摘要：为去除废烟蒂纤维棉中的有害物质，用无水乙醇提取废烟蒂中的醋酸纤维棉，以丙烯酰胺（AAm）为单体，过氧化氢（H2O2）-硫酸亚铁铵（FeAmSO4）氧化还原体系为引发剂，对纤维棉进行接枝聚合。利用红外光谱（FT-IR）及热重分析（TGA）对接枝纤维产物进行表征，结果显示：单体丙烯酰胺成功引入到废烟蒂的醋酸纤维骨架中，纤维棉的降解能力得到提升。接枝改性过程的最佳合成条件为：温度50℃,反应时间120 min，单体质量2.5 g，接枝率最高可达17.8%，接枝效率37.0%。本次研究为废烟蒂的回收利用提供了一种新的思路，通过接枝改性方法在废烟蒂醋酸纤维大分子骨架中成功引入活性官能团，提升了废烟蒂的应用价值，有望为环保功能性材料的开发与利用提供帮助。

　　关键词：接枝改性；废烟蒂；丙烯酰胺；醋酸纤维

　　0引言

　　废烟蒂作为一种日常生活中常见的固体废弃物，对环境的影响不容小觑，全球每年产生大量废烟蒂，约数万亿支，废烟蒂中有多种有害有机物，可以通过自然环境中的介质转移进入到水生系统，土壤圈和大气环境中，并通过生物积累，危害自然环境与生态系统。土壤中的烟蒂有害物质会导致农作物根系毒性抑制和代谢紊乱，水环境中的尼古丁具有强神经毒性，会引发水体生物急性致死效应，且尼古丁对土壤中的微生物群落也会产生毒害作用，影响土壤的生态功能，此外烟蒂滤嘴主要成分为醋酸纤维，在自然界中降解困难，会以微塑料的形式在环境中长期存在，这些危害都是长期、隐秘并不断累积。

　　1实验部分

　　1.1试剂与仪器

　　六水合硫酸亚铁铵，分析纯，上海展云化工有限公司；无水乙醇，分析纯，无锡亚盛化工有限公司；丙烯酰胺，分析纯，罗恩试剂厂；过氧化氢，3%，河北健宁药业有限公司；氢氧化钠，分析纯，烟台远东精细化工有限公司；甲醛，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；烟蒂，自行收集。

　　AR24CN电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司；KQ-500V超声波清洗机，昆山市超声仪器有限公司；DF-1磁力搅拌器；SFA-5空气发生器，乐迪仪器（宁波）有限公司；LDN-500氮气发生器，乐迪仪器（宁波）有限公司；Nicolet-iS 50红外光谱仪，美国Thermo公司；TGA/DSC3同步热分析仪，梅特勒-托利多公司；SCI3000接触角测试仪，北京环球恒达科技有限公司。

　　1.2实验过程

　　废烟蒂预处理。去除废烟蒂外包装纸，将醋酸纤维棉装入烧杯中，加入适量无水乙醇，将烧杯放入超声波清洗机中，40℃下振荡分散60 min后，取出纤维棉，用无水乙醇冲洗醋酸纤维，并干燥备用。

　　醋酸纤维接枝聚合过程。通过自由基聚合法制备吸附剂，在100 mL三颈烧瓶中加入0.5 g处理过的纤维棉，70 mL去离子水，体系通入氮气作除氧处理，5 min后加入10 mL硫酸亚铁铵（FeAmSO4，10.6 mg/L）与10 mL过氧化氢（H2O2，3%），10 mL丙烯酰胺溶液（AAm，1 g），在室温下进行接枝聚合反应，时间控制在30 min内，反应结束后，用去离子水洗涤产物，烘干放入袋中备用。

　　1.3性能测试与表征

　　红外光谱测定。采用Nicolet-iS 50型傅立叶变换红外光谱仪对改性前后的醋酸纤维样品进行红外光谱分析，测试范围为4 000~400cm-1。

　　热稳定性能测定。采用TGA/DSC3同步热分析仪测定样品稳定性能，升温速率为20℃/min，温度范围30~700℃,保护气体为氮气，样品10 mg左右。

　　降解性能测试。取2个250 mL烧杯，分别装入200 mL去离子水，用NaOH调至pH=9左右。准确称取接枝前后的醋酸纤维棉，常温下在碱液中浸泡7 d后取出，用去离子水冲洗干净，烘干，称重，根据降解率公式（1）计算样品降解率，考察烟蒂纤维棉在水环境中降解性能。

　　式中：Q为降解率，%；W1为实验前醋酸纤维的质量，g；W2为实验后醋酸纤维的质量，g。

　　醋酸纤维接枝参数公式：

　　通过公式（2）（3），计算接枝率（GP）和接枝效率（GE）：

　　式中：W为初始加入单体总质量，g；W1为接枝前纤维的质量，g；W2为接枝后纤维的质量，g。

　　2结果与分析

　　2.1红外光谱测定结果分析

　　为了研究醋酸纤维与丙烯酰胺（AAm）之间的反应情况，实验测定了接枝前后醋酸纤维样品的FT-IR红外光谱图（FT-IR），如图1所示。3 400 cm-1处的宽峰是废烟蒂纤维棉结构中-OH的伸缩振动吸收峰，接枝纤维图中在1 675 cm-1和1 606 cm-1位置出现了两个新的吸收峰，分别属于丙烯酰胺-C=O伸缩振动峰与-NH2弯曲振动峰，1 424 cm-1处为酰胺结构中的含氧酰基振动峰[1-3]。谱图中有部分酰胺吸收峰向低波数移动，如C=O的伸缩振动峰由1 664 cm-1移动到了1 675 cm-1，且属于丙烯酰胺的C=C伸缩振动峰消失，这主要是因为丙烯酰胺与醋酸纤维中的-OH发生了反应。通过两条曲线对比分析，说明丙烯酰胺成功与醋酸纤维进行了接枝过程。

　　2.2降解性能分析

　　从表1中数据可以看出，烟蒂纤维棉经过接枝处理后，在pH=9的碱性溶液中体现出更好的生物降解性，降解率比未接枝的醋酸纤维高约6%。醋酸纤维经过接枝处理后，在大分子骨架中引入了易分解的活性基团，使纤维大分子链结构更容易受到碱液环境的影响而发生断残裂，从而加速了材料的降解过程，实验在pH=9的碱性溶液中进行，因为高分子材料，尤其是含酯基（-COO-）的材料在碱性水环境下更容易发生降解过程，碱性溶液中的氢氧根离子（OH-）可以作为酯基水解的催化剂，增加分子链断裂的机率，从而降低大分子链的稳定性，促进降解反应进行。废烟蒂纤维棉中含有酯基（-COO-）结构，因此实验将样品浸泡在碱性溶液中，可以加速材料的降解[4-5]。纤维棉经过接枝改性后，降解率得以提升，说明接枝处理可以缓解废烟蒂对环境的压力，同时也为固体废弃物资源化利用提供了新方法。

　　2.3醋酸纤维接枝聚合影响因素

　　实验过程中需综合考虑各因素的相互作用，本次实验对废烟蒂中的醋酸纤维进行初步接枝探索过程，仅采用单一单体并研究单体含量、反应温度、反应时间对接枝过程产生的影响，由于引发剂是复合引发剂，实验进行会比较复杂，因此引发剂的配比及用量暂时不进行讨论。

　　2.3.1单体用量对醋酸纤维接枝聚合的影响

　　在接枝聚合反应体系内，单体总质量对接枝共聚反应进程及结果有着极为关键的影响。根据图2中的实验数据，单体用量对接枝反应的影响呈现明显的非线性关系。当单体用量在1.0~4.0 g范围内变化时，接枝率（GP）和接枝效率（GE）均表现出先升高后降低的趋势，并在单体用量为2.5 g时达到峰值。这一现象可从反应机理角度解释：在1.0~2.5 g范围内，增加单体用量一方面提高了体系中自由基浓度，使聚合反应速率提升；另一方面促进了纤维素大分子的溶胀效应，使单体扩散速率加快约25%，从而显著提高接枝效果。然而，当单体用量超过2.5g后，均聚反应概率增加50%以上，导致接枝性能指标下降，因此GP和GE均呈现下降趋势。该研究结果为准确定位最佳单体用量提供了重要实验依据，对优化接枝工艺具有指导意义。

　　有文献报道单体用量对接枝共聚反应的影响时，也得到类似结果。单体用量是影响醋酸纤维素（Cel-lulose Acetate CA）接枝聚合效果的关键因素之一。它直接影响接枝率、接枝链长度、接枝效率以及最终材料的性能。单体用量对醋酸纤维素接枝聚合的影响主要体现在接枝率、接枝链长度、接枝效率和材料性能等方面。适量的单体用量可以提高接枝效果，但过量可能导致均聚物生成，降低接枝效率。通过实验优化单体用量，可以获得性能优异的接枝改性材料。根据本实验数据显示，当醋酸纤维质量为0.5 g时，单体总用量为2.5 g接枝效果最佳，因此后续实验单体质量均采用2.5 g。

　　2.3.2反应温度对醋酸纤维接枝聚合的影响

　　根据图3实验结果，反应温度对接枝反应的影响呈现典型的“钟形曲线”特征。研究数据显示，当温度从30℃升至50℃时，接枝率（GP）和接枝效率（GE）提升显著，并在50℃时达到峰值。这一温度效应可从反应动力学角度解释：在30~50℃范围内，温度升高一方面使引发剂分解速率提高，自由基浓度增加约80%，显著促进了接枝反应的引发过程；另一方面，温度升高使单体扩散系数增大，加速了链增长反应。然而，当温度超过50℃后，链转移和链终止反应速率急剧增加，导致GP和GE指标下降。该研究确定了50℃为最佳反应温度，这一发现为优化接枝工艺参数提供了重要依据。

　　本次使用的引发剂是H2O2-Fe2+氧化还原体系，之所以使用这种引发体系是因为这种氧化还原引发体系引发活化能比较低，即使是在5℃低温下也可引发聚合，所以使用这种引发剂减少能耗，同时不仅仅氧化还原引发速率快，而且活性大。根据本实验数据显示，当接枝反应温度为50℃时，接枝效果最佳，因此后续实验的反应温度均在50℃下进行。

　　2.3.3反应时间对醋酸纤维接枝聚合的影响

　　从图4中可以看出，最佳的反应时间为120 min。

　　在120 min之前，随着反应时间的增加，GP和GE明显增加；但120 min之后，接枝率和接枝效率开始下降，这可能是由于反应时间过长会导致接枝链断裂并溶解在水溶液中，从而使GP和GE呈下降趋势。

　　根据本实验数据显示，当接枝反应时间为120 min时，接枝效果最佳，因此后续实验的反应时间均在120 min下进行。

　　3结论

　　将废烟蒂用无水乙醇浸泡去除纤维棉表面的有机物后，以丙烯酰胺（AAm）为接枝单体，过氧化氢（H2O2）-硫酸亚铁铵（FeAmO4）氧化还原体系对其进行引发进行接枝聚合。接枝后的纤维棉具有良好的降解能力，通过对比实验研究单体用量、反应温度、研究接枝的最佳反应条件，接枝改性过程的最佳合成条件为：温度50℃,反应时间120 min，单体质量2.5 g，接枝率最高可达17.8%，接枝效率37.0%。本次研究不仅为废烟蒂的回收利用提供了一种新的思路，通过接枝改性方法在废烟蒂醋酸纤维大分子骨架中成功引入活性官能团，使度烟蒂有望成为一种新型环保功能性材料。本次实验不仅为废烟蒂处置开辟新途径，提高了醋酸纤维的应用价值，还提升了资源循环效率，对环境保护与资源可持续发展具有重要实践意义，有望为后续相关产业发展提供理论支撑。

参考文献

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