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可降解吸水剂
可降解吸水剂
高吸水材料可定义为一种不溶性的亲水性高聚物,是一种新型的功能高分子材料,结构为经适度交联的三维网络,它能吸收自身重量10~1 000倍的水、盐水和生理液,且保水性好。高吸水材料自问世以来,在原料、种类、制造方法、性能和应用领域等方面都得到了长足的发展,但对其生物降解性的研究直到20世纪90年代才见有报导。目前,高吸水性材料按原料来源可分为三类:淀粉系列、纤维素系列和合成系列。前两类是以淀粉或纤维素为底物,接枝共聚亲水性或水解后有亲水性的单体;后一类多是丙烯酸盐交联制得。工业化生产多以合成系列为主,因为反应易于实现且吸水率较高,但此法制得的材料残留丙烯酸,不利于人体健康,且不易被生物降解,属于非环境友好材料;淀粉接枝共聚生产的高吸水性材料吸水和保水率高,也已用于工业化生产,由于纤维素来源广泛,有降低成本、废物资源化和成为环境友好材料的潜力。随着人们环保意识的增强,生物可降解高分子材料的开发和应用已日益受到政府、企业和科研机构的重视,国内外已有不少研究机构做了这方面的工作。
1高吸水材料的发展历程
高吸水材料是本世纪60年代末才发展起来的新型功能高分子材料。1961年,美国农业部北方研究所C.R.Rissell等从淀粉接枝丙烯腈开始研究,其后G.F.Fanta等接着研究。60年代末至70年代初期,美国的Grain.Pmcessing,Hercules,NationalStrch,General Mills Chemical,日本住友化学,花王石碱,三洋化成工业等公司相继成功地开发了高吸水材料。此后,世界各国对高吸水材料的品种、制造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究工作,并取得了成果,其中成效最大的是美国和日本。70年代中期日本开展了以纤维素为原料制取高吸水材料的研究,得到了片状、粉末状和丝状的产品。80年代则提出了用放射线对各种氧化烯烃进行交联处理,合成了非离子型高吸水材料,其吸水能力为2000倍,从而打开了非离子高吸水材料的大门。随着高吸水材料合成的发展,1973年美国的ucc公司开始把高吸水材料应用于农业方面,接着日本和法国也开始了应用方面的研究。日本三洋化成公司首先把高吸水材料用于餐巾,法国开发了一种“水合土”,吸水能力达200倍,用于沙漠。
2 国外可生物降解高吸水材料的研究状况
高吸水材料自诞生以来从产品种类、产品性能到产品应用都得到了很大的发展,研究方向主要集中在寻找新品种及制造方法以提高高吸水材料的吸液速度及吸液倍率上,而对高吸水材料生物可降解性的研究直到90年代国外才见有报导,国内几乎更是一片空白。目前为止,具有可生物降解性的高吸水材料主要有以下几类:海藻酸钠类、纤维素类、聚乳酸类、聚氨基酸类、微生物合成类。
3淀粉类
3.1淀粉是一种来源广泛,价格低廉的天然高分子物质。淀粉接枝共聚物,由于其吸水保水性好、成本低而发展迅速。
Prafulla K.等由淀粉,甲基丙烯酸乙酯接枝共聚制备的高吸水性树脂,经过28 d可降解约70%。P.Lanthong等采用碳酸氢钠做发泡剂,三元共聚物聚氧化乙烯/聚氧化丙烯/聚氧化乙烯做发泡稳定剂,将丙烯酰胺,衣康酸接枝共聚到甘薯淀粉上合成可生物降解高吸水树脂。F弗诺,H施密特发明的高吸水树脂,是由吸水性聚合物在其制备、干燥、表面交联的任意一阶段或相承接的任意阶段混合淀粉而制得。该吸水树脂28 d时可降解39%。
淀粉类高吸水材料同时也存在着长期保水性不足、凝胶强度低、易受微生物分解而失去保水能力等问题,限制了其在一定范围推广应用。目前需要解决淀粉类高吸水材料适应各种使用环境、水质条件和重复吸水的能力,以及减少其在应用中霉变等方面的难题。可在反应液中加入山梨糖单硬脂酸作防腐剂来提高其耐霉解性,也可加入交联剂提高其凝胶强度等。
3.2合成方法
目前以淀粉为原料制备高吸水性树脂的合成方法主要通过自由基引发聚合将乙烯基单体接枝到淀粉上。引发的方法以化学引发为主,也采用辐射引发接枝。聚合方法主要有溶液聚合和反相悬浮聚合。
采用的主要合成工艺流程如图1所示。
3.2.1淀粉接枝丙烯腈
1961 年美国农业部北方研究所对淀粉接枝丙烯腈类高吸水性树脂的开发成功开辟了高吸水性树脂这一研究领域。这一类淀粉高吸水性树脂也是文献数量最多的研究体系。它主要的制备方法如图1所示,即将淀粉和水的悬浮液在加热的条件下糊化,冷却,通氮气,加入引发剂(多为硝酸铈铵)和丙烯腈,在40℃左右接枝共聚,时间约2h。然后将接枝物分离,洗涤,干燥。再加入强碱,水解聚合物,使—CN基变为—COOM和—CONH2基(其中M为碱金属)。如果采用水-甲醇混合溶剂改进水解工艺,或在70~100℃下,将淀粉-丙烯腈接枝共聚物分散在加有表面活性剂(十二烷基磺酸钠)与水不混溶的有机介质中皂化,可以解决聚合物加水分解时,反应物
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