張 靜，孔 璟，葉 彬，鄒曉毅，武衛(wèi)華

2.重慶醫(yī)科大學病原生物學教研室，重慶 400016

高吸水性樹脂（Super Absorbent Resin，簡稱SAR），又稱為超強吸水高分子材料（Super Absorbent Polymer，簡稱SAP），是一種含有大量強親水性化學基團、并具有一定交聯(lián)度的功能高分子材料，吸水量高，能吸收自身重量數(shù)百倍甚至上千倍（最高可以達到5 300倍）的水；其次保水性好，且吸水膨潤后生成的凝膠在加壓條件下不易將水析出；對光和熱的穩(wěn)定性好，增稠性好（吸水后呈凝膠狀）。SAR被廣泛地應用于生理衛(wèi)生用品（如嬰兒紙尿片、成人大小便失禁用品、婦女衛(wèi)生巾等）、農(nóng)業(yè)園藝土壤改良材料及土木建筑改良材料等方面，并越來越受到人們的關(guān)注，也是應用研究較為成熟的一個領(lǐng)域［1］。除此之外，SAR還用于醫(yī)用敷料和藥物制劑基質(zhì)材料、醫(yī)用保冷和儲熱材料、醫(yī)用吸血與吸液材料、軟接觸透鏡、人體埋入材料，如可用于制造人工玻璃體、人工角膜、人工皮膚、人工血管、人工肝臟、人工腎臟等人體器官［2］。

去離子水或蒸餾水是評價高分子樹脂吸水性能的常用液體，而有關(guān)生理鹽水、無水酒精及棘球蚴囊液與高分子樹脂的關(guān)系鮮見報道；本研究擬試用對人體無毒性的降解型的淀粉丙烯酸接枝聚合物［3］，利用其吸水性質(zhì)，來探討SAR對上述幾種不同性質(zhì)液體的吸液能力。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器 玉米淀粉，市售（干燥貯存）；丙烯酸（AA），工業(yè)級，西安化學試劑廠；過硫酸銨，化學純，西安化學試劑廠；氫氧化鈉（NaOH），化學純，天津開發(fā)區(qū)海光化學制藥廠；N，N－亞甲基雙丙烯酰胺，化學純，北京化學試劑公司；無水乙醇，分析純，西安福晨化學試劑有限公司；去離子水；生理鹽水；棘球蚴囊液，無菌采集羊肝棘球蚴的新鮮囊液，1 500 r/min離心5 min，吸上清，4℃保存?zhèn)溆?。電動攪拌器、三口燒瓶、電子恒溫水浴箱、真空干燥箱、粉碎機、不同孔徑分樣篩數(shù)個、電子天平等。

1.2 高吸水性樹脂的制備［4］在玉米淀粉中加入適量的蒸餾水，攪拌成懸浮液，于80℃攪拌糊化l h后冷卻至45℃ ，再加入適量的過硫酸銨，恒溫攪拌10 min，待用；將丙烯酸用30%NaOH溶液中和（控制中和度為80%），待中和液降至室溫時，加人N，N－亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌均勻后倒人糊化淀粉中，于60℃攪拌反應2 h，使其充分混合均勻；聚合產(chǎn)物用無水乙醇洗滌2～3次，在120℃～140℃烘箱中烘干至恒重、粉碎、不同目徑鋼絲篩過篩后，得到不同粒徑（80～120目、120～140目、140～160目、160～180目）（根據(jù)國際粉體顆粒篩目粒徑對照表，120目略為125微米，180目略為80微米，其余略）的淺黃色結(jié)晶狀高吸水性樹脂顆粒。

1.3 性能測試

1.3.1 吸水倍率及吸液速率測試 環(huán)境溫度25℃，準確稱取干燥后的樣品1 g于燒杯中，加人足量的去離子水，放置一定時間后，采用篩網(wǎng)過濾法［5］，用100目標準鋼絲篩過濾至無水滴滴下，稱重并記錄質(zhì)量，計算不同條件下SAP的吸水倍率。

吸水倍率＝（吸水后樹脂質(zhì)量—干樹脂質(zhì)量）/干樹脂質(zhì)量

1.3.1.1 在同一溫度下不同粒徑顆粒的吸水倍率測試 測試條件為：環(huán)境溫度25℃，高吸水性樹脂顆粒大小分別為80～120目、120～140目、140～160目、160～180目。

1.3.1.2 同一粒徑顆粒在不同溫度下的吸水倍率測試 測試條件為：高吸水性樹脂顆粒大小160～180目，測試SAP在37℃、25℃、20℃條件下對去離子水的吸水倍率。

1.3.2 在不同溫度下SAP（不同粒徑顆粒）的保水率測試 測試條件為：溶液種類為去離子水，高吸水性樹脂顆粒大小160～180目，測試SAP在37℃、25℃、20℃條件下的保水能力。

方法：稱取一定量充分吸水的樹脂凝膠，放入恒溫烘箱中，測定不同時間內(nèi)樹脂凝膠的質(zhì)量。B＝（m1/m2）×100%，式中：B——樹脂的保水率（%）；m1——定時脫水后的樹脂凝膠質(zhì)量（g）；m2——吸水飽和的樹脂凝膠質(zhì)量（g）.

1.3.3 同一溫度下同一粒徑顆粒在不同溶液中的吸液倍率比較 測試條件為：高吸水性樹脂顆粒大小160～180目，環(huán)境溫度25℃，溶液種類分別為去離子水、生理鹽水、無水乙醇、棘球蚴囊液（從疫區(qū)屠宰場收集感染棘球蚴的羊肝，抽取囊液，離心后取上清置于4℃冰箱待用）。

1.4 光鏡觀察室溫下吸水后的凝膠顆粒的結(jié)構(gòu)特點 顆粒大小：160～180目0.01 g，0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm顆粒1顆。

2 結(jié) 果

2.1 不同粒徑顆粒對吸液倍率的影響（T：25℃，去離子水），見圖1。

圖1 高吸水性樹脂粒徑對瞬時吸液倍率的影響Fig.1 Effect of particle size of super water absorption resin on the instantaneous absorption ratio

本實驗制備的高吸水性樹脂具有較強的吸水能力，對去離子水最高可達到700倍的吸水倍率；同時我們觀察到吸水倍率與樹脂顆粒大小有一定的關(guān)系，顆粒越小，其吸水速率越快，4～8 min即可達到吸水高峰，但保水效果稍差，大小在140～180目顆粒最高吸水率差別無統(tǒng)計學意義；大于120目的顆粒在加水后約16 min方可達到吸水高峰，大小在80～140目的顆粒其吸水倍率及速率幾無差別，說明顆粒越大，其吸水速率越慢，但保水效果較好。

2.2 不同溫度下同一顆粒的吸水性能（圖2）

圖2 環(huán)境溫度對SPA吸水率的影響（顆粒粒徑160～180目）Fig.2 Relation between the instantaneous absorption ratio of water absorption resin and temperature（particle size of SAP：160－180 screen opening）

在非密閉空間，室溫越高，水分子運動加快，水分越容易蒸發(fā)，結(jié)合在凝膠內(nèi)的水分子容易逸出，會出現(xiàn)吸水率快速下降；室溫越低，水分子運動較慢，結(jié)合水不易逸出，如果在密閉空間中，保水率下降可能不大。故溫度變化對吸水率影響不大，主要影響保水率。

2.3 高吸水性樹脂在不同溶液中的吸水倍率（圖3）。

圖3 溶液性質(zhì)對SAP吸水率的影響（顆粒粒徑160～180目）Fig.3 The effect ratio of water absorption resin to different fluids on the instantaneous absorption speed（particle size of SAP：160－180 screen opening）

SAP在蒸餾水中吸水率最高，達700倍以上，無水酒精中幾乎無吸水能力，在棘球蚴囊液中有一定的吸水能力，最高達200～300倍。

2.4 不同溫度下SAP保水率與時間的關(guān)系（圖4）

圖4 環(huán)境溫度對SAP保水率的影響（顆粒粒徑160～180目）Fig.4 The effect ratio of water preserving capability of resin to different fluid on the instantaneous absorption speed（particle size of SAP：160－180 screen opening）

在最初8 h內(nèi)，3種環(huán)境溫度條件下，樹脂顆粒保水率為90%～100%，18 h后開始降低，在24 h內(nèi)，SAP顆粒失水率變化不大，環(huán)境溫度對其影響較小，說明高吸水性樹脂可充分發(fā)揮吸水保水性能。

2.5 凝膠顆粒的結(jié)構(gòu)特征 參照相關(guān)文獻制備高吸水性樹脂，經(jīng)粉碎得到不同粒徑（0.5 mm、大于80目、80～100目、100～120目、120～140目、140～160目、160～180目、小于180目）的淺黃色結(jié)晶狀高吸水性樹脂顆粒。圖5和圖6為0.5 mm、160～180目顆粒吸水達到飽和時形成的凝膠，具有明顯的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。

3 討 論

本實驗采用水溶液聚合法在淀粉分子鏈上引入丙烯酸、甲叉雙丙烯酰胺制備高吸水性樹脂，以提高其吸水速率和吸水率［6－7］。研究了樹脂顆粒和環(huán)境溫度大小對吸水倍率、吸水速率及保水性能的影響，同時研究了樹脂顆粒對各種不同性質(zhì)溶液的吸水性能。由實驗結(jié)果可知，本實驗室制備的樹脂顆粒在最佳工藝條件下制備的樹脂，其吸水性能最佳，吸水率可達到700 g/g，吸水膨脹后可在光鏡下明顯觀察到呈擴張狀態(tài)的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，揭示樹脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)在本實驗條件下能夠形成，且能容納大量的水分子，說明80%的中和度，45℃～60℃的反應條件，反應2 h可形成吸水率較高的樹脂顆粒［8］。各影響因素對產(chǎn)物的吸水率都有重要影響。顆粒越小，達到吸水飽和時間越快，顆粒越大所需時間越長；但就保水性能來講，顆粒越大其保水作用越強?？赡艿脑蚴菢渲环鬯楹?，其原先形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)［9］被切斷，因此，顆粒小的樹脂大部分暴露于水分子之間，很快就吸水達到飽和，但在一定溫度下放置一定時間，水分子很快釋放；而顆粒大的樹脂外層交聯(lián)結(jié)構(gòu)首先與水分子接觸，水分子迅速充滿其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而此時內(nèi)層樹脂仍處于壓縮狀態(tài)，待外層飽和后，內(nèi)層樹脂才開始吸水，所以其吸水達到飽和的時間較長，由此其保水性能更強，其在一定溫度下，其失水順序先外層后內(nèi)層，逐步失水，最后回復吸水前狀態(tài)。溶液的性質(zhì)尤其是離子對樹脂顆粒吸水性影響較大，對去離子水有非常強的吸水能力，但對0.9%生理鹽水吸水能力較差，對無水酒精幾無吸水能力；本實驗同時檢測了一種特殊的液體——棘球蚴囊液［10］，共來源于包蟲病患者或患畜體內(nèi)臟器中的棘球蚴，而棘球蚴為一囊狀結(jié)構(gòu)，常侵犯肝、肺等器官［11］，囊內(nèi)液體主要由碳水化合物、蛋白質(zhì)、酶類以及水等組成，本實驗發(fā)現(xiàn)高吸水性樹脂對其有一定的吸水能力，約為200～300倍，高于在生理鹽水中的吸液能力。

玉米淀粉原料豐富、價格低廉且安全衛(wèi)生，由其制取的吸水樹脂具有良好的生物降解性和環(huán)境友好性［2］，并且生產(chǎn)工藝簡單，已被廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，在不遠的將來，高吸水性樹脂的應用和功能開發(fā)有待拓寬，它不僅是某些人體器官（如人工玻璃體）的替代品，也可能成為治療或協(xié)助治療某些疾病的生物制品。

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