PMC-新型抗菌猫砂可行性报告

新型抗菌猫砂的制备

可行性报告

材料工程系

王启强、杨娟

2014.5.16

新型抗菌猫砂的制备

1、研究背景

宠物饲养在经济发达国家已经相当普及并受到广泛重视，即使在发展中国家和地区如中国，由于消费水平和经济能力的提高，饲养宠物也正在成为一种时尚并为越来越多的人所喜爱。随着宠物饲养的普及和人们对环境质量日益重视，对于如何能更好地解决饲养过程中宠物排泄物造成的环境污染问题，人们提出了更高的要求。

猫砂的一般定义为：用于宠物排泄物处理的材料，尤其是用于处理猫的排泄物的材料，也可叫做宠物垫料。有较好的吸水性，一般会与猫砂盆（或称猫厕所）一并使用，将适量的猫砂倒于猫砂盆内，受过训练的猫当需要排泄时便会走进猫砂盆内排泄于其上面；使用猫砂是猫的本能、多数猫能轻易学会使用猫砂。随着人们饲养宠物类别的不断增加，猫砂还广泛用于其他宠物饲养中排泄物的处理。

国内学者对猫砂进行研究的有很多，主要研究方向集中在聚团型粘土猫砂的制备和新型猫砂的研发上。最初的学者都集中研究膨润土猫砂的制备，但其工艺都相对简单，比较有代表性的是张兴华等人开发的颗粒膨润土生产方法，其生产步骤为：选择白色膨润土烘干或者晒干，按重量份每份白色膨润土中加入0.02~0.05 份的碳酸钠，放入雷蒙机中粉碎，粉碎成100~200 目细粉，再加入0.03~0.06 份的硅酸钠液体，加入0.3~0.6 份水，搅拌均匀，用挤压对辊机压成饼，进入干燥机烘干，使水分≤10%，然后进行筛分，将0.8mm~4mm 的颗粒包装即可。用该方法生产的颗粒膨润土吸水性好，色泽纯白，强度硬，结块性能好，杂质少，灰分低，可以用作猫砂使用，也可以用作防水、防渗材料。此外，吉林学者慕硕林也提出了利用九台膨润土生产宠物猫砂的方法，与张兴华专利中提到的方法差别不大，区别仅在于猫砂的成型设备采用螺旋挤压机加压挤出，并在转筒干燥机中干燥。

从市场的角度来看，虽然各种新型猫砂都有其各自的优点和适用范围，而且对环境保护和废弃物再利用有不小的贡献，但是其原料的来源和用户的需求决定了这些类型的猫砂生产规模都不会很大。随着社会经济的不断发展，城市的规模也将不断扩大，现代人养宠物已经成为一个趋势，而城市居住用地的缺乏就导致大多数的宠物需要和主人在一起生活，宠物猫砂是必不可少的一种宠物用品。如

此之大的需求和规模以及对猫砂性能的各方面要求综合考虑，天然粘土矿物猫砂，尤其是以膨润土为主要原料的宠物猫砂在未来很长一段时间还会是猫砂市场的主导产品，人们研究的重点主要放在了猫砂的吸水性和结团性以及猫砂原料的环保上，对猫砂的除臭性能并没有给予太多的关注。市场上虽然有很多猫砂提出有除臭性能，但效果都不是很理想。

2、研究意义及目的

猫砂作为一种环保的宠物用品，其需求量随着人们的生活水平提高不断增加。现在市场上常见的猫砂产品有很多种，但以膨润土为原料的猫砂产品仍然占据着猫砂市场的最大份额。现在市场上猫砂产品（膨润土猫砂）的应用指标一般要求为：外观为白色或灰色、彩色或复合彩色，产品含水率≤8%，容重＜0.8，粒度一般在0.5~4mm，吸水率＞340%，结团强度＞800g，崩坏率＜5%。

国内的膨润土猫砂产品，其吸水性能和结团性能已经有了很大的提高，与进口猫砂产品不相上下，但在除臭性方面却远远低于进口产品的指标，其性能一直没有得到改善和发展。

为了解决国内膨润土猫砂产品除臭性能不佳这一难题，本项目拟采用在猫砂配方中加入吸附氨氮性能优良的木质素磺酸盐，并预先对膨润土进行活化和改性处理。在此基础上，通过试验研究确定猫砂配方和各项造粒工艺参数，开发出一种新型的矿物猫砂，具有优良的吸水性、除臭性和结团能力，在各项性能指标上均能达到或者超过进口产品，使猫砂高端产品国有化，创造经济效益。

本项目从绵阳膨润土的矿物学研究开始入手，结合膨润土的特有性质，对绵阳当地膨润土进行改性和改型处理，并对其改性结果进行测试和表征。在此基础上，结合当地实际，利用改性后的膨润土作为原料制备宠物猫砂，开发一种新型的环保矿物型猫砂，该产品具有较好的吸水性、长效除臭性和环境效应。

3、技术路线

3.1实验流程

称取一定量的膨润土于三口瓶中，并加入丙烯酸溶液制成一定浓度的悬浮液，超声分散一定时间后加入木质素磺酸盐高速搅拌，调节pH值并置于恒温水浴锅中恒温搅拌，在氮气保护下加入适量引发剂，反应一定时间后加入交联剂搅拌反应，反应后期加入抗菌离子负载反应，冷却至室温，减压抽滤，在干燥箱中

烘干，研磨得到膨润土复合抗菌猫砂。

3.2主要试剂与设备

蒸馏水，木质素磺酸钠，硝酸铈盐，过硫酸钾，氢氧化钠，无水三氯化铝，硼酸，硫酸，碘化钾，碘化汞，酒石酸钾钠，氯化钠，硝酸银，氯化铵，碳酸钠，甲基橙，甲基红，乙醇，亚甲基蓝。

电子恒温水浴锅，永磁直流电动搅拌器电机，超声分散仪，恒温干燥箱，电子天平，三口烧瓶，烧杯，容量瓶，回流冷流管，温度计，标准检验筛，红外光谱仪，扫描电镜，原子吸收分光光度计，紫外分光光度计，热失重分析仪，X射线衍射仪。

中试设备：10L或者20L反应釜。

4 性能测试

1）XRD测试

采用X射线衍射（XRD）对蒙脱土、改性蒙脱土的相组成进行定性分析。蒙脱土有序的硅酸盐片层在是会出现相应的衍射峰，根据d001峰出现的位置利用Bragg方程可以计算出层间距。

2dsinθ=nλ

式中：θ为半衍射角；λ为入射X射线波长，λ=0.154nm；d为层间距。2）吸附能力测试

精确称取一定量的硝酸银溶液，用蒸馏水溶解后转入容量瓶定容，配制成待测离子浓度为20mg/L的溶液。加入一定量的样品，以200r/min振荡一定时间后，

过滤，滤液用原子吸收分光光度计测其吸光度，计算残余离子浓度。

去除率(%)00

100%C C C -=⨯ 吸附容量(mg/g)0()C C V m -=

式中：C 0—吸附前金属离子浓度（mg/L ）；C —吸附后金属离子浓度（mg/L ）；V —吸附溶液体积（mL ）；m —吸附剂质量。

3）结构测试

利用红外光谱法(FTIR)，对样品进行检测，通过一些键的吸收峰强度、位置的变化及新峰的出现，可以反映样品主要官能团，判断有关单体是否发生了聚合反应或变化。

4）氨氮吸附测试

气相色谱仪测试试样对氨气的吸附能力。

5）吸水倍率

称取一定质量的样品于150ml 烧杯中，分别加入足量的去离子水，静置，吸水24H 后用120目(孔径Φ=0.125mm ）标准网筛过滤，使吸水凝胶在筛网上静置10min 至无自由水滴下，然后称取吸水凝胶的质量，按下式计算吸水倍率： ()112/W W W g g Q -=⎪⎭

⎫ ⎝⎛ 式中：Q ——吸水倍率；1W ——干燥树脂的质量；2W ——水凝胶质量；

6）吸水速率

称取一定质量的样品于150ml 烧杯中，加入适量的去离子水，在室温下（约22℃）、常压下，每间隔30min ，用120目标准网筛过滤，使吸水凝胶在筛网上静置10min 至无自由水滴下，然后称取样品的质量，用吸水倍率与吸水时间作图，根据曲线的斜率可以反映样品的吸水速率。

7）热重分析

热重(TG)分析可以准确地测定样品在受热时的质量变化及变化速率，评定其热稳定性和耐热性能。

8）扫描电镜分析

利用扫描电镜(SEM)对材料的微结构进行分析，观察样品的微观结构变化。