.09
9.04
9.01
VAc/ml
20.34
20.29
20.32
20.28
20.31
SDS/g
0.21
0.42
0.49
0.10
0.30
OP-10/g
0.20
0.42
0.51
0.09
0.31
PVA/g
0.501
0.495
0.50
0.53
0.56
过硫酸铵/g
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
去离子水/mL
120
120
120
120
120
3.1乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液聚合稳定性的影响
表2乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液聚合凝胶率的影响
项目样品
SDS/OP-1用量/g
凝胶/g
凝胶率
/％
第四组
0.10/0.09
1.06
3.5
第一组
0.205/0.195
2.59
8.6
第五组
0.30/0.31
2.47
8.2
第二组
0.42/0.42
2.76
9.2
第三组
0.49/0.51
4.82
16.1
由表2知：
凝胶率的测定可以看出第三组凝胶率最大，第二组相对较大，即单体BA/VAc转化率较小，实验判断下最适乳液浓度SDS/OP-10为0.3：
0.31g。
3.2乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液固含量的影响
表3乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液固含量的影响
项目组别
SDS/OP-10用量
取样/g
烘干后/g
固含量/％
第四组
0.10/0.09
2.03
0.08
3.98
第一组
0.205/0.195
2.01
0.16
7.96
第五组
0.30/0.31
2.05
0.25
12.20
第二组
0.42/0.42
2.01
0.20
9.95
第三组
0.49/0.51
2.00
0.29
14.5
由表3可知，固含量的测量可以看出乳化剂的用量越大固含量越高，说明吸附性强。
3.3乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液黏度的影响
表4乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳液黏度的影响
组别项目
第四组
第一组
第五组
第二组
第三组
SDS/OP-10质量比
0.10/0.09
0.205/0.195
0.30/0.31
0.42/0.42
0.49/0.51
黏度/mPa·s
14.6
16.5
17.2
18.6
19.8
由表4可知，乳化剂的含量越大，对应的乳液黏度越大，最佳含量在0.3:
0.31g。
3.5乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳胶膜耐水性的影响
表5乳化剂SDS/OP-10不同用量对BA/VAc/EC乳胶膜耐水性的影响
项目组别
SDS/OP-10用量/g
膜重
/g
吸水后
/g
吸水量
/g
吸水率
/％
第四组
0.10/0.09
2.64
3.07
0.43
16.29
第一组
0.205/0.195
4.52
5.58
1.06
23.45
第五组
0.30/0.31
5.75
7.44
1.69
29.43
第二组
0.42/0.42
6.43
8.64
2.21
34.37
第三组
0.49/0.51
7.38
8.42
1.04
14.09
由表5中吸水性测量可以看出第三组吸水率远大于第一组说明耐水性随着乳化剂的用量先增大后又减小，综合来看第五组比较好。
4结论与展望
由上表的数据可以看出第五组较为合适，乳液浓度SDS/OP-100.3-0.3g，其单体转化率较高，黏度较合适，成膜的耐水性也相对可以。
聚合过程中当乳化剂含量太少时乳化剂分子不足以覆盖乳胶粒表面，导致大量的凝胶产生；此外乳化剂用量少会使形成的胶束数量少，最后乳胶粒会长得比较大，也容易凝聚导致凝胶率较大。
相反乳化剂增加，乳胶粒表面吸附的乳化剂量增多，乳液的粘度增大，稳定性增强，乳胶粒间凝聚作用就减小。
乳化剂用量越多，形成的胶束越多，能够捕获的自由基和单体就越多，形成的乳胶粒也更多，因此聚合能更快地进行，在相同时间里单体转化率更高。
乳胶粒数量增加使乳液黏度略有增大。
乳化剂属于亲水性化合物，含量太多会降低产品的耐水性，所以由理论分析和实验得到较为合适乳液浓度SDS/OP-100.3-0.3g。
参考资料
1.李月.（乙基）纤维素接枝改性制备缓释肥料的研究.硕士学生论文，2012.6
2.张臣，乳化剂对丙烯酸酯微乳液聚合的影响，上海涂料第48卷第4期
3.徐永祥高彦芳郭宝华谢续明，醋酸乙烯酯乳液聚合的研究发展，石油化工第33卷第9期
4.焦学瞬贺明波，《乳状液和乳化技术新应用》化学工业出版社，2006.6第1版
5.李的萍，许秀成，王好斌．国内外缓释/控释肥料标准概况．磷肥与复肥．2006，20：
41-43
6.李东坡，武志杰，梁成华，陈利军，张世强，王君山．丙烯酸树脂包膜尿素肥料研制及其控释效果．农业工程学报．2007，23：
218-224
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