CN1690114A - 聚乙烯醇复合凝胶及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚乙烯醇复合凝胶及其合成方法。本发明聚乙烯醇复合凝胶,是由下述重量份配比的原料复合而成,8~15份的聚乙烯醇,优选8~12份的聚乙烯醇;3~5份增塑剂丙三醇,优选3.8~5份增塑剂丙三醇;0.5~1.5份右旋糖酐-40或者2~4份聚乙二醇-4000,优选1.0~1.5份右旋糖酐-40或者3~4份聚乙二醇-4000;0.5~2份交联剂硼砂,优选0.5~1.5份交联剂硼砂;0.5~2份顺丁烯二酸酐;优选0.5~1.5份顺丁烯二酸酐。本发明合成聚乙烯醇复合凝胶的配方原料无毒,凝胶具有良好的生物相容性、较高的机械强度和高密度孔隙,可用作酶、微生物细胞、动植物细胞器的固定化载体。

Description

聚乙烯醇复合凝胶及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种聚乙烯醇复合凝胶及其合成方法。
背景技术
聚乙烯醇(PVA)是由聚醋酸乙烯酯水解,经醇化而成的一种水溶性高分子聚合物,通过一定工艺加工成型PVA水凝胶,以其高弹性、化学稳定性、易于成型、无毒、无副作用及与人体组织良好的生物相容性等特点而广泛地应用于建筑、电子、纺织、医学、精细化工、轻工等行业。
经过多年的发展,人们发明了许多聚乙烯醇凝胶的合成及有关聚乙烯醇的载体制备方法和工艺,并将此不断推广应用。普通PVA水凝胶的缺陷是力学性能不足,如果在材料中引入交联结构就可以弥补这一缺陷,可以有效地提高其机械性能,通过化学交联法、辐射交联法、冷冻-熔融法或与其它材料的复合,对PVA进行适当地改性,可以制备出各种性能的,不同结构地高分子聚合物凝胶。
通过对文献及专利的检索,目前有关PVA凝胶的制备方法较多,如李化子[聚乙烯醇-硼酸的固定化方法的改进,环境科学研究,2002,15(5)]等对聚乙烯醇-硼酸固定化方法的改进,具体是采用延时包埋法和加入化学药剂的方法来调节其强度,再如USPT0910788(1994)上提出了利用硼酸饱和溶液硬化成型,以上都是以硼酸为交联剂,与硼砂相比其缺点是:硼酸的用量较硼砂多、交联时间较长、载体强度相对较差。Gudeman等合成并表征了对pH敏感的聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶膜,白渝平等[PVA-PAA IPN水凝胶的制备及其溶胀性质研究,高分子材料科学与工程,2002,18(1)]利用化学交联法和循环冰冻-解冻相结合的顺序逼近法,制备了由聚乙烯醇和聚丙烯复合的具有互穿聚合物网络结构的高分子水凝胶,该凝胶具有温度敏感性质。但该种制备方法复杂,较难适于工业化生产。
聚乙烯醇是少有的对环境无污染的合成高分子材料,由于其对微生物不具毒性、成本低廉及形成载体具有强韧的机械性能等自身的优势而受到各个领域的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚乙烯醇复合凝胶。
本发明另一个目的是提供一种简单、快速、低成本的聚乙烯醇复合凝胶的合成方法。
本发明聚乙烯醇复合凝胶,是由下述重量份配比的原料复合而成,8~15份的聚乙烯醇,优选8~12份的聚乙烯醇;3~5份增塑剂丙三醇,优选3.8~5份增塑剂丙三醇;0.5~1.5份右旋糖酐-40或者2~4份聚乙二醇-4000,优选1.0~1.5份石旋糖酐-40或者3~4份聚乙二醇-4000;0.5~2份交联剂硼砂,优选0.5~1.5份交联剂硼砂;0.5~2份顺丁烯二酸酐;优选0.5~1.5份顺丁烯二酸酐。配方中增塑剂太少则不能使聚乙烯醇充分地柔顺、高分子材料(右旋糖酐-40或聚乙二醇-4000)的添加可以改变复合凝胶的某些特性,如载体的空隙率、孔径及载体性能等。聚乙烯醇的醇解度为99%,聚合度在15000~2000之间。优选聚乙烯醇的聚合度为1750±50。若聚合度较低则溶胶不宜成型而导致载体机械强度降低,较高时凝胶溶液的粘度增大,流动性较差,操作不便,影响到载体的制备。
本发明聚乙烯醇复合凝胶的合成方法,包括以下步骤,将100份的水加热到85℃~95℃,将8~15份聚乙烯醇缓慢溶解到水中,边加边搅拌,待聚乙烯醇完全溶解后,加入3~5份的丙三醇,搅拌均匀后,再加入0.5~1.5份的右旋糖酐或者是2~4份聚乙二醇-4000,提前用少量的水溶解),搅拌均匀,然后在不断搅拌的同时加入已溶解好的0.5~2份的硼砂(用1∶1的热水溶解),边加边搅拌,进行凝胶化处理,交联时间为2~15分钟,优选凝胶化反应时间为2~5分钟;交联时间具体要以总料量而定,即反应液体积较大时,则交联反应时间较长。然后缓慢地加入0.5~2份的顺丁烯二酸酐(用1∶1的热水溶解),不断搅拌,直至凝胶溶液中无絮状凝固物为止,所得透明、略带乳白色的粘稠溶胶,即为聚乙烯醇复合凝胶。该复合凝胶液在-10~-30℃的温度下冷冻成型,在室温下解冻。
本发明的原理是:聚乙烯醇溶解于热水中,加入增塑剂丙三醇后与硼砂发生凝胶化反应形成双二醇型(didiol)凝胶,其结构为:
添加了中分子右旋糖酐(40)的凝胶再与顺丁烯二酸酐接枝,形成高分子水溶性复合凝胶溶液,再经过低温冷冻处理可以得到较高机械强度并具有一定孔隙度的空间网状结构的不溶性载体。
本发明所用的聚乙烯醇的结构通式为:
Figure A20041003880800052
                   聚乙烯醇(PVA)
本发明所用的聚乙烯醇的聚合度为1750±50,若聚合度较低则溶胶不宜成型而导致载体机械强度降低,较高时凝胶溶液的粘度增大,流动性较差,操作不便,影响到载体的制备。所用聚乙烯醇的物理参数如下表所示。
序号 指标名称 指标
    1 聚合度 1700-1800
    2 颜色 白色
    3 醇解度(mol%) 99.0-99.8
    4 皂化值 3-12
    5 残余醋酸乙烯重量% 0.5×1.8
    6 粘度PaS 0.028-0.032
    7 溶液pH 5.0-7.0
    8 灰分(以Na2O计)%最大 1.0
    9 表现密度kg/m3 400-432
    10 相对密度 1.30
    11 树脂密度kg/m 1294
    12 比容积m3/kg 7.7×104
    13 硬度(肖氏硬度计,不增塑) >100
本发明所提到的增塑剂丙三醇(甘油),与丙二醇、聚乙二醇、山梨醇等相比有较强的氢键键合力,能够满足作为优良聚乙烯醇增塑剂的成膜、延展要求,以及与聚乙烯醇的相容性和在成品中的持久性。下表是甘油的物理参数。
    序号 指标名称     指标
    1 含量(%)     ≥96%
    2 灼烧残渣%     0.001
3 硫化合物     0.0005%
    4 砷(As)%     0.00005
    5 铵盐(NH+)%     0.0005
    6 脂肪酸酯%     ±0.05%
    7 氯化物(Cl-)     0.0001%
本发明合成聚乙烯醇复合凝胶的配方原料无毒,凝胶具有良好的生物相容性、较高的机械强度和高密度孔隙,可用作酶、微生物细胞、动植物细胞器的固定化载体,例如可以用于酵母(活细胞)、己酸菌、肠膜状明串珠菌及黑曲霉等微生物细胞,葡萄糖淀粉酶、淀粉酶等酶的固定化。
本发明提供的聚乙烯醇复合凝胶的合成制备较其它凝胶的合成工艺相比,具有能耗低、工序简单、快速、加工操作方便、易于控制,成本低的特点。形成的聚乙烯醇复合凝胶载体机械强度较高、固定化效率高,生物活性较好、耐磨、耐酸碱。
通过本发明实施例与对比例的比较,说明本发明所制的载体都具有较好的机械性能。而如果PVA的含量在7%以下时,载体机械性能稍差。随着聚乙烯醇含量的增加,复合凝胶载体的强度随之增大,但是孔隙率降低、孔径减小;在实验中视具体用途不同而调整其含量。
附图说明
图1是本发明聚乙烯醇复合凝胶的合成路线图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1:
醇解度99%的8份聚乙烯醇(兰州纤维尼龙厂生产,聚合度1750±50)溶解到100份85℃的水中,边加边搅拌待聚乙烯醇完全溶解后,加入4.4份的丙三醇,搅拌均匀后,加入1份右旋糖酐-40(提前用少量的水溶解),搅拌均匀,然后在不断搅拌的同时,加入已溶解好的1份硼砂,边加边搅拌,进行凝胶化处理,2~5分钟后缓慢地加入1份顺丁烯二酸酐溶液,不断搅拌,直至凝胶液中无絮状凝固物,得到透明、略微带有乳白色的粘稠溶胶,即为聚乙烯醇复合凝胶,以上操作均在85℃的恒温下进行。该复合凝胶液在-24℃的温度下冷冻成型,在室温下解冻。
对比例A:重复实施例1,有以下不同点:醇解度99%的6份聚乙烯醇溶解到100份85℃的水中。在实施例1中同样条件下测定,结果显示:与对照实验相比合成的凝胶液的粘度较低,低温冷冻成型后载体的强度稍差。
实施例2
重复实施例1,有以下不同点:使用醇解度99%的10份聚乙烯醇溶解到100份85℃的水中。得到的复合凝胶溶液的粘度较“实施例1”增加2.1%,载体的孔径,孔隙率略有降低,且载体强度较好。
实施例3
重复实施例1,有以下不同点:使用醇解度99%的15份聚乙烯醇溶解到100份85℃的水中。得到的复合凝胶溶液的粘度较“实施例2”增加1.6%,载体的孔径,孔隙率降低。冷冻成型后载体的机械强度较高。
实施例4
重复实施例1,有以下不同点:使用醇解度99%的15份聚乙烯醇溶解到100份85℃的水中,加入3.5份的聚乙二醇-4000。得到的复合凝胶溶液的粘度较“实施例2”增加1.4%,载体的孔径,孔隙率都较“实施例2”和“实施例3”有所增大。
实施例5
在容积为100升的固定化载体反应釜中,加入50升水,用蒸汽加热到85℃以上,开启搅拌,缓慢加入4kg的聚乙烯醇,待聚乙烯醇完全溶解后,加入1.8升甘油,10分钟后加入500g右旋糖酐-40(提前用少量的水溶解),然后缓缓加入500g硼砂(用1∶1的水溶解),凝胶化反应2~15分钟后,缓慢加入500g的顺丁烯二酸酐(用1∶1的水溶解),不断搅拌,直至凝胶液中无絮状凝固物,得到透明、略微带有乳白色的粘稠溶胶,即为聚乙烯醇复合凝胶。
通过本发明实施例与对比例的比较,说明本发明所制的载体都具有较好的机械性能。而PVA的含量在7%以下时载体机械性能稍差。随着聚乙烯醇含量的增加,复合凝胶载体的强度随之增大,但是孔隙率降低、孔径减小。

Claims (5)

1、一种聚乙烯醇复合凝胶,其特征在于:它是由下述重量份配比的原料复合而成,8~15份的聚乙烯醇,3~5份增塑剂丙三醇,0.5~1.5份右旋糖酐-40或者2~4份聚乙二醇-4000,0.5~2份交联剂硼砂,0.5~2份顺丁烯二酸酐;聚乙烯醇的醇解度为99%,聚合度在1500~2000之间。
2、根据权利要求1所述的聚乙烯醇复合凝胶,其特征在于:各原料的重量配比是,8~12份的聚乙烯醇,3.8~5份增塑剂丙三醇,1.0~1.5份右旋糖酐-40或者3~4份聚乙二醇-4000,0.5~1.5份交联剂硼砂,0.5~1.5份顺丁烯二酸酐。
3、根据权利要求1或2所述的聚乙烯醇复合凝胶,其特征在于:聚乙烯醇的聚合度为1750±50。
4、权利要求1所述的聚乙烯醇复合凝胶的合成方法,其特征在于:它包括以下步骤,将100份的水加热到85℃~95℃,将8~15份聚乙烯醇缓慢溶解到水中,边加边搅拌,待聚乙烯醇完全溶解后,加入3~5份的丙三醇,搅拌均匀后,再加入0.5~1.5份的右旋糖酐或者是2~4份聚乙二醇-4000,提前用少量的水溶解),搅拌均匀,然后在不断搅拌的同时加入已溶解好的0.5~2份的硼砂(用1∶1的热水溶解),边加边搅拌,进行凝胶化处理,交联时间为2~15分钟,然后缓慢地加入0.5~2份的顺丁烯二酸酐(用1∶1的热水溶解),不断搅拌,直至凝胶溶液中无絮状凝固物为止,所得透明、略带乳白色的粘稠溶胶,即为聚乙烯醇复合凝胶。
5、根据权利要求4所述的聚乙烯醇复合凝胶的合成方法,其特征在于:其中硼砂的凝胶化反应时间为2~5分钟。
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