一種半纖維素基吸水保水材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半纖維素基吸水保水材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]吸水保水性材料是一種極為重要的生物材料，具有可以從濕潤環(huán)境中吸收并保留水分的特性，可應(yīng)用于薄膜、傳感器、個人護(hù)理產(chǎn)品以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。其中，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用結(jié)果表明，吸水保水性材料可以幫助減少灌溉用水量并促進(jìn)肥料在土壤中的保留。
[0003]半纖維素是農(nóng)林生物質(zhì)資源的三大組分之一，在自然界中的含量僅次于纖維素，約占植物資源總量的20-40%，具有廉價易得、可再生、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。隨著人們對環(huán)境問題的重視以及綠色化學(xué)的快速發(fā)展，采用可再生資源制備性能優(yōu)良的生物材料已經(jīng)不可避免地成為了今后的發(fā)展趨勢。但由于半纖維素具有結(jié)構(gòu)不均一、低聚合度、低分子量、強(qiáng)分子內(nèi)氫鍵等缺點(diǎn)而缺乏吸水保水性。接枝改性是一種有效的方法，可以彌補(bǔ)半纖維素固有的缺陷，合成具有理想性能的半纖維素基材料。
[0004]以往的研究表明聚乙二醇是最合適的接枝聚合物之一，具有良好吸濕性、溶解性、生物相容性、生物降解性以及低毒性等優(yōu)點(diǎn)，在化工、生物化學(xué)以及生物技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前并無關(guān)于使用聚乙二醇對半纖維素進(jìn)行接枝改性的報(bào)道，更無關(guān)于將半纖維素接枝聚乙二醇作為吸水保水性生物材料的報(bào)道。
[0005]為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種半纖維素基吸水保水材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的半纖維素基吸水保水材料。
[0007]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—種半纖維素基吸水保水材料的制備方法，包括以下制備步驟:
[0009](I)將單封端的聚乙二醇與4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)分別用無水二甲基甲酰胺溶解后混合，在20?80°C溫度下反應(yīng)3?24h，得到聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物；
[0010](2)將半纖維素溶解于離子液體中;得到半纖維素溶液；
[0011](3)將步驟(I)所得聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物加入到步驟
(2)所得半纖維素溶液中，20?100°C反應(yīng)3?48h，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)沉淀、過濾、洗滌和冷凍干燥，得到所述半纖維素基吸水保水材料。
[0012]優(yōu)選地，所述單封端的聚乙二醇為含有一個活性羥基的聚乙二醇單甲醚;單封端的聚乙二醇的分子量為300?8000g/mol。
[0013]優(yōu)選地，步驟(I)中所述單封端的聚乙二醇與4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)的摩爾比為1:1。
[0014]優(yōu)選地，所述半纖維素中木聚糖質(zhì)量百分含量255%。
[0015]優(yōu)選地，所述離子液體為氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、氯化1-己基-3-甲基咪唑、溴化1-己基3-甲基咪唑或碘化1-己基3-甲基咪唑。
[0016]優(yōu)選地，所述的離子液體在使用前先在70°C、0.1MPa下減壓真空干燥72h或110°C下常壓干燥12h或-40°C下冷凍干燥36h。
[0017]優(yōu)選地，步驟(3)中所述聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物與半纖維素中所含木糖單元的摩爾比為(0.5?10):1。
[0018]優(yōu)選地，所述的沉淀以水作為沉淀劑。
[0019]優(yōu)選地，所述的洗滌是將沉淀得到的產(chǎn)物干燥后溶于二甲基亞砜進(jìn)行透析洗滌。
[0020]一種半纖維素基吸水保水材料，通過以上方法制備得到。
[0021]本發(fā)明原理為:以綠色溶劑體系離子液體為介質(zhì)、以4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)為偶聯(lián)劑、以單封端的聚乙二醇為接枝聚合物與半纖維素發(fā)生接枝反應(yīng)，在溫和的條件下制備半纖維素接枝聚乙二醇。本發(fā)明控制聚乙二醇分子量、離子液體種類、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間以及聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物與半纖維素中無水木糖單元摩爾比，調(diào)節(jié)合適的制備條件。所制得的半纖維素接枝聚乙二醇具有優(yōu)異的吸水保水性能，且可生物降解和生物相容，實(shí)現(xiàn)了半纖維素的高效利用。
[0022]本發(fā)明的制備方法及所得到的產(chǎn)物具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0023](I)本發(fā)明采用半纖維素作為反應(yīng)原料，為半纖維素合成可降解生物材料提供新方法；
[0024](2)本發(fā)明采用4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)作為偶聯(lián)劑，整個過程不需要加入催化劑，且反應(yīng)條件溫和，簡單高效；
[0025](3)本發(fā)明采用綠色溶劑離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)，反應(yīng)效率高，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)均一，有利于產(chǎn)物進(jìn)一步應(yīng)用；
[0026](4)本發(fā)明采用單封端的聚乙二醇作為接枝共聚物，明顯提高了半纖維素的吸水保水性，且產(chǎn)物具有良好的可生物相容性和可生物降解性，為半纖維素基生物材料提供了新方向。
【附圖說明】
[0027]圖1為實(shí)施例1中未經(jīng)改性的半纖維素，聚乙二醇單甲醚(分子量lOOOg/mol)和終產(chǎn)物半纖維素接枝聚乙二醇的紅外光譜圖；
[0028]圖2為實(shí)施例1的終產(chǎn)物半纖維素接枝聚乙二醇在相對濕度為43%條件下，在不同時間的吸水率(A)和保水率(B)變化圖；
[0029]圖3為實(shí)施例1的終產(chǎn)物半纖維素接枝聚乙二醇的生物相容性測試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0031]實(shí)施例1
[0032]本實(shí)施例的一種半纖維素基吸水保水材料，具體制備步驟如下:
[0033](I)室溫下，將分子量為lOOOg/mol的聚乙二醇單甲醚和4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)分別溶解于無水二甲基甲酰胺中，得到聚乙二醇溶液與4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)溶液;再按聚乙二醇與4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)的摩爾比為1:1，將聚乙二醇溶液與4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)溶液混合后在60°C條件下反應(yīng)12h，制得聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物；
[0034](2)將半纖維素(木聚糖質(zhì)量百分含量2 55%)在50°C下真空干燥12h，然后將其分散在離子液體氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑中，在80°C、氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌2h，得到半纖維素溶液;離子液體在使用前于70°C、0.1MPa下減壓真空干燥72h;
[0035](3)按聚乙二醇接枝4，4’_亞甲基雙(異氰酸苯酯)預(yù)聚物與半纖維素中無水木糖單元摩爾比為5:1的比例將預(yù)聚物溶液緩慢加入半纖維素溶液，在70°C條件下反應(yīng)12h;待反應(yīng)液冷卻至室溫后加入超純水沉淀(150ml*3次)，過濾并冷凍干燥。將所得產(chǎn)物溶解于二甲基亞砜中，用截留量為5000分子量的透析袋透析7天后冷凍干燥得到終產(chǎn)物。
[0036]本實(shí)施例未經(jīng)改性的半纖維素，聚乙二醇單甲醚(分子量lOOOg/mol)和終產(chǎn)物半纖維素接枝聚乙二醇的紅外光譜如圖1所示。圖1中，在846,952,1109和2870cm—1左右出現(xiàn)的吸收峰說明說明半纖維素成功接枝了聚乙二醇。
[0037]本實(shí)施例的終產(chǎn)物半纖維素接枝聚乙二醇在相對濕度為43%條件下，在不同時間的吸水率(A)和保水率(B)如圖2所示