陽離子水凝膠材料及其製備方法
2023-10-11 06:22:19 3
陽離子水凝膠材料及其製備方法
【專利摘要】一種陽離子水凝膠材料及其製備方法，包括以下重量份數的各成分：蒸餾水55-70份、陽離子聚合物25-40份、交聯劑1-5份、交聯助劑0.5-2份、鹼調節劑0.2-2份和酸調節劑0-6份；其製備方法如下：稱取蒸餾水於燒杯中，加入陽離子聚合物，室溫攪拌至溶解；加入交聯劑，調節溶液pH值並加熱攪拌直至交聯劑完全溶解；再加入交聯助劑，混勻後調節溶液pH至8-9；用保鮮膜覆蓋燒杯口，將燒杯置於50-80℃恆溫水浴中交聯反應24h，得到水凝膠；用去離子水反覆浸泡所述水凝膠，去除其中的無機離子後氣流烘乾並粉碎，即得產品。本發明可以靈活有效地調節陽離子水凝膠的性能，生產成本低廉，合成工藝簡單易行。
【專利說明】陽離子水凝膠材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陽離子水凝膠材料，及陽離子水凝膠材料的製備方法。
【背景技術】
[0002]陽離子水凝膠是一種適度交聯的親水性高分子材料，它具有三維交聯網絡結構，其網絡由大分子主鏈和陽離子型親水基團構成。當水凝膠材料與水接觸時，會由於親水作用和毛細管效應而吸水溶脹，而交聯結構則使其溶脹受到限制，表現出可溶脹不溶解的宏觀特性。由於其分子結構中含有大量陽離子基團(最常見的是季銨鹽基團)，因此陽離子水凝膠材料是一種典型的功能性高分子材料，廣泛應用於汙水處理、藥物緩釋、離子交換等領域。
[0003]已見報導的陽離子水凝膠製備方法主要有以下幾種:1.陽離子單體通過自由基聚合或自由基共聚合製備陽離子水凝膠(饒品華等.磁性陽離子水凝膠的合成及其對六價鉻的吸附去除.環境化學，2011，30 =1858-1863 ;董岸傑等.可再分散pH敏感型陽離子聚合物水凝膠亞微米粒及製備方法.CN200610130502.1) ；2.以殼聚糖等天然高分子材料為原料進行化學改性製備陽離子水凝膠(沈軍等.殼聚糖-磷酸化殼聚糖聚電解質複合物水凝膠的組裝與仿生礦化.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14:8814-8817)。其中，採用自由基聚合和自由基共聚合法製備陽離子水凝膠時，常用的陽離子單體原料主要是二甲基二烯丙基氯化銨、乙烯亞胺、丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨、乙烯基吡咯烷酮等，常用的交聯劑為N，N』 -亞甲基雙丙烯醯胺；採用化學改性法時，常用的原料主要是改性殼聚糖、改性明膠
坐寸ο
[0004]目前已有的陽離子水凝膠製備工藝所採用的陽離子原料均為精細化工產品，原料價格昂貴導致凝膠材料生產成本較高。此外，已有工藝對於水凝膠材料中的陽離子凝膠相均採用一步聚合的方法，難以針對材料的分子鏈和交聯結構進行調控設計，這導致製備的凝膠材料結構和功能單一，在諸如凝膠溶脹率、凝膠形態、PH敏感性、吸附和離子交換能力等綜合應用性能方面無法做到靈活有效的調節和兼顧。
[0005]對此， 申請人:研發了一種水溶性陽離子聚合物並建立了一套合成該類聚合物的製備方法(參見中國專利《一種陽離子聚合物的配方及其製備方法》，申請號為201010165511.0)。本發明是在此基礎上，採用先預聚後交聯的分步聚合方法，以該類水溶性陽離子聚合物為原料，通過優選的交聯劑和交聯工藝，實現水溶性陽離子聚合物的交聯聚合，製備陽離子水凝膠材料。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題之一在於提供一種陽離子水凝膠材料，具有靈活可調的凝膠溶脹率、凝膠形態和pH敏感性，同時具有很強的吸附和離子交換能力。
[0007]本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題之一的:一種陽離子水凝膠材料，包括以下重量份數的各成分:[0008]蒸餾水55-70份、陽離子聚合物25-40份、交聯劑1_5份、交聯助劑0.5-2份、鹼調節劑0.2-2份和酸調節劑0-6份。
[0009]進一步地，所述交聯劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、木質素、羥乙基纖維素、可溶性澱粉中的一種或多種任意組合。
[0010]進一步地，所述交聯助劑為多聚甲醛、乙二醛、戊二醛中的一種或多種任意組合。
[0011]進一步地，所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或多種任意組合。
[0012]進一步地，所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
[0013]進一步地，所述陽離子聚合物包括以下重量份數的各成分:
[0014]水20-50份、丙酮8-15份、胺5_20份、醛15_30份、鹼調節劑3_5份、酸調節劑12-20 份；
[0015]所述胺為二甲胺、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、己二胺中的一種或多種任意
組合；
[0016]所述醛為甲醛、乙醛、多聚甲醛中的一種或多種任意組合；
[0017]所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或兩種任意組合；
[0018]所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
[0019]本發明所要解決的技術問題之二在於提供所述的陽離子水凝膠材料的製備方法，具有成本低廉，合成工藝簡單易行的優點。
[0020]本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題之二的:一種所述的陽離子水凝膠材料的製備方法，其操作方法如下:
[0021 ] 稱取蒸餾水55-70重量份於燒杯中，加入陽離子聚合物25-40重量份，室溫攪拌至完全溶解；加入交聯劑1-5重量份，用鹼調節劑或酸調節劑調節溶液pH值並加熱攪拌直至交聯劑完全溶解；再加入交聯助劑0.5-2重量份，攪拌混合均勻後用鹼調節劑或酸調節劑調節溶液PH至8-9 ;用保鮮膜覆蓋燒杯口，將燒杯至於50-80°C恆溫水浴中交聯反應24h，得到水凝膠；最後用去離子水反覆浸泡所述水凝膠，去除其中的無機離子後氣流烘乾並粉碎，即得陽離子水凝膠材料。
[0022]本發明的有益效果在於:
[0023](I)採用了先預聚得到陽離子聚合物，再交聯得到陽離子水凝膠的分步聚合方法，因此在陽離子聚合物交聯形成陽離子水凝膠時，可以通過改變交聯劑和助交聯劑的種類、交聯反應條件等方法對最終產物的分子鏈柔性、支化程度以及交聯密度等結構參數進行有效調控，進而可以靈活有效地調節陽離子水凝膠的性能，適應不同應用環境的需要。
[0024](2)製備的陽離子水凝膠吸附材料具有較高的陽離子電荷密度，對於工業廢水中的多種陰離子汙染物(如陰離子染料、陰離子表面活性劑等)均有很強的吸附能力。
[0025](3)所用原料均為常見工業級產品，成本低廉；聚合反應條件溫和，合成工藝簡單易行，和現有陽離子水凝膠生產工藝相比具有顯著的生產成本優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]下面參照附圖結合實施例對本發明作進一步的描述。
[0027]圖1為本發明中實施例1的陽離子水凝膠材料樣品的IR譜圖。
[0028]圖2為本發明中實施例2的陽離子水凝膠材料樣品的IR譜圖。[0029]圖3為本發明中實施例3的陽離子水凝膠材料樣品的IR譜圖。
[0030]圖4為本發明中實施例4的陽離子水凝膠材料樣品的IR譜圖。
[0031]圖5為本發明中實施例5的陽離子水凝膠材料樣品的IR譜圖。
【具體實施方式】
[0032]一種陽離子水凝膠材料，包括以下重量份數的各成分:
[0033]蒸餾水55-70份、陽離子聚合物25-40份、交聯劑1_5份、交聯助劑0.5-2份、鹼調節劑0.2-2份和酸調節劑0-6份。
[0034]所述交聯劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、木質素、羥乙基纖維素、可溶性澱粉中的一種或多種任意組合；
[0035]所述交聯助劑為多聚甲醛、乙二醛、戊二醛中的一種或多種任意組合；
[0036]所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或多種任意組合；
[0037]所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
[0038]所述陽離子聚合物包括以下重量份數的各成分:
[0039]水20-50份、丙酮8-15份、胺5_20份、醛15_30份、鹼調節劑3_5份、酸調節劑12-20份；所述胺為二甲胺、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、己二胺中的一種或多種任意組合；所述醛為甲醛、乙醛、多聚甲醛中的一種或多種任意組合；所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或兩種任意組合；所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
[0040]所述陽離子聚合物的具體合成方法如下(可參見中國專利CN101817912B，名稱為一種陽離子聚合物的配方及其製備方法):
[0041](I)稱取上述原料中水的重量份數，並加入第一批醛、全部丙酮和第一批胺；所述第一批醛的加料量為上述原料中醛的重量份數的0.35-0.85倍，第一批胺的加料量為上述原料中胺的重量份數的0.50-0.85倍，並用酸調節劑調節pH至1-4，然後室溫下反應
1.5-3.0h ；
[0042](2)隨後加入第二批醛，所述第二批醛的加料量為上述原料中醛的重量份數的
0.15-0.65倍，反應10-60min後，加入鹼催化劑調節pH至7_13，加入第二批胺，所述第二批胺的加料量為上述原料中胺的重量份數的0.15-0.50倍，升溫至50-80°C ;繼續反應
2.0-3.5h，產物為暗紅色液體；
[0043](3)通過簡單蒸餾或半透膜透析的方法對產物進行提純；
[0044](4)將上述溶液加熱濃縮或減壓蒸餾、冷凍乾燥，得到橙黃色粉末，即為陽離子聚合物。
[0045]其中，各實施例的陽離子水凝膠材料的原料及配比情況如表I所示:
[0046]表I各實施例的陽離子水凝膠材料原料配比
[0047]
【權利要求】
1.一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:包括以下重量份數的各成分: 蒸餾水55-70份、陽離子聚合物25-40份、交聯劑1_5份、交聯助劑0.5-2份、鹼調節劑0.2-2份和酸調節劑0-6份。
2.如權利要求1所述的一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:所述交聯劑為聚乙二醇、聚乙烯醇、木質素、羥乙基纖維素、可溶性澱粉中的一種或多種任意組合。
3.如權利要求1所述的一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:所述交聯助劑為多聚甲醛、乙二醛、戊二醛中的一種或多種任意組合。
4.如權利要求1所述的一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或多種任意組合。
5.如權利要求1所述的一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
6.如權利要求1所述的一種陽離子水凝膠材料，其特徵在於:所述陽離子聚合物包括以下重量份數的各成分: 水20-50份、丙酮8-15份、胺5-20份、醛15-30份、鹼調節劑3_5份、酸調節劑12-20份； 所述胺為二甲胺、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、己二胺中的一種或多種任意組合； 所述醛為甲醛、乙醛、多聚甲醛中的一種或多種任意組合； 所述鹼調節劑為氫氧化鈉、氨水、氫氧化鉀中的一種或兩種任意組合； 所述酸調節劑為硫酸、鹽酸、醋酸中的一種或多種任意組合。
7.—種如權利要求1所述的陽離子水凝膠材料的製備方法，其特徵在於:其操作方法如下: 稱取蒸餾水55-70重量份於燒杯中，加入陽離子聚合物25-40重量份，室溫攪拌至完全溶解；加入交聯劑1-5重量份，用鹼調節劑或酸調節劑調節溶液pH值並加熱攪拌直至交聯劑完全溶解；再加入交聯助劑0.5-2重量份，攪拌混合均勻後用鹼調節劑或酸調節劑調節溶液PH至8-9 ;用保鮮膜覆蓋燒杯口，將燒杯至於50-80°C恆溫水浴中交聯反應24h，得到凝膠狀產品；最後用去離子水反覆浸泡所述水凝膠，去除其中的無機離子後氣流烘乾並粉碎，即得陽離子水凝膠材料。
【文檔編號】C02F1/58GK103962111SQ201410192420
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月8日 優先權日:2014年5月8日
【發明者】方潤, 程賢甦 申請人:閩江學院