本發(fā)明屬于功能高分子材料技術領域，具體涉及一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠及其制備和應用。

背景技術：

現(xiàn)代日常生活中超吸水凝膠廣泛應用于衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、化工、建筑、化妝品和醫(yī)藥等行業(yè)，用量巨大，目前主要來源于聚丙烯酸等合成高分子材料。然而，隨著近年來石油資源的緊缺，以及人們對環(huán)境保護和資源可持續(xù)發(fā)展的日益重視，天然高分子基超吸水凝膠成為研究前沿和熱點方向之一。

纖維素為地球上儲量最豐富的可再生生物質(zhì)資源，未來有望成為主要的化學資源之一。纖維素是由β-(1→4)-d-吡喃葡聚糖構成的線性高分子化合物，具有良好的生物相容性和降解性，但是，其存在難溶于水、熱塑性差、不具有抗菌性等缺點，這很大程度限制了其應用范圍。羧甲基纖維素是一種纖維素羧甲基化的產(chǎn)物，因其分子鏈中含有大量的羧基和羥基，有效克服了纖維素難溶于水的問題。當前羧甲基纖維素水凝膠的研究主要集中在吸水倍率不高的功能水凝膠。此外，羧甲基纖維素自身并沒有抑菌性能，因此其水凝膠在衛(wèi)生和醫(yī)療領域的應用也受到了一定限制。通常制備抗菌性水凝膠的方法是在水凝膠中引入無機抑菌劑ag⁺，但這種方法引起了人們對安全隱患的憂慮。

樹狀分子是通過支化單元逐步重復反應得到的具有樹狀高度支化結構的大分子。由于其結構和體積的精確可控性，以及較多功能基團的存在，使得近年來備受廣泛關注。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有產(chǎn)品和技術的不足，本發(fā)明目的在于提供一種具有優(yōu)異的吸水、保水、再溶脹、吸生理溶液和抗菌性能的樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠及其制備方法和應用。

為實現(xiàn)上述目的，采用技術方案如下：

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，由樹狀分子和羧甲基纖維素在交聯(lián)劑的作用下合成。

按上述方案，所述樹狀分子為聚酰胺-胺樹狀分子。

按上述方案，所述交聯(lián)劑為環(huán)氧氯丙烷；交聯(lián)劑的用量大于羧甲基纖維素用量的35wt％。

按上述方案，所述樹狀分子的用量為羧甲基纖維素用量的1～50wt％。

上述樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

1)將羧甲基纖維素完全溶解于堿性溶液中；

2)將酸中和后的聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

3)加入環(huán)氧氯丙烷，在20～40℃下攪拌直至分散均勻，然后55～65℃下保溫反應2～4小時；

4)所得產(chǎn)物分別采用去離子水和乙醇洗滌、干燥后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

上述方案中，步驟1所述堿性溶液為naoh溶液。

上述方案中，步驟2所述酸為鹽酸溶液。

上述方案中，步驟4所述干燥為冷凍干燥或低溫烘干；低溫干燥的溫度低于60℃。

上述樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠在個人衛(wèi)生和醫(yī)用材料領域的應用。

單純的羧甲基纖維素超吸水凝膠沒有抑菌性能，而聚酰胺-胺樹狀分子的引入，使羧甲基纖維素超吸水凝膠具有良好的抑菌性能，從而可以滿足個人衛(wèi)生和醫(yī)用材料領域應用的要求。交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷不僅參與了羧甲基纖維素超吸水凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡結構的形成，得到了一種新型結構的超吸水凝膠，而且有助于提升聚酰胺-胺樹狀分子的負載。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明以樹狀分子和羧甲基纖維素為原料，制備了一種新型超吸水凝膠，所述超吸水凝膠具有優(yōu)異的吸水、保水、再溶脹、吸生理溶液和抗菌性能；

本發(fā)明所述樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的吸水、保水、再溶脹、吸生理溶液和抗菌性能均可通過改變樹狀分子用量、羧甲基纖維素濃度和交聯(lián)劑用量等工藝條件加以調(diào)節(jié)；

本發(fā)明所述樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠以儲量豐富的可再生資源(纖維素衍生物)為原料，且產(chǎn)物可生物降解，具有突出的環(huán)保特性；

本發(fā)明所述樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠可用于生物醫(yī)用和個人衛(wèi)生材料領域；

本發(fā)明制備方法與工藝簡單易行，成本低，便于產(chǎn)業(yè)化應用。

附圖說明

圖1：本發(fā)明制備樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的分子結構圖；

圖2：本發(fā)明制備樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下實施例進一步闡釋本發(fā)明的技術方案，但不作為對本發(fā)明保護范圍的限制。

實施例1

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將一定量羧甲基纖維素溶于堿性溶液中，攪拌至完全溶解，得到4.5wt％的羧甲基纖維素溶液；

(2)采用鹽酸溶液將設定量2.0代聚酰胺-胺樹狀分子(用量為羧甲基纖維素的30wt％)中和；

(3)將步驟(2)所得聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

(4)加入一定量的交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(用量為羧甲基纖維素的65.6wt％)，在30℃下攪拌直至分散均勻，然后于60℃下保溫反應4小時；

(5)反應結束后，將凝膠用去離子水和乙醇洗滌，于50℃下烘干后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

通過稱重法測試該超吸水凝膠的吸水性能，吸水率按式(1)計算：

m為超吸水凝膠吸水后質(zhì)量(g)，m0為干態(tài)超吸水凝膠吸水前質(zhì)量(g)。產(chǎn)物的吸鹽水率也可根據(jù)式(1)計算得到。

本實施例制備得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的吸水率和吸鹽水率分別達到184g/g和52g/g，結果表明該超吸水凝膠具有優(yōu)異的吸水和吸鹽水性能。

圖1為本實施例制備得到的樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的分子結構圖，圖2為樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的掃描電鏡圖。圖1表明，環(huán)氧氯丙烷通過與羧甲基纖維素上的羥基反應形成交聯(lián)結構，而聚酰胺-胺樹狀分子參與了該交聯(lián)反應，得到一種新型分子結構的水凝膠。圖2的樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的掃描電鏡圖可以看出，該水凝膠具有良好的三維多孔網(wǎng)絡結構。

實施例2

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將一定量羧甲基纖維素溶于堿性溶液中，攪拌至完全溶解，得到6wt％的羧甲基纖維素溶液；

(2)采用鹽酸溶液將設定量2.0代聚酰胺-胺樹狀分子(用量為羧甲基纖維素的30wt％)中和；

(3)將步驟(2)所得聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

(4)加入一定量的交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(用量為羧甲基纖維素的49.2wt％)，在30℃下攪拌直至分散均勻，然后于65℃下保溫反應3小時；

(5)反應結束后，將凝膠用去離子水和乙醇洗滌，于50℃下烘干后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

通過稱重法測試該超吸水凝膠的保水性能，保水率按式(2)計算：

mt為吸水平衡的超吸水凝膠于40℃下放置t時間后質(zhì)量(g)，me為達到吸水平衡的超吸水凝膠質(zhì)量(g)。

本實施例制備得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠放置30小時后的保水率達到49％，結果表明該超吸水凝膠具有良好的保水性能。

實施例3

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將一定量羧甲基纖維素溶于堿性溶液中，攪拌至完全溶解，得到5wt％的羧甲基纖維素溶液；

(2)采用鹽酸溶液將設定量2.0代聚酰胺-胺樹狀分子(用量為羧甲基纖維素的30wt％)中和；

(3)將步驟(2)所得聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

(4)加入一定量的交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(用量為羧甲基纖維素的59wt％)，在25℃下攪拌直至分散均勻，然后于60℃下保溫反應4小時；

(5)反應結束后，將凝膠用去離子水和乙醇洗滌，于45℃下烘干后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

通過將吸水后的超吸水凝膠干燥后，再次進行吸水性能測試以得到再溶脹性能。

本實施例制備得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠的初始吸水率為140g/g，第一次再溶脹吸水率達到288g/g，第二次再溶脹吸水率達到429g/g，第三次再溶脹吸水率達到450g/g。結果表明該超吸水凝膠的再溶脹性能顯著。

實施例4

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將一定量羧甲基纖維素溶于堿性溶液中，攪拌至完全溶解，得到3.5wt％的羧甲基纖維素溶液；

(2)采用鹽酸溶液將設定量2.0代聚酰胺-胺樹狀分子(用量為羧甲基纖維素的30wt％)中和；

(3)將步驟(2)所得聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

(4)加入一定量的交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(用量為羧甲基纖維素的84.4wt％)，在30℃下攪拌直至分散均勻，然后于60℃下保溫反應4小時；

(5)反應結束后，將凝膠用去離子水和乙醇洗滌，于45℃下烘干后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

通過稱重法測試該超吸水凝膠在生理溶液中的吸水性能，吸水率也按式(1)計算得到。

本實施例制備得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠在葡萄糖溶液(濃度5wt％)和尿素溶液(濃度5wt％)中均具有良好的吸水率，分別達到180g/g和244g/g。

實施例5

一種樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將一定量羧甲基纖維素溶于堿性溶液中，攪拌至完全溶解，得到5wt％的羧甲基纖維素溶液；

(2)采用鹽酸溶液將設定量2.0代聚酰胺-胺樹狀分子(用量為羧甲基纖維素的40wt％)中和；

(3)將步驟(2)所得聚酰胺-胺樹狀分子加入到羧甲基纖維素溶液中，充分攪拌均勻；

(4)加入一定量的交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(用量為羧甲基纖維素的59wt％)，在30℃下攪拌直至分散均勻，然后于60℃下保溫反應4小時；

(5)反應結束后，將凝膠用去離子水和乙醇洗滌，于50℃下烘干后得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠。

通過吸光度法對超吸水凝膠的抗菌性能進行測試，抑菌率按式(3)計算：

a為加入超吸水凝膠的細菌培養(yǎng)基吸光度，a0為未加超吸水凝膠的細菌培養(yǎng)基吸光度。

本實施例制備得到樹狀分子/羧甲基纖維素超吸水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別為47.8％和48.6％，結果表明其對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌都具有良好的抗菌性能。