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1、本科生毕业设计(论文)( 2012 届)设计(论文)题目丙烯酰胺接枝壳聚糖絮凝剂的制备及性能作者分院专业班级指导教师(职称)论文字数论文完成时间蒋 星材料与化学工程分院高分子材料与工程0801孙燕(副教授)81502012 年 4月 15日杭州师范大学钱江学院教学部制i / 18丙烯酰胺接枝壳聚糖絮凝剂的制备及性能高分子材料与工程专业0801 班 蒋星指导教师孙燕摘 要:本实验旨在合成的丙烯酰胺接枝共聚壳聚糖絮凝剂,研究接枝后壳聚糖絮凝剂其优良的絮凝性及投加量小等优点。差示扫描量热分析、红外光谱表征以及粘度测试试验表明丙烯酰胺接枝壳聚糖是成功的。丙烯酰胺与壳聚糖的比例为2:1 的时,改性较好。
2、丙烯酰胺接枝后的壳聚糖其絮凝效果显著提高。关键词: 壳聚糖;丙烯酰胺;接枝;表征Acrylamide grafted chitosan flocculant preparationAnd performanceApplied Polymer Materials and Engineeringclass 0801 Xing Jiang Instructor: Yan SunAbstract: This experiment is designed to synthesis of acrylamide graft copolymerization chitosan flocculant agent
3、, study after grafting chitosan flocculant its good flocculation sex and dosing quantity small, etc. The acrylamide grafted chitosan was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry, and the Viscosity test of acrylamide grafted chitosan also was test
4、ed. The results showed that acrylamide grafted chitosan was synthesized successfully and the optimal reaction parameters were as following: the ratio of acrylamide and chitosan was 2:1. After acrylamide modified, the flocculation effect was improved significantly.Key words: chitosan; acrylamide ; gr
5、afted; characterizationii / 18目录iii / 18iv / 18丙烯酰胺接枝壳聚糖絮凝剂的制备及性能高分子材料与工程专业0801班 蒋星指导教师孙燕1 引言1.1 壳聚糖的性质介绍壳聚糖( Chitosan,简称 CS,如图1-1)是一种来源丰富、无毒、生物可降解、生物相容性好的药用辅料,已被公认为是很有发展前途的天然高分子化合物1 。是甲壳素( Chitin )脱乙酰基后得到的一种天然生物多聚物,由于具有生物相容性、可生物降解性、低免疫原性及无毒副性2,3 ,广泛应用于医药、化工、纺织、印染和造纸等领域。但CS(除了壳低聚糖外)几乎不溶于水和碱溶液,这在一定程度
6、上使其应用受到了限制。因此对CS 进行化学改性,以改善其溶解性和加工工艺性能已成为壳聚糖研究的重点。OHOHOHHOOOOOOOHHOHOHONH 2NH2nNH2图 1-1壳聚糖结构式壳聚糖分子中含有羟基,乙酰基和氨基,决定了壳聚糖可进行多功能基团的化学反应。作为自然界唯一带有阳离子的天然多糖, 具有独特的生物性能, 故在纳米载药、 载基因体系中倍受青睐 4,5 。壳聚糖如此多的生物活性使它在医药和生物材料领域备受关注,正在作为一种新型的天然高分子材料应用于实践中。甲壳素6和壳聚糖都可以形成分子内和分子间氢键。甲壳素分子内有-OH -和 -CO-基团,分子链之间存在强烈的氢键,所以几乎不溶于
7、水及一般的有机溶剂、稀酸、稀碱或浓碱。而1/18壳聚糖分子内有-OH ,-NH 2, -O 基团,也可以形成多种分子内氢键,但与甲壳素不同的是其分子链的刚性和堆积密度均小于甲壳素,所以其溶解性较甲壳素好。在稀酸中,壳聚糖的-NH 2 被质子化为-NH 3+ ,破坏了原有的氢键和晶格结构,此时-OH 与水分子结合,从而使壳聚糖溶解。壳聚糖为亲水性阳离子聚合物,在乙酸溶液中能产生聚电解质效应。在极稀的壳聚糖溶液中,壳聚糖的分子链充分伸直,类似刚性结构。甲壳素和壳聚糖是少数带正电荷的天然产物之一,具有许多独特的物理、化学性质和生物功能,又具有许多独特的生理活性,是一种非常有价值的新材料。壳聚糖在中性
8、或碱性条件下为阳离子多糖,不溶于水。在酸性条件下,壳聚糖的氨基被质子化而溶解,其溶解度决定于壳聚糖脱乙酞度和溶液pH 值,通常脱乙酞度越高,溶解性越好。一般情况下 1%-3% 的醋酸水溶液可溶解壳聚糖。壳聚糖中的活性氨基使其具有许多特殊功能,可进行多功能基化学反应和立体结构修饰。与其他天然聚合物相比,壳聚糖带正电荷,具有生物黏性、生物相容性,在体内可降解为无毒的氨基葡萄糖被人体完全吸收。壳聚糖还具有抗菌、排毒(吸收有毒金属汞、铅等)、黏附、絮凝作用以及免疫激活活性7 。壳聚糖毒性很小老鼠的半数致死量( LDso ) 是16/kg,接近于糖和食盐,本身不溶血,无热原,不致突变,抗原性也很低。在临
9、床使用时,壳聚糖可接受离子辐射、干热、湿热等灭菌处理。以壳聚糖纳米粒(chitosan nanoparticles, CS-NPs )为载体的药物传输系统具有提高难溶性药物的溶出速率、靶向性以及多肽类药物的吸收等优点8,9 。商业应用的壳聚糖平均相对分子质量在3800-20000之间,脱乙酞度在66%-95% 之间。壳聚糖因其独特的分子结构,是天然多糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖,因而具有一系列特殊功能性质。由于分子内、分子间的氢键作用,使其呈紧密的晶态结构,不溶于水和有机溶剂,只有当脱乙酰度为 50%左右时,二级结构受到最大程度的破坏,结晶度降低,才能较好地溶于水9 。1.2 壳聚糖的应用壳
10、聚糖由于具有生物相容性、可生物降解性、低免疫原性等,广泛应用于医药、化工、纺织、印染和造纸等领域。食品工业10-12(1)抗菌剂。壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性。通过抑制微生物DNA 的复制,从而阻止细胞的分裂;对革兰氏阳性菌和阴性菌都有较好的抑制效果。( 2)保鲜剂。壳聚糖膜可阻碍大气中 O2 的渗入和瓜果呼吸产生 CO2 的逸出,但可使乙烯气体逸出,可抑制好氧微生物的繁殖和延迟瓜果成熟。( 3)抗氧化剂。壳聚糖与肉类的血红蛋白释放出来的金属离子鳌合形成鳌合物,抑制金属离子的催化活性,抑制氧化作用的形成。( 4)果汁的澄清剂。 果汁中含有大量的果胶、 纤维素和多聚糖等物质, 存放期间会使果
11、汁浑浊。利用壳聚糖吸附上述物质絮凝后,澄清果汁可长期存放。2/18纺织印染业( 1)纤维。将精制的壳聚糖制成透明溶液,织成粘胶纤维,可制成具有离子交换性能的织物。( 2)防皱整理剂。壳聚糖与纤维素有较好的吸附和相溶性,壳聚糖的羟基和部分氨基与纤维的羟基形成众多的分子间氢键,能起仿皱效果,可制作特殊用途的布料。( 3)纺织整理剂。壳聚糖用作上浆料,使难上浆材质易染色,对染料具有强亲和力,达到良好的染色效果。医疗保健( 1)药品的助剂、胶囊剂和缓释剂。壳聚糖无毒,易于溶解,片剂中含量高达60%仍符合药典标准,因此壳聚糖可用于药剂的压片助剂和胶囊剂。利用壳聚糖作缓释载体,不但使药物定向定量释放,而且
12、壳聚糖本身还有抗溃疡、抗菌和止血等功能。( 2)制造人造海绵面和人造皮肤。将壳聚糖溶解在含氧化锂的二甲基乙酰胺中,与聚乙烯醇混合,可制成板状海绵;用甲壳素制成的仿生膜,对创面无刺激性,可作为大面积烧伤的皮源。( 3)制备分离膜和高性能纤维。壳聚糖是制作人工肾的渗析膜和人工肝脏的良好材料。壳聚糖制成的纤维有抗 射线的能力,可用作手术的缝合线,可被生物体吸收,并有消炎抗菌的作用。( 4)对消化系统的保护。分子量高的壳聚糖及其衍生物与胃酸作用可形成凝胶,在胃壁上形成一层保护膜,可使胃部溃疡得以控制和治疗。( 5)减肥去脂作用。壳聚糖被摄入人体后,可与相当于自身许多倍的甘油三脂、胆汁酸或胆固醇等脂类化
13、合物生成络合物,使之排出体外。( 6)增强免疫功能, 延缓衰老。 壳聚糖可作为免疫增强剂,用于病菌感染及癌症的辅助治疗。对抗或阻缓自由基对细胞的攻击,降低机体免造病理性损害以及延缓衰老方面具有很好的功效。( 7)是口腔医疗卫生的佳品。壳聚糖及其衍生物可以预防龋齿和牙周溃疡,除去或减轻口臭,因此,可以以漱口液等形式防止牙周脓肿、牙龈出血、牙齿松动等。在牙膏中加入5 %甲壳胺无机酸或有机酸颗粒,还可以改进研磨性与外观,同时有抗菌消炎的作用,成为口腔卫生的佳品。化妆品行业( 1)护肤用品。保湿剂是化妆品中不可缺少的重要成分,添加壳聚糖的洁肤、护肤液有良好的吸湿、保湿性能。可以说壳聚糖化妆品是一种性能
14、很好的美白化妆品。在膏霜类化妆品中适量加入壳聚糖可增加人体对细菌、真菌的免疫力,阻碍原菌生长,消除由于微生物侵害而引起的皮炎、粉刺。用壳聚糖制备含有福尔马林的化妆品,具有良好的杀菌效果。壳聚糖与其他高分子物质复合制备的面膜,由于其良好的亲水性、亲蛋白性,对皮肤无过敏、无刺激、无毒性反应,且在成膜过程中使得整个面膜材料与皮肤接触感明显柔和,对皮肤的亲和性明显增加。( 2)美容化妆品。在美容化妆品中,壳聚糖具有易成膜、皮肤调理性能好、防止皮肤干裂、粗3/18糙及老化、增强化妆品有效成分的透皮吸收、加速表皮细胞的代谢和再生能力的功能,从而达到减缓衰老,修饰美容的效果。如果把它配成霜膏,不但可以给皮肤
15、提供营养成分如胶原蛋白等,还可填充在表皮产生的干裂缝中,最终和表皮长成一体,以达到修饰美容的效果。1.3 丙烯酰胺的性质及应用介绍丙烯酰胺是一种白色晶体化学物质,是生产的原料。聚丙烯酰胺主要用于水的净化处理、纸浆的加工及管道的内涂层等。淀粉类食品在高温(>120)烹调下容易产生丙烯酰胺。丙烯酰胺是一种不饱和酰胺,别名AM ,其单体为无色透明片状结晶,沸点125 (3325Pa),熔点 8485,密度 1.122g/cm3。能溶于水、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿,不溶于苯及庚烷中,在酸碱环境中可水解成丙烯酸。是有机合成材料的单体,生产医药、染料、涂料的中间体。丙烯酰胺单体在室温下很稳定, 但当处
16、于熔点或以上温度、 氧化条件以及在紫外线的作用下很容易发生聚合反应。当加热使其溶解时,丙烯酰胺释放出强烈的腐蚀性气体和氮的氧化物类化合物。研究表明,人体可通过消化道、呼吸道、皮肤黏膜等多种途径接触丙烯酰胺,饮水是其中的一条重要接触途径。 2002 年 4 月瑞典国家食品管理局和斯德哥尔摩大学研究人员率先报道,在一些油炸和烧烤的淀粉类食品,如炸薯条、炸土豆片等中检出丙烯酰胺,而且含量超过饮水中允许最大限量的 500 多倍。之后挪威、英国、瑞士和美国等国家也相继报道了类似结果。此外,人体还可能通过吸烟等途径接触丙烯酰胺。丙烯酰胺进入体内又可通过多种途径被人体吸收,其中经消化道吸收最快。进入人体内的
17、丙烯酰胺约 90% 被代谢,仅少量以原形经尿液排出。丙烯酰胺进入体内后,会在体内与 DNA 上的鸟嘌呤结合形成加合物,导致遗传物质损伤和基因突变。对接触丙烯酰胺的职业人群和偶然暴露于丙烯酰胺人群的调查表明,丙烯酰胺具有神经毒性作用,但目前还没有充足的证据表明通过食物摄入丙烯酰胺与人类某种肿瘤的发生有明显关系。1.4 丙烯酰胺接枝壳聚糖絮凝剂13 制备的意义(1)壳聚糖 - 丙烯酰胺接枝共聚物是具有强阳离子、弱阴离子特性的两性分子,充分利用了壳聚糖和聚丙烯酰胺两种聚合物的特性,具有助留效果好、成纸强度降低少、贮存稳定等特点。(2)壳聚糖 - 丙烯酰胺接枝共聚物的增强作用是由于其分子中含有羟基与氨
18、基,可以和纤维素分子间形成大量氢键以及部分氨基、羧基形成离子键,部分氨基与醛基在高温下会形成共价键。(3)壳聚糖与丙烯酰胺接枝形成的接枝共聚物,降低了壳聚糖在酸性条件下的强正电荷含量,又增大了分子链长和支链数量,从而增强了其分子的架桥絮凝能力12 。接枝共聚物CAM 的助留作用主要表现为电荷中心、架桥絮凝两种协同作用的结果。本文的研究重点就是对丙烯酰胺接枝改性壳聚糖絮凝剂制备条件进行了条件试验,并对改性产物进行了红外分析,差示扫描量热分析和粘度检测以及絮凝效果检测。结果成功获得目标产物,有效改善了壳聚糖的絮凝性。4/182 实验部分2.1 实验方法实验药品和仪器表 2-1实验药品实验药品厂家壳
19、聚糖( Mv=124 万, DD=94% )上海国药集团化学试剂有限公司硝酸铈铵江苏彤晟化学试剂有限公司丙烯酰胺成都市科龙化工试剂厂氢氧化钠( NaOH )杭州萧山化学试剂厂冰醋酸杭州长征化学试剂有限公司无水乙醇杭州长征化学试剂有限公司高岭土苏州市相城区恒达高岭土材料厂表 2-2 实验仪器仪器实验仪器厂家DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器巩义市予华仪器有限公司有限公司傅里叶红外光谱仪浙江精科计量仪器有限公司乌氏粘度计上海光谱仪器有限公司FA2104N 分析天平上海博迅实业有限公司电子天平上海民桥精密科学仪器有限公司数显鼓风干燥箱上海博迅实业有限公司紫外分光光度计上海光谱仪器有限公司Per
20、kin-Elmer PYRIS I 型差示扫描量热美国 TA 仪器公司仪5/18丙烯酰胺改性壳聚糖的基本原理在硝酸铈铵引发壳聚糖丙烯酰胺接枝共聚的反应过程中, 首先是与壳聚糖单元络合, 使壳聚糖链上葡萄环位 2,3位置上的两个碳原子产生的一个被氧化, 碳键断裂 ,在未氧化的羟基或胺基碳原子上产生初级自由基, 再引发丙烯酰胺单体进行聚合。壳聚糖与丙烯酰胺接枝共聚反应机理如下:CH 2OHCH2OHOOO4+O+ CeOHOH(R)NH2NH 24+CeCH 2OHCH2OHOOOOHO CCCCNHONH2CH2OHCH2OHOCH2CHCONH2OO+OHO CHHCNHOCHCNHCHCH2
21、 -nCHCH2nCONH 2CONH 2图 2-1壳聚糖与丙烯酰胺接枝共聚机理实验试剂的配制与准备配置 1.5%的冰醋酸100ml ,称取壳聚糖2.01g,丙烯酰胺8.02g,配置 0.2mol/L 的硝酸铈铵溶液,配置 2mol/L 的氢氧化钠溶液。丙烯酰胺改性壳聚糖的制备将称取的壳聚糖融入100ml1.5% 的冰醋酸中,并用恒温加热磁力搅拌器在50搅拌。30 分钟以后,滴加引发剂硝酸铈铵。20 分钟后,加入一定量的丙烯酰胺进行接枝共聚,继续反应4 小时。移出溶液,用2mol/l的氢氧化钠调节溶液的pH 为910得白色絮状沉淀物,用乙醇洗涤多次,60真6/18空干燥至恒重。2.2 成品分析
22、方法粘度分析准确称取 1g 干燥过的接枝共聚产品溶于100mol 质量分数为1%的醋酸溶液中, 25下测定粘度。差示扫描量热(DSC )分析将壳聚糖、丙烯酰胺改性壳聚糖(1:1、 2:1、3:1、 4:1、 5:1)、丙烯酰胺进行差示扫描量热分析。精确称取 2-5mg 样品,放入特制的铝锅中, 封好口,放入机器中,在高纯氮气保护下, 压力指示 0.1MPa 。首先,将温度从室温升到120(升温速率为10 /min ),在 120恒温保持5min,然后再从120降到 -40(降温速率为10 /min ),停留5 分钟,最后从-40再一次升高到300(升温速率为10 /min )。红外光谱分析将壳
23、聚糖、丙烯酰胺改性壳聚糖(1:1、 2:1、3:1、 4:1、 5:1)这六种样品的结构进行红外光谱表征。固体样品用 KBr 压片法制作:以样品与KBr 质量比为 1:100 的比例来制作KBr 片,将样品放于玛瑙研钵中混合研磨,在压片机上压片。后放入机器内红外分析。扫描次数为32,清晰度为 4cm-1 。2.2.4 高岭土模拟水样的絮凝实验14-16采用烧杯试验法: 在 1L 的烧杯中, 加入高岭土5g,加水 1L。变速搅拌器以300r min 的转速 搅拌 15min 。搅拌速度降至 120r min ,加入定量的絮凝剂溶液搅拌 1min ,最后搅拌速度降至40rmin 搅拌 5min ,
24、停止搅拌,静置 5min ,抽取上清液10mL。用分光光度计在 550nm 波长处,测定上清液透光率。7/183 结果与讨论3.1 红外光谱分析ABCD-11600cm3600320028002400200016001200800400Wavenumber(cm -1 )图 3-1 样品红外图谱(A、壳聚糖; B、丙烯酰胺:壳聚糖=2:1 ; C、丙烯酰胺:壳聚糖=3:1 ;D:丙烯酰胺:壳聚糖=4:1 )壳聚糖红外光谱分析结果如图3-1 所示。壳聚糖谱图在3446、 2920、 1665cm 出现壳聚糖特征吸收峰,而壳聚糖一丙烯酰胺接枝共聚物的红外光谱图中除了在3446、 2920、 166
25、5cm 处出现壳聚糖特征吸收峰外,在1600cm 处出现酰胺基特征吸收峰,这表明反应产物为壳聚糖与丙烯酰胺的接枝共聚物。8/183.2 差示扫描量热(DSC )分析CACSBCS:AM=1:1CCS:AM=1:2DCS:AM=1:3ECS:AM=1:4AEDBB20406080100120140160180200oTemperature(C)图 3-2 样品 DSC 分析谱图( X 轴为 Temperature/)( A 、壳聚糖; B、丙烯酰胺:壳聚糖 =1:1 ; C、丙烯酰胺:壳聚糖 =2:1; D:丙烯酰胺:壳聚糖 =3:1 ; D:丙烯酰胺:壳聚糖 =4:1)对丙烯酰胺改性壳聚糖进行
26、差示扫描量热(DSC)分析,如图3-2 所示。据图表明,5 种样品在DSC 曲线上的表现不同。 壳聚糖的吸热峰出现在250之后,丙烯酰胺改性后的壳聚糖,样品在 140左右都出现一个不明显的的峰值,类似玻璃化转变的台阶,在升温过程中较早的发生了转变,这可能是壳聚糖与丙烯酰胺之间的氢键解离导致的。当丙烯酰胺与壳聚糖之比为2:1 时,有比较明显的不同。吸热峰明显前移,前面的不明显的峰也向后移,两个峰值趋于合并。这可能表明2:1 这个比例丙烯酰胺改性壳聚糖比较成功。3.3 粘度分析表3-1 不同含量的丙烯酰胺的产物粘度比较m(丙烯酰胺) : m(壳聚糖)粘度( mP a· s)9/181:1
27、10.52:126.23:118.54:117.65:116.6由表 3-1可以看出,当m(丙烯酰胺): m(壳聚糖) =2:1时,产物的粘度最大,表示聚合效果最好。3.4 接枝共聚物的絮凝性能分析不同浓度接枝物对高岭土浊度的去除效果17用丙烯酰胺壳聚糖接枝共聚物处理高岭土水样,其用量对絮凝能力的影响如图3-2 所示。由图可知,当接枝共聚物的质量浓度为8mg/L时,高岭土水样的剩余浊度接近于6NTU,去除率达 92%。当浓度继续增大时,浊度又会上升,这是因为絮凝剂带有大量正电荷,使胶体表面发生再稳现象,因此浊度又上升。50O r i g i n P r o8E v a l u a t i o
28、nO r i g i n P r o8E v a l u a t i o nyti)di Ub Tru N(T40O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n30O r i g i n P r o 8E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8E v a l u a t i o n20O r i g
29、 i n P r o 8E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8E v a l u a t i o n10O r i g i n P r o 8E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8E v a l u a t i o n0510152025Flocculant concentration(mg.L-1 )图 3-2 不同浓度接枝共聚物对高岭土浊度的去除效果10/18值对
30、CAM 絮凝性能的影响改变高岭土模拟水样的pH 值,做絮凝实验,如图3-3 所示, pH 值在中性范围内,溶液的透光率最好。而pH值在酸性和碱性的范围内,溶液的透光率下降。因为在酸性溶液中,高岭土悬浮液荷负电性下降。该絮凝剂在酸性溶液中的絮凝效果下降,说明电中和作用减轻,故此在酸性溶液中絮凝剂为阳离子高分子性质。在碱性溶液中,高岭土悬液荷负电性增加,而絮凝剂分子中含有酰胺基,它通过碱化后部分水解转化为羧酸基-COO-,故在碱性溶液中絮凝剂本身荷负电性也增加,这与悬浮液荷负电性增加一致,故电中和作用减弱。再者若聚合物分子中的阳离子基团是伯胺、仲胺,随pH值的提高,其絮凝性能也下降。故絮凝剂在碱性
31、溶液中主要表现为吸附架桥作用。10510095%率光透908580567891011pH值图 3-3 不同 PH对絮凝性能的影响4 结论本实验采用丙烯酰胺接枝改性壳聚糖,研究了不同比例的丙烯酰胺与壳聚糖的接枝效果18-21 ,红外光谱表征改性成功。同时采用差示扫描量热分析对改性产物热力学性能进行了初步表征,结果表明丙烯酰胺改性显著影响了壳聚糖的热力学性能,不同制备下改性产物间热力学性能也存在差异。本研究结论可概括如下:11/18一、丙烯酰胺改性壳聚糖的最佳合成条件丙烯酰胺改性壳聚糖的最佳合成条件是:丙烯酰胺与壳聚糖质量比为2:1,在常温下反应,溶液PH=79 (经反复实验调整PH 值得出的最佳
32、值) 。二、尚存在的问题丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法并不复杂,但问题是其中的表征必不可少,如:差示扫描量热( DSC)分析、红外的结构表征等。每做一个样品都要进过这些环节,然后才能用来研究絮凝效果。所耗的时间相对较长。如果能解决这个问题,丙烯酰胺改性壳聚糖絮凝剂将得到广泛的应用。参考文献:1 郑俊民 .药用高分子材料学 M. 北京 :中国医药科技出版社 , 2007: 87882 Grenh A, Seijo B, Remunan-Lopez C. Microencapsulated chitosan nano-pari cles for lung proteindeliverfJ, Eur
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