生物大分子魔芋的阳离子化改性及聚电解质复合物的研究

发布时间：2020-09-19 13:09

　　由于不可再生能源的日益枯竭以及对环境带来的巨大负面影响,寻找可替代的新型材料已成为科研工作者目前研究课题的重点。生物大分子魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan,简称KGM),因其可完全降解,且拥有出众的生物相容性、易得性、低价性,因此在基因负载、药物释放、食品添加、化学纺织等方面获得了良好的应用。但是其溶于水后流动性差,长时间放置易降解,较差的机械性能等缺陷限制了KGM在其他领域的应用。因此对魔芋进行适当的化学修饰对提高它的使用范围显得格外重要。KGM分子链中富含羟基,因此可以进行多样的化学改性。本文首先寻找到KGM的良溶剂—NaOH/尿素溶液,对魔芋粉进行充分的溶解,之后在均相条件下,加入阳离子醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC),对KGM实施季胺化改性。通过对产物的红外光谱、元素分析以及~1H NMR结果证明产物分子链中成功接上阳离子基团。通过改变反应参数,得到了在30℃下,n(KGM):n(CHPAC)=1:10,反应温度9h,季胺化取代度可达到0.46。之后对产物的热性能进行了研究,得知发生阳离子改性后产物的热稳定性有一定程度的下降。接着在流变学的测试中我们发现,发生阳离子化改性后的产物表观粘度随着取代度的增加而减少,并且溶液发生凝胶时的频率也要高于未改性魔芋精粉。最后利用紫外分光光度仪测试产物在污水处理方面的性能,结果显示,阳离子化产物在对阴离子型污水的处理中拥有出色的絮凝性能,上层溶液透光率最大可达99.7%,可成为一种生物友好型的新型污水处理剂。不同于只接有单一电荷的聚电解质,聚电解质复合物(PECs)分子链中可同时携带多个相反电荷,因此PECs的适用领域要远远高于普通聚电解质。为了扩大阳离子化KGM在工业上的应用,我们创新性的将其与羧甲基纤维素进行复配,得到PECs。通过红外分析、热重分析以及流变分析,得到复合物分子结构、热性能以及流变性能,从中我们可以知道发生复合后,相较于阳离子KGM,PECs的热性能以及流动性获得了提升。最后研究了复合物在两种不同电性污水中的处理效果,结果显示发生聚电解质复合后的KGM对不同电性的环境都拥有良好的絮凝处理效果,证明阳离子KGM发生复合后,各项性能都有了提升,且应用范围也得到了提高。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ317;X703
【部分图文】：

聚电解质复合物

用力主要包括强且可逆的静电作用、取向力作用、氢键作用、憎水相互作用以及范德华力[49]。这些相互作用会导致团聚或是凝胶的形成，当两相反聚电解质之间的作用力很强时，便会生成沉淀。相较于传统由化学交联剂形成的复合物，PECs 具有无毒、且耐受性强、生物相容性好等优点，并且其制备方法简单、原料来源丰富、成本较低，因此 PECs 在药物控制释放、涂料、粘接剂、絮凝剂等领域都有潜在的利用，所以对于 PECs 的制备手段、生产条件以及使用方法受到了广泛的研究讨论。制备 PECs 的方法主要分为(1)酸碱中和反应，(2)聚合物酸的盐与碱的盐之间的反应，(3)负载有相反带电基团之间的直接复合。

魔芋葡甘聚糖,氢氧化钠,尿素溶液,特性粘数

图 2-1 魔芋葡甘聚糖特性粘数的测定GM 在氢氧化钠/尿素溶液中的溶解GM 在 NaOH/CO(NH2)2溶液中的溶解机理可由纤维素在NaOH/C可获得透明体系的原理推测得到[61]：KGM 分子中存在大量的分的氢键，随着氢氧化钠的加入，氢键被破坏，随后与氢氧化钠上的氢键。尿素充当“包合”的作用，将 KGM-NaOH 基团包在一溶解的目的。量比为 6:5:89 的氢氧化钠，尿素和水，按比例顺序分别加入到 2瓶之中，机械搅拌约 20min 后，获得澄清透明溶液。之后将一定燥魔芋精粉加入到溶液中，保持整个体系 KGM 的质量分数为在室温条件以 600rmp 机械搅拌 18h，获得均相 KGM 溶液。 KGM 的阳离子化改性)溶剂的选择

阳离子化反应,氢氧化钠,魔芋葡甘聚糖,分子

20(2)反应原理图2-2 魔芋葡甘聚糖的阳离子化反应从图2-2中我们可以发现，氢氧化钠的作用除了上述所说的有破坏KGM分子间氢键的作用，还起着催化反应的作用：作为一种亲核性试剂，氢氧化钠在KGM阳离子化反应中有一定的催化能力，在氢氧化钠的作用下，KGM-OH转变成为KGM-ONa，不仅属于强碱性物质，同时还具备有良好的亲核性能，加大了反应朝着正方向发生的概率；然而，过量的氢氧化钠会使产物取代率降低：首先，过多的氢氧化钠会攻击阳离子醚化剂上的季胺化基团使其发生降解，此外还会与方程式（1）中生成的环氧物质反应得到双醇，而且过量的氢氧化钠还会导致KGM的降解

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