CN107200853B - 一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备和应用 - Google Patents

一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备和应用。由树状分子和羧甲基纤维素在交联剂的作用下合成。树状分子为聚酰胺‑胺树状分子，交联剂为环氧氯丙烷。将羧甲基纤维素完全溶解于碱性溶液中；将酸中和后的聚酰胺‑胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；加入环氧氯丙烷，在20～40℃下搅拌直至分散均匀，然后于55～65℃下保温反应2～4小时；所得产物经洗涤、干燥后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。本发明所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的吸水、保水、再溶胀、吸生理溶液和抗菌性能均可通过改变树状分子用量、羧甲基纤维素浓度和交联剂用量加以调节，且产物可生物降解，具有环保特性。

Description

一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备和应用
技术领域
本发明属于功能高分子材料技术领域，具体涉及一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备和应用。
背景技术
现代日常生活中超吸水凝胶广泛应用于卫生、农业、化工、建筑、化妆品和医药等行业，用量巨大，目前主要来源于聚丙烯酸等合成高分子材料。然而，随着近年来石油资源的紧缺，以及人们对环境保护和资源可持续发展的日益重视，天然高分子基超吸水凝胶成为研究前沿和热点方向之一。
纤维素为地球上储量最丰富的可再生生物质资源，未来有望成为主要的化学资源之一。纤维素是由β-(1→4)-D-吡喃葡聚糖构成的线性高分子化合物，具有良好的生物相容性和降解性，但是，其存在难溶于水、热塑性差、不具有抗菌性等缺点，这很大程度限制了其应用范围。羧甲基纤维素是一种纤维素羧甲基化的产物，因其分子链中含有大量的羧基和羟基，有效克服了纤维素难溶于水的问题。当前羧甲基纤维素水凝胶的研究主要集中在吸水倍率不高的功能水凝胶。此外，羧甲基纤维素自身并没有抑菌性能，因此其水凝胶在卫生和医疗领域的应用也受到了一定限制。通常制备抗菌性水凝胶的方法是在水凝胶中引入无机抑菌剂Ag+，但这种方法引起了人们对安全隐患的忧虑。
树状分子是通过支化单元逐步重复反应得到的具有树状高度支化结构的大分子。由于其结构和体积的精确可控性，以及较多功能基团的存在，使得近年来备受广泛关注。
发明内容
针对现有产品和技术的不足，本发明目的在于提供一种具有优异的吸水、保水、再溶胀、吸生理溶液和抗菌性能的树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶及其制备方法和应用。
为实现上述目的，采用技术方案如下：
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，由树状分子和羧甲基纤维素在交联剂的作用下合成。
按上述方案，所述树状分子为聚酰胺-胺树状分子。
按上述方案，所述交联剂为环氧氯丙烷；交联剂的用量大于羧甲基纤维素用量的35wt％。
按上述方案，所述树状分子的用量为羧甲基纤维素用量的1～50wt％。
上述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将羧甲基纤维素完全溶解于碱性溶液中；
2)将酸中和后的聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
3)加入环氧氯丙烷，在20～40℃下搅拌直至分散均匀，然后55～65℃下保温反应2～4小时；
4)所得产物分别采用去离子水和乙醇洗涤、干燥后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
上述方案中，步骤1所述碱性溶液为NaOH溶液。
上述方案中，步骤2所述酸为盐酸溶液。
上述方案中，步骤4所述干燥为冷冻干燥或低温烘干；低温干燥的温度低于60℃。
上述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶在个人卫生和医用材料领域的应用。
单纯的羧甲基纤维素超吸水凝胶没有抑菌性能，而聚酰胺-胺树状分子的引入，使羧甲基纤维素超吸水凝胶具有良好的抑菌性能，从而可以满足个人卫生和医用材料领域应用的要求。交联剂环氧氯丙烷不仅参与了羧甲基纤维素超吸水凝胶交联网络结构的形成，得到了一种新型结构的超吸水凝胶，而且有助于提升聚酰胺-胺树状分子的负载。
本发明的有益效果：
本发明以树状分子和羧甲基纤维素为原料，制备了一种新型超吸水凝胶，所述超吸水凝胶具有优异的吸水、保水、再溶胀、吸生理溶液和抗菌性能；
本发明所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的吸水、保水、再溶胀、吸生理溶液和抗菌性能均可通过改变树状分子用量、羧甲基纤维素浓度和交联剂用量等工艺条件加以调节；
本发明所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶以储量丰富的可再生资源(纤维素衍生物)为原料，且产物可生物降解，具有突出的环保特性；
本发明所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶可用于生物医用和个人卫生材料领域；
本发明制备方法与工艺简单易行，成本低，便于产业化应用。
附图说明
图1：本发明制备树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的分子结构图；
图2：本发明制备树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶扫描电镜图。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)将一定量羧甲基纤维素溶于碱性溶液中，搅拌至完全溶解，得到4.5wt％的羧甲基纤维素溶液；
(2)采用盐酸溶液将设定量2.0代聚酰胺-胺树状分子(用量为羧甲基纤维素的30wt％)中和；
(3)将步骤(2)所得聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
(4)加入一定量的交联剂环氧氯丙烷(用量为羧甲基纤维素的65.6wt％)，在30℃下搅拌直至分散均匀，然后于60℃下保温反应4小时；
(5)反应结束后，将凝胶用去离子水和乙醇洗涤，于50℃下烘干后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
通过称重法测试该超吸水凝胶的吸水性能，吸水率按式(1)计算：
Figure BDA0001306874600000031
M为超吸水凝胶吸水后质量(g)，M0为干态超吸水凝胶吸水前质量(g)。产物的吸盐水率也可根据式(1)计算得到。
本实施例制备得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的吸水率和吸盐水率分别达到184g/g和52g/g，结果表明该超吸水凝胶具有优异的吸水和吸盐水性能。
图1为本实施例制备得到的树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的分子结构图，图2为树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的扫描电镜图。图1表明，环氧氯丙烷通过与羧甲基纤维素上的羟基反应形成交联结构，而聚酰胺-胺树状分子参与了该交联反应，得到一种新型分子结构的水凝胶。图2的树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的扫描电镜图可以看出，该水凝胶具有良好的三维多孔网络结构。
实施例2
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)将一定量羧甲基纤维素溶于碱性溶液中，搅拌至完全溶解，得到6wt％的羧甲基纤维素溶液；
(2)采用盐酸溶液将设定量2.0代聚酰胺-胺树状分子(用量为羧甲基纤维素的30wt％)中和；
(3)将步骤(2)所得聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
(4)加入一定量的交联剂环氧氯丙烷(用量为羧甲基纤维素的49.2wt％)，在30℃下搅拌直至分散均匀，然后于65℃下保温反应3小时；
(5)反应结束后，将凝胶用去离子水和乙醇洗涤，于50℃下烘干后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
通过称重法测试该超吸水凝胶的保水性能，保水率按式(2)计算：
Mt为吸水平衡的超吸水凝胶于40℃下放置t时间后质量(g)，Me为达到吸水平衡的超吸水凝胶质量(g)。
本实施例制备得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶放置30小时后的保水率达到49％，结果表明该超吸水凝胶具有良好的保水性能。
实施例3
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)将一定量羧甲基纤维素溶于碱性溶液中，搅拌至完全溶解，得到5wt％的羧甲基纤维素溶液；
(2)采用盐酸溶液将设定量2.0代聚酰胺-胺树状分子(用量为羧甲基纤维素的30wt％)中和；
(3)将步骤(2)所得聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
(4)加入一定量的交联剂环氧氯丙烷(用量为羧甲基纤维素的59wt％)，在25℃下搅拌直至分散均匀，然后于60℃下保温反应4小时；
(5)反应结束后，将凝胶用去离子水和乙醇洗涤，于45℃下烘干后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
通过将吸水后的超吸水凝胶干燥后，再次进行吸水性能测试以得到再溶胀性能。
本实施例制备得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的初始吸水率为140g/g，第一次再溶胀吸水率达到288g/g，第二次再溶胀吸水率达到429g/g，第三次再溶胀吸水率达到450g/g。结果表明该超吸水凝胶的再溶胀性能显著。
实施例4
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)将一定量羧甲基纤维素溶于碱性溶液中，搅拌至完全溶解，得到3.5wt％的羧甲基纤维素溶液；
(2)采用盐酸溶液将设定量2.0代聚酰胺-胺树状分子(用量为羧甲基纤维素的30wt％)中和；
(3)将步骤(2)所得聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
(4)加入一定量的交联剂环氧氯丙烷(用量为羧甲基纤维素的84.4wt％)，在30℃下搅拌直至分散均匀，然后于60℃下保温反应4小时；
(5)反应结束后，将凝胶用去离子水和乙醇洗涤，于45℃下烘干后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
通过称重法测试该超吸水凝胶在生理溶液中的吸水性能，吸水率也按式(1)计算得到。
本实施例制备得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶在葡萄糖溶液(浓度5wt％)和尿素溶液(浓度5wt％)中均具有良好的吸水率，分别达到180g/g和244g/g。
实施例5
一种树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)将一定量羧甲基纤维素溶于碱性溶液中，搅拌至完全溶解，得到5wt％的羧甲基纤维素溶液；
(2)采用盐酸溶液将设定量2.0代聚酰胺-胺树状分子(用量为羧甲基纤维素的40wt％)中和；
(3)将步骤(2)所得聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；
(4)加入一定量的交联剂环氧氯丙烷(用量为羧甲基纤维素的59wt％)，在30℃下搅拌直至分散均匀，然后于60℃下保温反应4小时；
(5)反应结束后，将凝胶用去离子水和乙醇洗涤，于50℃下烘干后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
通过吸光度法对超吸水凝胶的抗菌性能进行测试，抑菌率按式(3)计算：
Figure BDA0001306874600000051
A为加入超吸水凝胶的细菌培养基吸光度，A0为未加超吸水凝胶的细菌培养基吸光度。
本实施例制备得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为47.8％和48.6％，结果表明其对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌都具有良好的抗菌性能。

Claims (4)

1.树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将羧甲基纤维素完全溶解于碱性溶液中；
2)将酸中和后的聚酰胺-胺树状分子加入到羧甲基纤维素溶液中，充分搅拌均匀；聚酰胺-胺树状分子的用量为羧甲基纤维素用量的1～50wt％；
3)加入环氧氯丙烷，在20～40℃下搅拌直至分散均匀，然后55～65℃下保温反应2～4小时；环氧氯丙烷的用量大于羧甲基纤维素用量的35wt％；
4)所得产物分别采用去离子水和乙醇洗涤，干燥后得到树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶。
2.如权利要求1所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1所述碱性溶液为NaOH溶液。
3.如权利要求1所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的制备方法，其特征在于步骤2所述酸为盐酸溶液。
4.如权利要求1所述树状分子/羧甲基纤维素超吸水凝胶的制备方法，其特征在于步骤4所述干燥为冷冻干燥或低温烘干；低温干燥的温度低于60℃。
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