吳海霞，圖力古日，馬曉麗

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

可再生天然原料綠色高吸水樹(shù)脂的研究和發(fā)展

吳海霞，圖力古日，馬曉麗

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

可再生天然原料綠色高吸水樹(shù)脂對(duì)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)具有重要的意義和價(jià)值。本文結(jié)合綠色高吸水樹(shù)脂的分類(lèi)、合成方法、制備工藝及相關(guān)應(yīng)用，探討可再生天然原料綠色高吸水樹(shù)脂的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

可再生天然原料；綠色；高吸水樹(shù)脂；應(yīng)用；發(fā)展

1 綠色高吸水性樹(shù)脂的分類(lèi)

從原料、結(jié)構(gòu)性能以及制備工藝等方面，綠色高吸水樹(shù)脂可以劃分為不同的類(lèi)型。

1.1 淀粉系高吸水樹(shù)脂

高吸水樹(shù)脂的原料來(lái)源于淀粉。淀粉作為一種天然的多羥基天然化合物，原料廉價(jià)易得，但淀粉缺少耐熱性能和水溶性，容易腐爛變質(zhì)，長(zhǎng)期保存的難度較大，因此在制備樹(shù)脂時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行性能的改造。其中常用的方法就是接枝共聚，常用的單體是丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺等[1]。楊慶榮等利用正交試驗(yàn)，對(duì)玉米淀粉接枝丙烯腈，分析了配比問(wèn)題和反應(yīng)的條件，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂的吸收倍率為800g/g。Ray ford W.E 等采用接枝丙烯腈制備了出了交聯(lián)產(chǎn)物，不僅吸水性能較強(qiáng)，且還能夠吸附重金屬離子，在污水處理方面得到良好的應(yīng)用。淀粉接枝丙烯酸高吸水樹(shù)脂工藝流程比較簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行皂化水解，與丙烯腈相比，毒性較低，溶劑消耗少，大大增強(qiáng)了吸水的性能。柳明珠等在玉米淀粉上接枝丙烯酸并結(jié)合水溶液聚合法得到了高吸水樹(shù)脂，該類(lèi)型的樹(shù)脂在常溫下30min吸附去離子水的吸收倍率為1 000g/g，吸附自來(lái)水的吸附倍率為200g/g。潘松漢等以羧甲基淀粉為原料，采用接枝法制備了高吸水樹(shù)脂，吸水的性能較高且穩(wěn)定，并且無(wú)廢物的產(chǎn)生，在生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 纖維素系高吸水樹(shù)脂

纖維素的來(lái)源十分的豐富且廉價(jià)，纖維素作為多羥基的化合物具有很多的毛細(xì)管，且表面積大，利用毛細(xì)管吸水，能夠調(diào)節(jié)pH值，具有抗生物降解的性能，因此在高吸水樹(shù)脂的制備中得到了廣泛的應(yīng)用。鄒新禧等采用羧甲基纖維素接枝丙烯酸，采用反相乳液聚合法制備得到高吸水樹(shù)脂，吸附倍率為1 200～2 000g/g，利用鹽式溶液法制成的產(chǎn)物吸水倍率為1 000～1 600g/g。纖維素接枝丙烯酸作為吸附劑，具有較高的耐鹽性，吸水的速度較快，并且強(qiáng)度較大。隨著研究的方法的逐漸增多，在纖維素上使用多種官能團(tuán)增強(qiáng)器復(fù)合功能，是纖維素類(lèi)高吸水樹(shù)脂未來(lái)的發(fā)展方向。

1.3 蛋白質(zhì)高吸水樹(shù)脂

蛋白質(zhì)作為一種可生物降解和可再生的能源在研究領(lǐng)域中備受關(guān)注。蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的親水性，其大分子鏈中具有羧基、氨基等親水的基團(tuán)，并且具有較強(qiáng)的水親和力，能夠借助基團(tuán)吸附水分子。蛋白質(zhì)高吸水性樹(shù)脂的制備一般采用對(duì)動(dòng)植物蛋白進(jìn)行接枝共聚和交連改性等。Rathna等對(duì)大豆蛋白質(zhì)中80%的氨基使用乙二胺四乙酸酐改性，然后以戊二醛作為交聯(lián)劑，將剩余的氨基進(jìn)行改性，制備的高吸水樹(shù)脂的吸水備倍率為425g/g。采用相同的方式改性魚(yú)蛋白內(nèi)的硫氰基二硫化物，得到的魚(yú)蛋白高吸水樹(shù)脂的吸水倍率為540g/g，以這樣的方式得到的蛋白基高吸水樹(shù)脂能夠完全降解，但是原料獲得較為困難，且成本較高，?；磻?yīng)改性的吸水倍率較低。

1.4 腐殖酸

腐殖酸作為自然界中生物的殘骸，也是一種天然的有機(jī)大分子化合物，其成分比較復(fù)雜，含有多種官能團(tuán)。官能團(tuán)上具有親水的基團(tuán)，有較強(qiáng)的吸附能力。腐殖酸作為土壤營(yíng)養(yǎng)成分的重要組成部分，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，提高土壤的保水能力。因此可以利用腐殖酸制備高吸水樹(shù)脂，將腐殖酸鹽與丙烯酸等單體進(jìn)行接枝共聚，得到具有較強(qiáng)吸水性的高吸水樹(shù)脂，在農(nóng)林保水中得到廣闊的應(yīng)用。另外將腐殖酸鹽與吸水劑混合發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，能夠提高樹(shù)脂的吸水性能和耐鹽性，在農(nóng)業(yè)鹽堿地中應(yīng)用十分廣泛。

2 綠色高吸水樹(shù)脂的合成方法

2.1 溶液聚合法

是由單體和引發(fā)劑溶于水中進(jìn)行聚合反應(yīng)的方法。自由基聚合、離子型聚合、縮聚等反應(yīng)均可選用溶液聚合。其優(yōu)點(diǎn)為：聚合體系粘度較低，混合傳熱容易，溫度容易控制，不易產(chǎn)生局部過(guò)熱；引發(fā)劑分散較均勻，引發(fā)效率高；產(chǎn)物分子量比較均勻，可制成多種形式的產(chǎn)品。但同時(shí)存在著由于單體濃度低，聚合速度慢，設(shè)備的利用率和生產(chǎn)能力較低；活性鏈向溶劑轉(zhuǎn)移使聚合分子量較低的缺點(diǎn)。

2.2 反相懸浮聚合

是以油性物質(zhì)為分散介質(zhì)，以反應(yīng)液等水溶液為分散液滴的合成方法。此法可以直接得到粒狀產(chǎn)物，體系粘度低，聚合熱易排除，分子量較高的產(chǎn)品。但是除去產(chǎn)物中分散劑的殘留物是個(gè)問(wèn)題，還有大量低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑參與，要特別注意毒性和易燃問(wèn)題。

2.3 反相乳液聚合法

是將分散介質(zhì)（油相）加入反應(yīng)器中，再加乳化劑達(dá)到其臨界膠束濃度，充分?jǐn)嚢枋谷榛瘎┤芙獠⒎稚⒕鶆?，通氮加熱到反?yīng)溫度后滴加配好的反應(yīng)液發(fā)生聚合反應(yīng)，一定的時(shí)間后共沸脫水，經(jīng)進(jìn)一步處理后得到產(chǎn)品。反相乳液聚合可以使反應(yīng)速度和分子量同時(shí)提高，但和反相懸浮聚合一樣存在純化和大量有機(jī)溶劑回收的問(wèn)題[2]。

2.4 接枝聚合法

接枝聚合包括聚合物接枝共聚和接枝共聚。其中，聚合物接枝共聚是指在天然的網(wǎng)狀高分子上進(jìn)行自由基接枝聚合制得高吸水樹(shù)脂。而接枝共聚是將親水性單體接枝到聚合物中，和聚合物主鏈上的活性中心發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)天然高分子的接枝改性合成的高吸水性樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、產(chǎn)物超過(guò)使用周期可以分解，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、產(chǎn)品易腐敗，強(qiáng)度較差。

2.5 輻射聚合法

輻射聚合是指在不使用任何引發(fā)劑和交聯(lián)劑，僅僅利用高能電子束或者高能射線(xiàn)照射單體溶液，使其發(fā)生自由基聚合。輻射引發(fā)聚合法工藝簡(jiǎn)單，成本低，在反應(yīng)過(guò)程中不加入任何助劑，所得產(chǎn)物純度較高。

3 綠色高吸水樹(shù)脂在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

綠色高吸水樹(shù)脂源自天然原料，吸水速度快，吸水率高，并且生物降解性較高，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，因此在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

中國(guó)作為水資源短缺的國(guó)家之一，東西氣候的差異使得我國(guó)的許多地區(qū)干旱少雨，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響。因此在農(nóng)業(yè)的發(fā)展領(lǐng)域中實(shí)施高效節(jié)水機(jī)制已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要路徑。近年來(lái)隨著高吸水樹(shù)脂材料的研究，農(nóng)業(yè)中利用高吸水樹(shù)脂的良好吸水性能夠有利于土壤水分的保持，有效解決了農(nóng)業(yè)用水困難。在土壤破壞造成的缺水農(nóng)業(yè)地區(qū)，凝膠狀的水合物能夠釋放自身的水分，促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)水分的吸收，并且能夠在一定的條件下降解，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供肥沃的土壤環(huán)境。天然原料綠色高吸水樹(shù)脂在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不僅有利于農(nóng)作物的吸水和保水，還能夠增加土壤的成分，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供肥料。

3.2 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)藥領(lǐng)域，用高吸水樹(shù)脂做控制藥劑釋放速度的載體，不僅其生物適應(yīng)性好，還能通過(guò)調(diào)節(jié)藥劑的含水率而改變藥劑的釋放速度，使藥劑基本維持定值，可避免隨時(shí)間推移而藥劑的釋放速度降低。Kinam Park等合成出一類(lèi)高吸水樹(shù)脂，該高吸水樹(shù)脂由于通過(guò)毛細(xì)作用使多孔結(jié)構(gòu)展開(kāi)，所以它具有非常快速的吸水速率，并且很快達(dá)到平衡，該類(lèi)高吸水樹(shù)脂應(yīng)用于藥物向腸胃擴(kuò)散的控制劑。

3.3 食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

高吸水樹(shù)脂是可降解的綠色高分子材料，將會(huì)替代不可降解的塑料制品，在包裝行業(yè)和餐飲行業(yè)具有較大的市場(chǎng)發(fā)展空間?？稍偕木G色高吸水樹(shù)脂在雞肉、豬肉等肉食品中能夠制成脫水材料，通過(guò)吸收流出的液體來(lái)維持食物的保鮮期。廖列文等利用淀粉接枝丙烯酸鈉制成高吸水樹(shù)脂，之后與丙二胺、水按照一定的比例混合制備成水凝膠，在4℃的條件下能夠讓魚(yú)保鮮12h以上，并且保鮮的魚(yú)色澤完好。因此綠色的高吸水樹(shù)脂在食品安全方面具有良好的應(yīng)用前景[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

可再生天然原料綠色高吸水樹(shù)脂在我國(guó)的研究還處于初始階段，在未來(lái)的研究和發(fā)展中需要借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，充分挖掘高吸水樹(shù)脂的性能，提高利用效率和可再生性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)各個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]劉國(guó)杰.用天然和可再生原料改性醇酸樹(shù)脂研究進(jìn)展[J].中國(guó)涂料，2014，29，（10）：27-33.

Research and development of renewable natural materials green Superabsorbent

Wu Hai-xia，Tu liguri，Ma Xiao-li

renewable natural raw green superabsorbent has important significance and value to build environment-friendly society. This paper classification green super absorbent resin，synthetic methods，preparation and related applications，explore renewable natural raw green superabsorbent future trends.

renewable natural raw materials；green；superabsorbent；applications；development

TQ324.8

A

1003–6490（2016）04–0155–02

2016–04–01

1.內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“基于綠色化學(xué)策略的馬鈴薯淀粉類(lèi)高吸水樹(shù)脂的合成及吸附重金屬離子的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：HYZR1502）；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目“高職院?！犊萍嘉幕A(chǔ)》課程的建設(shè)研究”（（項(xiàng)目編號(hào)：NJ10277）。

吳海霞（1978—），女，山西朔州人，碩士，講師，主要從事有機(jī)合成研究。