抑菌型高吸水树脂的合成及其性能研究

论文摘要

本文根据高吸水树脂的应用要求，结合国内外关于高吸水树脂的研究成果，以壳聚糖、羧甲基壳聚糖、银离子和对羟基苯甲酸正丁酯为抑菌添加剂，采用水溶液聚合法，分别制备了壳聚糖高吸水树脂（CTS-g-PAA）、羧甲基壳聚糖高吸水树脂（CMCTS-g-PAA）、聚丙烯酸高吸水树脂/Ag+复合材料（PAA/Ag+）和聚丙烯酸高吸水树脂/对羟基苯甲酸正丁酯复合材料（PAA/BP）4种具有抑菌性能的高吸水树脂，对树脂的合成条件和性能进行了研究，在此基础上，通过对几种抑菌型吸水树脂各方面性能的综合比较，分析几种材料各自存在的优势和缺陷，为具有抑菌性能高吸水树脂产品的开发与应用提供指导。最后，对高吸水树脂的耐盐性和降解性进行研究，提高吸水树脂产品的性能。得到的主要结果如下：1.以获取具有一定抑菌性能的高吸水树脂为目的，采用壳聚糖和丙烯酸为原料，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，水溶液聚合法合成具有抑菌性能的高吸水性树脂，树脂的红外吸收光谱说明了壳聚糖与丙烯酸发生了接枝共聚反应。在适宜合成条件下，树脂具有较高的吸水性能及良好的抑菌性能，吸水倍率为685g/g，接枝率为84.2%，在65℃鼓风干燥条件下，2h后保水率为67.2%；树脂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑制其生长的作用，抑菌率范围为6575%。采用均匀设计法建立了各参数对树脂吸水性能、抑菌性能影响的模型关系，通过验证证明模型是有效的。2.通过对CTS-g-PAA、CMCTS-g-PAA、PAA/Ag+和PAA/BP几种抑菌型吸水树脂抑菌性、吸水性、降解性、稳定性和成本等方面的综合比较发现，PAA/Ag+的抑菌性能最好，但其吸水性能差，难降解，在空气中不稳定，使用过程中易与溶液中的阴离子发生反应而失去抑菌性能，成本较高，存在较多的缺陷，难以在实际中应用；PAA/BP的抑菌性能较好，吸水性能也较好，但其在自然环境中较难降解，如果大规模应用，必将对环境造成一定的污染；CTS-g-PAA和CMCTS-g-PAA均具有良好的吸水性能和抑菌性能，在自然环境中可降解，生产成本低，最有可能实现大规模化生产，开发CTS-g-PAA和CMCTS-g-PAA产品，具有广阔的市场前景。3.以壳聚糖高吸水树脂为例，通过引入非离子型亲水单体丙烯酰胺，可以提高树脂的耐盐性能，丙烯酰胺添加量为0.20g时，树脂的吸盐水率为69g/g，通过改性，吸盐水率提高了将近20g/g。4.选取PAA、CTS-g-PAA和纤维素吸水树脂（C-g-PAA）为研究对象，进行土壤微生物降解试验，研究不同类型吸水树脂在土壤微生物中的降解情况，通过扫描电子显微镜观察壳聚糖吸水树脂降解前后的形态变化。结果表明，引入纤维素、壳聚糖结构单元可提高吸水树脂的生物降解性能，在相同条件下，C-g-PAA和CTS-g-PAA的降解率高于合成树脂系产品PAA。用扫描电子显微镜观察壳聚糖吸水树脂降解前后的形态变化发现：树脂降解前后的表面形态发生了较大的变化。降解前，高吸水树脂的表面比较平滑均匀；降解后，高吸水树脂的表面结构凹凸不平，出现了许多沟壑、孔洞，在高倍条件下甚至能观察到树脂未降解部分的骨架结构，说明高吸水树脂中的部分成分已被降解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高吸水树脂的分类
• 1.1.1 按原料来源
• 1.1.2 按交联反应的类型
• 1.1.3 按亲水基团引入的方法
• 1.1.4 按制品形态
• 1.2 高吸水树脂的吸水机理
• 1.2.1 高吸水树脂在水中的溶胀过程
• 1.2.2 高吸水树脂水凝胶结构模型
• 1.2.3 Flory 弹性凝胶理论
• 1.3 高吸水树脂抑菌性能的研究
• 1.3.1 高吸水树脂/抑菌剂复合材料
• 1.3.1.1 无机抑菌剂高吸水树脂复合材料
• 1.3.1.2 有机抑菌剂高吸水树脂复合材料
• 1.3.2 壳聚糖系高吸水树脂
• 1.4 高吸水树脂耐盐性的研究
• 1.4.1 引入非离子型亲水基团
• 1.4.2 与无机物复合
• 1.4.3 互穿网络
• 1.4.4 紫外、微波等引发聚合
• 1.5 高吸水树脂的降解性能研究
• 1.6 高吸水树脂的其他改性方法
• 1.7 高吸水树脂的应用
• 1.7.1 农林及园艺中的应用
• 1.7.2 沙漠改造中的应用
• 1.7.3 医疗卫生中的应用
• 1.7.4 环境保护中的应用
• 1.7.5 建筑工程和石油化工中的应用
• 1.8 研究内容和意义
• 第2章 壳聚糖-g-聚丙烯酸高吸水树脂的制备及性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 仪器、设备
• 2.2.3 壳聚糖吸水树脂的制备
• 2.2.4 壳聚糖吸水树脂的结构表征
• 2.2.5 壳聚糖吸水树脂的性能测定
• 2.2.5.1 吸水倍率的测定
• 2.2.5.2 接枝率的测定
• 2.2.5.3 吸水速率的测定
• 2.2.5.4 保水性能的测定
• 2.2.5.5 抑菌性能的测定
• 2.2.6 均匀设计法在吸水树脂制备中的应用
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 壳聚糖高吸水树脂的红外光谱分析
• 2.3.2 不同因素对树脂吸水性能的影响
• 2.3.2.1 引发剂用量
• 2.3.2.2 交联剂用量
• 2.3.2.3 壳聚糖用量
• 2.3.2.4 中和度
• 2.3.3 壳聚糖吸水树脂的抑菌性能
• 2.3.3.1 中和度对树脂抑菌性能的影响
• 2.3.3.2 壳聚糖添加量对树脂抑菌性能的影响
• 2.3.4 具有抑菌性能的壳聚糖吸水树脂合成条件的确定
• 2.3.5 吸水树脂的吸水速率、保水性能
• 2.3.6 均匀设计分析结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 几种抑菌型高吸水树脂的合成及其性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 仪器、设备
• 3.2.3 羧甲基壳聚糖的制备
• 3.2.4 羧甲基壳聚糖取代度和产率的测定
• 3.2.5 羧甲基壳聚糖吸水树脂的制备
• 3.2.6 聚丙烯酸高吸水树脂/Ag+复合材料的制备
• 3.2.7 聚丙烯酸高吸水树脂/对羟基苯甲酸正丁酯复合材料的制备
• 3.2.8 高吸水树脂复合材料的性能
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 羧甲基壳聚糖高吸水树脂的制备及性能
• 3.3.1.1 羧甲基壳聚糖的制备
• 3.3.1.2 羧甲基壳聚糖用量对树脂吸水性能的影响
• 3.3.1.3 羧甲基壳聚糖用量对树脂抑菌性能的影响
• 3.3.1.4 羧甲基壳聚糖吸水树脂合成条件的确定
• 3.3.2 聚丙烯酸吸水树脂/Ag+复合材料的制备及性能
• 3.3.2.1 Ag+的抑菌性能
• 3.3.2.2 聚丙烯酸吸水树脂/Ag+复合材料的抑菌性能
• 3.3.3 聚丙烯酸吸水树脂/对羟基苯甲酸正丁酯复合材料的制备及性能
• 3.3.3.1 对羟基苯甲酸正丁酯添加量对树脂吸水性能的影响
• 3.3.3.2 对羟基苯甲酸正丁酯添加量对树脂抑菌性能的影响
• 3.3.3.4 合成条件的确定
• 3.3.4 几种抑菌型吸水树脂的性能比较
• 3.3.4.1 抑菌性能
• 3.3.4.2 吸水性能
• 3.3.4.3 理论降解性
• 3.3.4.4 稳定性
• 3.3.4.5 成本
• 3.3.4.6 几种抑菌型吸水树脂性能的综合比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 抑菌型高吸水树脂的耐盐性和降解性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 主要试剂
• 4.2.2 仪器、设备
• 4.2.3 耐盐性壳聚糖高吸水树脂的制备
• 4.2.4 耐盐性壳聚糖高吸水树脂的吸盐水性能测定
• 4.2.5 吸水树脂的土壤降解试验
• 4.2.5.1 试验方法
• 4.2.5.2 SEM 观察
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 壳聚糖高吸水树脂的耐盐性改进
• 4.3.2 高吸水树脂的降解性能
• 4.3.2.1 土壤微生物降解试验结果
• 4.3.2.2 高吸水树脂降解前后的形态变化
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 5.2.1 加强基础理论研究
• 5.2.2 提高高吸水树脂的耐盐性能
• 5.2.3 提高吸水树脂的凝胶强度
• 5.2.4 合成高性能、廉价的高吸水树脂
• 5.2.5 加强高吸水树脂应用开发的研究
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果