一種殼聚糖季銨鹽接枝聚（丙烯酸?co?丙烯酰胺）超吸水凝膠及其制備方法和應用與流程
本發明屬于功能高分子技術領域，具體涉及一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠及其制備方法和應用。
背景技術：
超吸水凝膠是三維立體交聯的親水性聚合物，可以吸收大量水的同時不會溶解，且部分凝膠對外部刺激具有不同的響應性。作為一種軟材料，超吸水凝膠具有上述一般剛性材料不具備的性能，這使其具有特殊的應用優勢。因此，廣泛應用于生活衛生用品、醫療、農林園藝以及污水處理等領域。然而，超吸水凝膠的部分性能還有待加強，以便進一步擴大其應用范圍。
傳統超吸水凝膠一般由合成高分子制備，但其生物降解性不足。隨著當前社會對環保性的日益重視，采用具有良好生物降解性的天然高分子制備超吸水凝膠已成為一個重要趨勢。其中，纖維素和淀粉等制備的超吸水凝膠具有較好的吸水性能和生物降解性，是一類環境友好型的原材料。但是由于人們對生活用品質量的需求不斷提高，對超吸水凝膠的其它性能也提出了新的要求，例如具有一定的抑菌和力學等性能。為了增加超吸水凝膠的抑菌性能，一般將超吸水凝膠額外混合或者吸附一些小分子抗菌劑，如無機金屬銀或有機醛類等。殼聚糖作為一種天然可降解高分子，當其分子鏈上引入抗菌基團后則對細菌生長具有一定抑制效果，因此，可以將殼聚糖衍生物制備成為抗菌性可降解超吸水凝膠。此外，殼聚糖只溶解于弱酸，使其在材料的制備和應用上都受到了一定的限制。殼聚糖季銨鹽為一種引入了季銨鹽基團的殼聚糖衍生物，不僅具備殼聚糖生物相容和可降解等優點，而且顯著改善了殼聚糖的水溶性，具有良好的抑菌和吸附等性能，有望應用于日化、醫藥和食品等領域。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種具有優異的吸水、吸鹽水、力學和抗菌性能的殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠及其制備方法和應用。
為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：
一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠，由殼聚糖季銨鹽、丙烯酸和丙烯酰胺在引發劑和交聯劑的作用下制備而成，所述殼聚糖季銨鹽的用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的6.5％～75％。
上述方案中，所述丙烯酰胺的用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的10％～70％。
上述方案中，所述引發劑為過硫酸鉀。
上述方案中，所述引發劑的用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.25％～1.25％。
上述方案中，所述交聯劑為N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺。
上述方案中，所述交聯劑的用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.05％～0.30％。
上述殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的制備方法，包括如下步驟：
(1)將殼聚糖季銨鹽加入到水中，充分攪拌使其溶解后得到殼聚糖季銨鹽溶液；
(2)在冰浴條件下，用氫氧化鈉對丙烯酸進行滴定中和；
(3)中和結束后，再往丙烯酸溶液中加入丙烯酰胺，充分混合均勻；
(4)將步驟(3)所得丙烯酸和丙烯酰胺的混合溶液加入至殼聚糖季銨鹽溶液中，混合均勻；再向其中加入引發劑溶液，氮氣保護下于一定溫度進行預引發；然后加入交聯劑溶液，氮氣保護下加熱到一定溫度進行交聯反應；
(5)反應結束后，將所得凝膠洗滌、干燥后即得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠。
上述方案中，步驟(4)所述預引發的溫度為30℃，時間為15分鐘。
上述方案中，步驟(4)所述交聯反應的溫度為65℃，反應時間為3小時。
上述方案中，步驟(5)所述干燥為冷凍干燥或烘干，所述烘干的溫度低于60℃。
上述殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠在個人衛生材料領域的應用。
本發明的有益效果：(1)本發明以殼聚糖季銨鹽、丙烯酸和丙烯酰胺為原料，通過接枝共聚和交聯反應獲得一種新型超吸水凝膠，所述超吸水凝膠具有優異的吸水、吸鹽水、力學和抗菌性能；(2)本發明所述殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的吸水、吸鹽水、力學和抗菌性能可根據不同使用需要，通過調節殼聚糖季銨鹽、丙烯酸和丙烯酰胺的用量、引發劑和交聯劑用量進行調控，可以滿足不同的具體使用需求；(3)本發明所述殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠由于引入了天然高分子，材料具有可降解性，從而減少了環境污染；(4)本發明所述殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠可用于個人衛生材料領域；(5)本發明制備工藝簡單，成本低，有望實現產業化應用。
附圖說明
圖1為本發明中殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的合成過程以及微觀結構示意圖。
圖2為本發明中殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的掃描電鏡圖。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1
一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：
(1)將殼聚糖季銨鹽(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的12.5％)加入到水中，充分攪拌使其溶解后得到殼聚糖季銨鹽溶液；
(2)在冰浴中用氫氧化鈉對丙烯酸進行滴定中和；
(3)往上述所得丙烯酸溶液中加入丙烯酰胺(丙烯酰胺用量為兩種單體總質量的10％)，充分混合均勻；
(4)將丙烯酸和丙烯酰胺混合溶液加入至殼聚糖季銨鹽溶液中，混合均勻；加入過硫酸鉀(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的1.0％)溶液，氮氣保護下于30℃預引發15分鐘；然后加入N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.2％)溶液，氮氣保護下于65℃反應3小時；
(5)反應結束后，將得到的凝膠洗滌，冷凍干燥后即可得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠。
超吸水凝膠的吸水性能采用稱重法進行測試，吸水率按式(1)計算：
We為吸水平衡時的超吸水凝膠重量(g)，W0為吸水前的干態超吸水凝膠初始質量(g)，吸鹽水率也按式(1)計算。
本實施例制備得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的吸水率達到774g/g，吸鹽水率為88g/g，結果表明丙烯酰胺的引入致使該超吸水凝膠具有優異的吸水和吸鹽水性能。
圖1為本實施例制備得到的殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的合成過程及微觀結構示意圖，殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的掃描電鏡圖見圖2。從圖1可以看出：采用含有非離子型基團的丙烯酰胺單體與含有離子型基團的丙烯酸單體間的共聚，在殼聚糖季銨鹽上接枝了聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物，通過聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物分子鏈間的交聯作用，生成了一種新型超吸水凝膠。圖2的殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的掃描電鏡圖顯示，由于丙烯酰胺的引入，該超吸水凝膠具有均勻的三維多孔立體網絡結構。
實施例2
一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：
(1)將殼聚糖季銨鹽(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的12.5％)加入到水中，充分攪拌使其溶解后得到殼聚糖季銨鹽溶液；
(2)在冰浴中用氫氧化鈉對丙烯酸進行滴定中和；
(3)往上述所得丙烯酸溶液中加入丙烯酰胺(丙烯酰胺和丙烯酸的用量各占總單體質量的50％)，充分混合均勻；
(4)將丙烯酸和丙烯酰胺混合溶液加入至殼聚糖季銨鹽溶液中，混合均勻；加入過硫酸鉀(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的1.0％)溶液，氮氣保護下于30℃預引發15分鐘；然后加入N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.2％)溶液，氮氣保護下于65℃反應3小時；
(5)反應結束后，將得到的凝膠洗滌，冷凍干燥后即可得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠。
本實施例制備得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的抗壓性能達到26KPa，結果表明丙烯酰胺的引入致使該超吸水凝膠具有良好的力學性能。
實施例3
一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：
(1)將殼聚糖季銨鹽(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的62.5％)加入到水中，充分攪拌使其溶解后得到殼聚糖季銨鹽溶液；
(2)在冰浴中用氫氧化鈉對丙烯酸進行滴定中和；
(3)往上述所得丙烯酸溶液中加入丙烯酰胺(丙烯酰胺和丙烯酸的用量各占總單體質量的50％)，充分混合均勻；
(4)將丙烯酸和丙烯酰胺混合溶液加入至殼聚糖季銨鹽溶液中，混合均勻；加入過硫酸鉀(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.75％)溶液，氮氣保護下于30℃預引發15分鐘；然后加入N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.2％)溶液，氮氣保護下于65℃反應3小時；
(5)反應結束后，將得到的凝膠洗滌，冷凍干燥后即可得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠。
超吸水凝膠的抗菌性能采用吸光度法進行測試，抑菌率按式(2)計算：
A0未加超吸水凝膠的細菌培養基吸光度，A為加入超吸水凝膠的細菌培養基吸光度。
本實施例制備得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的抗菌性能結果表明，對大腸桿菌的抑菌率達到40％。
實施例4
一種殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：
(1)將殼聚糖季銨鹽(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的25％)加入到水中，充分攪拌使其溶解后得到殼聚糖季銨鹽溶液；
(2)在冰浴中用氫氧化鈉對丙烯酸進行滴定中和；
(3)往上述所得丙烯酸溶液中加入丙烯酰胺(丙烯酸和丙烯酰胺的用量各占總單體質量的50％)，充分混合均勻；
(4)將丙烯酸和丙烯酰胺混合溶液加入至殼聚糖季銨鹽溶液中，混合均勻；加入過硫酸鉀(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.75％)溶液，氮氣保護下于30℃預引發15分鐘；然后加入N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(用量為丙烯酸和丙烯酰胺兩種單體總質量的0.1％)溶液，氮氣保護下于65℃反應3小時；
(5)反應結束后，將得到的凝膠洗滌，低于60℃烘干后即可得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠。
本實施例制備得到殼聚糖季銨鹽接枝聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)超吸水凝膠的吸水率為544g/g；抗菌性能結果表明，對大腸桿菌的抑菌率達到37.8％。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之內。
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