秸秆辐射接枝醋酸乙烯酯改善其流变性能的研究

Application of straw based materials in agricultural is beneficial to deal with straw. The degraded straw can maintain soil fertility, reduce further dependency on petroleum. However, the rheological properties of straw is poor because of the three dimensional network formed by cellulose, hemicellulose, lignin, and the intermolecular and intramolecular interaction among cellulose, hemicellulose and lignin. The rheological properties of straw is the key factor in material utilization of the untreated straw. The previous experiments have shown that the rheological properties can be improved by radiation grafting of vinyl acetate onto straw. The grafted poly(vinyl acetate) possess flexible molecular chain, which is nontoxic and harmless. In this project, the vinyl acetate is grafted onto rice straw through simultaneous radiation. The effect of grafting condition on the straw and the grafted poly(vinyl acetate) is revealed; the effect of grafted straw on the rheological properties is analyzed; the relevance between grafted straw structure and straw rheological properties is clarified. Then, the mechanism of the rheological properties improved by grafted vinyl acetate is illuminated. The theoretical basis is provided for the development of straw-based materials, which is necessary for the comprehensive utilization of crop straw, improvement and protection of eco-environment, development of modern agriculture.

以秸秆为原料制备农用材料，不仅能有效消纳秸秆，而且减少对石油基资源的依赖。但是，秸秆中纤维素、半纤维素、木质素所构成的三维空间网状结构以及分子间和分子内强烈的氢键、范德华力等相互作用力，造成了秸秆原料流变性能差，而秸秆流变性能又是实现秸秆材料化利用的关键因素。前期试验表明，水稻秸秆辐射接枝具有柔软分子链段、无毒、无害的醋酸乙烯酯后，其流变性能得到了显著改善。本项目将以水稻秸秆为原料，通过60Coγ辐射接枝醋酸乙烯酯，阐明辐射接枝条件对接枝的聚醋酸乙烯酯和秸秆本身的物理和化学结构影响的内在规律；解析接枝的聚醋酸乙烯酯对秸秆流变性的影响规律；开展接枝秸秆秸秆结构变化与流变性能的相关性研究，进而阐明辐射接枝醋酸乙烯酯对秸秆流变性的影响机制。该项目的实施，将为开发秸秆基可降解农用材料提供理论基础，对综合利用秸秆资源、改善和保护环境、促进现代农业发展十分必要。

我国秸秆的材料化利用量仅占秸秆总产量的3%左右。其中一个重要的制约因素是秸秆材料本身的流变性能差。流变性能能够为秸秆材料的材料设计、配方设计、工艺设计提供基础数据，本研究中秸秆接枝醋酸乙烯酯为秸秆流变性能的提高提供了一种方法。. 秸秆辐照后（100kGy）在3335cm-1左右的吸收峰明显增强，辐照后101和002晶面的峰强度略有降低，峰形变宽。这表明在100kGy的辐照剂量下能够破坏纤维素的结晶结构，降低其结晶度。在总吸收剂量为20kGy，以2kGy·h-1的吸收剂量率辐照处理10h的情况下，秸秆辐射接枝醋酸乙烯酯的接枝率可达38%。秸秆在16.7o和22.8o处有两个结晶峰，属于纤维素101和002晶面的特征峰。接枝后16.7o处的峰强度有所降低，说明辐照接枝影响了纤维素的晶体结构。通过差示扫描量热分析得出辐照后的秸秆的起始分解温度和吸热峰温度明显下降，同时ΔH明显下降。接枝后秸秆有较高的起始分解温度和吸热峰温度，说明接枝的聚醋酸乙烯酯分子链限制了秸秆分子链段的运动。热稳定性分析表明，原秸秆、辐照秸秆、接枝的秸秆和聚醋酸乙烯酯的最大热分解温度分别是336.1，334.0，362.8和348.5oC。辐照后的最大热分解温度下降，说明辐射破坏了秸秆的分子链。辐照后的秸秆表面凹凸不平，有破坏的孔洞产生，说明辐照后增加了秸秆的比表面积，接枝后的秸秆表面由于有醋酸乙烯酯，所以相对平滑。. 接枝后的样品的最大转矩、平衡转矩、平衡时间分别是3.95N·m、0.51 N·m 、52s。接枝后秸秆的最大转矩和平衡转矩均增大，平衡时间减少，这说明接枝后秸秆间的作用力增强，秸秆的流变性得到提高，改善了秸秆的加工性能。接枝秸秆/聚乙烯复合材料的抗张强度、断裂伸长率、弹性模量、弯曲强度、弯曲模量分别提高了36.52%，65.86%，52.38%，31.74%和36.78%。并且接枝率越高，对抗张强度等性能提高的越大。辐照过程不仅能够接枝醋酸乙烯酯，也能够降低极性，破坏秸秆的多孔结构，增大比表面积，提高与聚乙烯的接触面积，从而增强复合材料的性能。在接枝率为25.1%时，能够最大程度上提高秸秆基复合材料的塑性和加工性能。