（纺织工程专业论文）羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究 中文摘要 羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究 中文摘要 采用控制释放型农用化学品制剂是降低农用化学品的用量、减少水土污染的重要 途径。为此，本研究拟采用羧甲基纤维素( c m c ) 为基本载体材料，研究凝胶载体的制 备及载药方法及其对农药和化肥的控制释放作用，为开发新型农用化学品制剂提供理 论依据和指导。 主要研究制备了c m c 凝胶，并加入膨润土制备复合凝胶，产品用做农用化学品 的载体。实验结果表明，c m c 对硝酸钾和除草剂乙草胺具有良好的控制释放作用。 影响c m c 凝胶制备的主要因素为交联剂浓度与交联时间。水中释放实验表明， 载药凝胶小球交联的时间越长，所载药剂的释放速率越慢。干燥处理可以使凝胶对乙 草胺的半数释放时间t 5 0 提高1 0 多倍。 膨润土及其改性产品对乙草胺具有良好的吸附作用，加入c m c 凝胶中制成复合 凝胶，可以进一步降低乙草胺的释放速率。膨润土的吸附能力越强，复合凝胶对乙草 胺的控制释放能力越强，其中羟基铝柱撑膨润土复合凝胶对乙草胺的t 5 0 值可达 6 6 7 8 h 。 采用差示扫描量热法分析了凝胶中水的状态，红外光谱分析了载体与乙草胺的结 合。数学模型分析表明，乙草胺从凝胶中的释放过程主要受到费克扩散控制。 关键词：羧甲基纤维素；凝胶；硝酸钾；乙草胺；控制释放；膨润土 作者：李凡利 指导老师：唐人成 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究 英文摘要 p r e p a r a t i o no fc m c g e l sa n di t sa p p l i c a t i o na s c o n t r o l l e dr e l e a s ec a r r i e r s a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fc o n t r o l l e d - r e l e a s i n ga g r o c h e m i c a l si so n eo fi m p o r t a n ta p p r o a c h e s w h i c hc a nd e c r e a s et h eu s a g em o u n t so fa g r o c h e m i c a l sa n dr e d u c ew a t e ra n ds o i l p o l l u t i o n i nt h i sr e s e a r c h , c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ( c m c ) g e l sw e r eu s e da sc o n t r o l l e d d e l i v e r ym 嘶c e s t h ep r e p a r a t i o no fc m cg e l sa n di t sc o m p o s i t e sw i t hb e n t o n i t e sw e r e i n v e s t i g a t e da n dt h e i rp r o p e r t i e so fd e l i v e r i n ga n dr e l e a s i n ga g r o c h e m i c a l sw e r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c ho b j e c t i v ei st op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ep r e p a r a t i o no fn o v e l a g r o c h e m i c a l s t h e g e l so fc a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s ea n di t sc o m p o s i t e sw i t hb e n t o n i t e sw e r ep r e p a r e d ， a n dt h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa sc a r r i e r sf o ra g r o c h e m i c a l sw e r ei n v e s t i g a t e d t h eg e l s h a dg o o dp e r f o r m a n c eo nc o n t r o l l i n gt h er e l e a s eo fp o t a s s i u mn i t r a t ea n dh e r b i c i d e a c e t o c h l o r t h ep r e p a r a t i o no fc m c g e l sw a sm a i n l yi n f l u e n c e db yf a c t o r sl i k ec o n c e n t r a t i o no f c m s s l i n k i n ga g e n t sa n dc r o s s l i n k i n gt i m e t h er e l e a s ee x p e r i m e n t si nw a t e ri n d i c a t e dt h a t , t h el o n g e rt h ec r o s s l i n k i n gt i m ef o rg e lc a r r i e r s ，t h es l o w e rt h ea c t i v ea g e n t sr e l e a s e d t h e d r y i n gp r o c e s sc o u l dp r o l o n gt h et s 0v a l u e , t h et i m et a k e nf o r5 0 o fa c c t o c h l o rt ob e r e l e a s e d ，b ym o r et h a n10t i m e s b e n t o n i t ea n di t sm o d i f i e dp r o d u c t sc o u l dp r o v i d eg o o da d s o r p t i o nt oh e f b i c i d e ，a n d w e r ea d d e di n t oc m c g e l st op r e p a r ec o m p o s i t eg e l s ，w h i c hc o u l df u r t h e rs l o wt h em l e a s e o fa c e t o c h l o r t h eh i g h e rt h es o r p t i o nc a p a c i t yo fb e n t o n i t e s ，t h es t r o n g e rt h ec a p a c i t yo f g e l so nc o n t r o l l i n gt h eh e r b i c i d er e l e a s e t h ec o m p o s i t eg e l sf r o mb e n t o n i t ep i l l a r e db y a l u m i n u mh y d r o x i d ep r o v i d e dt h el o n g e s tt 5 0v a l u eo f 6 6 7 8h t h es t a t u so fw a t e ri ng e l sw a sa n a l y z e d 、杭md i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r , a n d i l 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究英文摘要 t h eb o n d i n ga c t i o no fa c e t o c h l o rt oc a r r i e r sw a si n v e s t i g a t e d 、丽t l li n f r a r e ds p e c t r u m t h e r e l e a s eo fa e e t o c h l o rf r o mg e l sw a sm a i n l yc o n t r o l l e db yf i c k i a nd i f f u s i o na c c o r d i n gt ot h e m o d e la n a l y s i s k e yw o r d s ：c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ；g e l ；p o t a s s i u mn i t r a t e ；a c e t o c h l o r ； c o n t r o l l e dr e l e a s e ；b e n t o n i t e i i i w r i t t e n b y ：l if a r d i s u p e r v i s e db y ：t a n gr e n c h e n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：否，q 削 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 孰则日 日 期： j 7f f f 1 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究 第一章 第一章绪论 1 1 羧甲基纤维素及其应用， 羧甲基纤维素( c m c ) 是一种常见的纤维素衍生物，通常由天然纤维素经碱化、 一氯乙酸醚化得到，由于酸式的水溶性较差，因而产品普遍制成钠盐，其钠盐的分子 结构如图1 1 【1 1 。纤维素本身是一种由d 吡喃型葡萄糖基( 失水葡萄糖) 组成的天然 高分子材料，经羧甲基取代后亲水性明显提高，产品属于一种水溶性高分子材料。 图1 - 1 羧甲基纤维素钠分子结构 c m c 产品为白色或淡黄色纤维状粉末或颗粒，无臭、无味、无毒、易溶于水呈 透明胶体溶液，水溶液呈中性或微碱性，不溶于酸、甲醇等有机溶剂。c m c 产品具 有良好的粘接力、分散性、乳化性、扩散性及粘性，成膜性能良好，同时，c m c 具 有良好的生物相容性和生物可降解性，被广泛地应用于食品、造纸、洗涤剂，医药卫 生和日化，建筑等领域。在食品领域中，c m c 作为天然食品添加剂，无毒、无副作 用，性能优异，安全可靠，目前在酸奶、冰淇淋行业中作为均质剂和成膜剂使用非常 广泛，且由于其在食品抗菌处理表面时，能生成具有光泽、透明柔软的薄膜，可以防 止食物变质，所以能长期保持食品的新鲜度【2 ，3 】。在纺织工业中，c i v i c 用作上浆剂、 纺织品印花的增稠剂及硬挺整理。c m c 用于上浆剂能提高溶解性及粘变，并容易退 浆，可明显提高浆膜强度，可弯曲性能【3 】；作为硬挺整理剂，其用量在9 5 以上【3 】。 在洗涤剂中，由于c m c 无毒，不刺激皮肤，生物降解性强，长期使用不积累，在水 中耗氧量低，不影响水质且可重复使用，可减少污水的排放，属于绿色环保的新型洗 涤助剂眩4 】。在造纸行业用作纸张施胶剂，可明显地提高纸张的干强度和湿强度及耐 油性、吸墨性和抗水性【4 】。在废水处理过程中作絮凝剂，可提高水的净化率【5 】。在建 筑行业，在混凝土中加入c m c 后，可延长混凝土的凝结时间，提高混凝土的初期强 度，避免建筑物体出现裂纹，也用作建筑内外墙仿瓷涂料，具有黏结、增稠、悬浮， 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第一章 保水的作用【5 1 。在牙膏中用作增稠剂，赋予牙膏成型流动和适当的黏稠度以及一定的 光亮度和细腻度【5 用。在陶瓷方面用做毛胚的粘结剂、可塑剂、成型剂，釉料的悬浮、 分散、固色剂，可增加胚料粘结力，易于成型，并使机械强度提高2 3 倍喁】。 c m c 对药物等活性物质具有良好的亲和性和包载能力，做为载体材料可用于各 种药物制剂中，如针剂的乳化稳定剂、片剂的粘结剂和成膜剂等b9 】。例如，用c m c 做成膜材料，研制的中药养阴生肌散的改造剂型养阴生肌膜，能用于皮肤磨削手 术创面和外伤性创面f 3 1 0 1 。c m c 与聚乙烯醇一起做为口腔药物的膜状制剂材料，能 提高制剂的粘附性、延长制剂在1 ：3 腔内的滞留时间，明显提高药物药效 3 a o 。近年来， c m c 作为载体用于药物等活性物质的控制释放引起人们的兴趣【i l 1 2 1 。例如，c m c 配 制丁哌卡因缓释制剂，可显著降低药物的副作用【1 3 】。c m c 也可用做农药的制剂载体， 比如制成喷雾、粘附剂、保护膜和可湿性农药的分散剂等，m a t h e w 等【1 4 】将其用于蚊 虫幼虫捕杀剂的载体，得到良好的控制释放效果。 1 2 农用化学品及其过量施用的危害 农用化学品主要指农药和化学肥料，其合理施用对保证农业生产十分关键，对提 高农产品质量、产量，保障粮食供给发挥着重要的作用。 常用农药根据不同的用途一般可分为七种类型。主要为：杀虫剂、杀螨剂、杀菌 剂、除草剂、植物生长调节剂、杀虫剂、杀鼠剂等。农药在农业生产中起着重要作用， 据报道如不使用农药，全世界每年平均因病、虫、草害造成的损失约占农作物产量的 3 7 ，其中虫害占1 4 ，病害占1 2 ，草害占1 1 ，年损失高达1 2 6 0 亿美元【1 5 1 6 1 。然 而，人们过分依靠农药来除草除虫，使农药对环境的污染日益严重。农药主要以喷施 为主，在实际使用过程中，因光解( 尤其是紫外线) 、水解、生物降解、挥发、流失等 造成农药的利用率低。据调查，喷施的农药是粉剂时，仅有1 0 左右的药剂附着在植 物体上。液体时，也仅有2 0 左右附着在植物体上，1 - - - , 4 接触到目标害虫，其余 4 0 - - - , 6 0 降落到地面，5 3 0 的药剂漂游于空中i r 7 1 。 化肥种类很多，生产上主要分氮肥、磷肥、钾肥、复合肥四大类。在生产上经常 使用的氮肥有：硫酸铵、碳酸氢铵、尿素等。磷肥有过磷酸钙：重过磷酸钙。钾肥有 氯化钾、硫酸钾。复合肥是指在成分中同时含有氮磷钾三要素或只含其中任何两种元 2 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第一章 素的化学肥料，常用的复合肥有磷酸铵、氮磷钾复合肥、磷酸二氢钾、硝酸钾等。硝 酸钾属于二元复合肥，所含硝态氮和钾均为农作物生长所必需的大量元素，两者间具 有良好的协调作用，可互相促进被作物吸收并促进其它营养元素的吸收；其所含的氮 钾比为l ：3 ( 一般作物都以此比例吸收氮、钾) ，可在作物需肥高峰期均衡迅速地被作物 吸收利用。硝酸钾肥料盐指数低，水溶性好且不吸湿，养份含量高，肥效作用迅速， 作基肥或追肥施用，广泛用于各种粮食作物、经济作物。 目前由于片面强调农产品的产出，我国农药和化肥施用水平普遍较高。在中国环 境与发展国际合作委员会2 0 0 4 年年会上，中外专家指出：我国农民滥用化肥和农药已 严重危害到人体健康和环境质量，其中面源污染影响了农业的可持续发展。前国家环 保总局局长解振华表示我国水污染中，工业、生活和农业面源污染各占三分之一，工 业污染可以通过上治污设备等解决，建污水处理厂解决生活污水问题，但如何在短期 内解决农业污染尚未找到行之有效的方法。加拿大教授斯谬尔指出，我国有着不到世 界1 0 的耕地，但是氮肥使用量却占世界的近3 0 。国际合作委员会农业面源污染控 制课题组研究得出：我国氮肥施用量的一半在被农作物吸收之前就以气体形态逸失到 大气中或从排水沟渠流失到水体环境中。农用化学品过量施用造成的主要危害主要有 如下几个方面：首先是累积于饮用水源特别是井水中的化肥和农药对至少1 3 个省份数 以百万计的居民的健康构成威胁。其次是引起湖泊、河流的富营养化( 我国近一半的 湖泊处于严重富营养化状态) ，水藻疯长，鱼类等水生动物因缺氧数量减少甚至全部 死亡，引发赤潮。再次降低了我国农产品的市场竞争力。化肥和农药投入及伴随的劳 力成本是我国粮食生产成本的主要组成部分，化肥和农药的过量使用导致成本不必要 的增加，而且农药残留使农产品质量下降【l 引。 1 3 农用化学品的控制释放技术 控制释放技术是- i - j 新兴的交叉学科，涉及到化学、生物、医药、材料等诸多领 域，已在医学、生物、农业、环保领域得到广泛的应用【1 9 , 2 0 。在医学上的应用，解决 了传统的周期性受药方式所产生的受药体系内药物浓度忽高忽低的问题，大大提高了 药物的利用率鳓。在农业方面的应用，是提高农用化学品利用率、减少农用化学品污 染的重要手段。它通过选择适当的载体，可以使农用化学品活性成分在一段时间内受 3 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第一章 控缓慢释放，在保证农用化学品有效浓度的同时，大大减少农用化学品活性成分的流 失或淋失，进而减少农用化学品对土壤和水体的污染。 控制释放系统是由生物活性成分和载体组成，通过改变活性成分和载体的组成方 式可获得一定的控制释放效果，对通常应用的控释体系按般机理可分为扩散控制型 系统、化学控制型系统、溶剂活化量系统和功能调控型系统等四类。其中以扩散控制 型系统应用最广，最具代表性。主要有：( 1 ) 微胶囊：是农药和化肥可控释放的主 要剂型，微胶囊将农药或化肥包裹在一个很薄的聚合物材料中，农药和化肥可渗透释 放。微胶囊不仅可包封同体粉末，也可包封液体。( 2 ) 塑料层压：将农药或化肥与 聚乙烯或聚氯乙烯混合制成农用薄膜，覆盖在农作物上缓慢释放出农药，或将农药包 封在塑料中通过表面的微孔释放。( 3 ) 吸收混合：农药与化肥、粘土或其他无机物 混合成粒。( 4 ) 种子包衣法；农药与化肥和聚合物包在种子上，逐渐释放。( 5 ) 高 分子载体：通过活性基团使农药连接到高分子的链上，达到控制l 释放的目的刚。 1 4 水凝胶及其控制释放作用 水凝胶为能够在水中溶胀并保持大量水分而又不溶解的交联聚合物的总称。水凝 胶有各种分类方法，最常用的分类方法有3 种：( 1 ) 根据水凝胶对外界刺激的响应情 况，可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶两大类；( 2 ) 根据水凝胶网络键合性能，可 分为物理凝胶和化学凝胶；( 3 ) 根据合成材料的不同，分为合成高分子水凝胶和天然 高分子水凝胶【2 1 1 。 水凝胶是有广泛重要用途的一类高分子材科。在环境保护方面，利用一些水凝胶 具有高吸水性的特点制成保水剂，可用于沙漠治理、土壤改良、水土保湿等方面。在 生物科学领域，凝胶一直被用作分子筛来分离不同分子量的蛋白质和氨基酸。另外利 用聚电解质水凝胶在一定的条件下与蛋白质结合，然后在另外的条件下再将其释放出 来，可达到分离蛋白质的的分离的目的 2 2 1 。在医学领域，由于水凝胶是一种类似于生 命组织的高分子材料，具有良好生物相容性，不影响生命体的代谢过程，且代谢产物 可以通过水凝胶排出，因而可以作为组织填充剂使用。水凝胶已用作烧伤涂敷物、药 物传输体系、补齿材料、生物分子和细胞的固定化载体等；水凝胶是不可溶的聚合 物网络，可含有大量的水，允许养分和废物扩散，因此再生医学中，可注射水凝胶用 4 羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究 第一章 作组织支架的基材，也可用于包埋细胞和生长因子等1 2 3 1 。 高分子水凝胶三维网络分子结构上既含有大量亲水性基团、又含有疏水性片段， 且通过基团和结构的变化为负载生物活性物质提供了一个多样化的平台，而且可以响 应环境刺激、具有智能反应的特点，是一种非常理想的药物控制释放载体【2 铊6 】，也可 以用于农药和化学肥料的控制释放1 2 7 - 2 9 。 1 5 研究目的与方案设计 本研究拟采用羧甲基纤维素为基本载体材料，研究凝胶载体的制备及载药方法， 及其对农药和化肥的控制释放作用，为开发新型农用化学品制剂提供理论依据和指 导。 选择羧甲基纤维素做载体主要基于如下几点考虑：1 ) 纤维素来源丰富，其衍生 物产品工艺成熟，价格便宜，载体材料来源有保证；2 ) 羧甲基纤维素可以方便地通 过交联反应制备凝胶制剂，制备方法简单，载药容易：3 ) 羧甲基纤维素与农药及化 肥等在分子结构上具有一定亲和性，大分子结构上既有亲水性的羧基、羟基等基团， 又有大量疏水性分子链段，可以适应不同种类农药的控制释放要求。 根据有关文献介绍，采用水中释放实验方法研究载体对农用化学品的控制释放作 用，建立有关数学模型来描述释放过程，解释控制释放作用机理。 为了进一步降低控制释放的制剂成本，在羧甲基纤维素基本载体中加入适量粘土 和改性粘土，后者是具有良好吸附能力的天然无机材料，以改进羧甲基纤维素对农药 的控制释放作用效果，并对其内在原理进行分析。 羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究 第二章 第二章羧甲基纤维素凝胶的制备及其控制释放作用 2 1 引言 本章首先研究羧甲基纤维素凝胶的制备方法，了解工艺条件对制备过程的影响。然 后，选择适当的模型化合物和农药品种，研究凝胶载体对它们的控制释放作用与原理。 2 1 1c m c 凝胶制备方法选择 高分子水凝胶的制备方法主要有化学交联和物理交联等两种方法。化学交联是高 分子链段间以共价键交联起来，这种交联很牢固，使高分子只发生溶胀，而不会溶解， 大多数合成高分子凝胶属这一类型。通常在合成高分子时加入交联剂，在聚合反应进 行的同时发生交联；或者通过线型或支化型高分子链中官能团相互反应而形成这种共 价交联键。许多生物相容性聚合物分子链上通常含有诸如- o h 、- c o o h 、n 】一类 的功能基团。这些基团不仅赋予聚合物良好的水溶性，而且可与一些结构互补的化合 物发生加成、缩合一类的化学反应、彼此间形成化学交联键。利用这些基团，可设计 与合成具有不同结构与性能特点的水凝胶。 物理交联包括由氢键、库仑力、配位键及物理缠结等形成的线型分子间的交联。 准确说，物理缠结不能称为交联，但它能构称凝胶。大多数天然凝胶是依靠高分子链 段相互间可形成氢键而形成交联结构的；库仑力交联是带不同电荷的高分子电解质相 互间形为多离子络合物，或者加钙等多价离子到高分子电解质中生成离子键而造成 的；配位键交联是高分子上的极性基团与配位物质相互形成的交联。与单纯的物理缠 结相比，由多价离子和配位物质形成的交联强度较高。通过物理缠结构成的凝胶结合 力极弱，凝胶形态极不稳定，随时间推延，高分子会逐渐分散到溶剂中成为溶液。 c m c 大分子上含有大量羧基和羟基，可以通过多价阳离子的配位作用形成具有一 定强度的凝胶结构。本研究中，将c m c 溶液滴入含有二价或三价金属离子的交联液中， 就可以制成凝胶小球。在c m c 溶液中，加入被控制释放的物质，可以制备凝胶制剂。 2 1 2c m c 凝胶在控制释放中的应用 载体材料的选择是制备农用化学品控制释放制剂的关键。利用纤维素羟基的反应 6 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 活性将2 ，4 _ d 等农药键连到纤维素分子上所制得的农药控释材料已有文献报导【3 0 】。通 过交联制备的c m c 小球由于结合力的不均衡，使球内产生较大的空隙，这些空隙就 可以很好地容纳溶解了被控制释放物的水溶液。当凝胶小球放入水中后，被包裹在小 球中的被控制释放物又通过扩散作用，而重新释放出来。 羧甲基纤维素的这种控制释放特性能起到减缓有效成分的释放速率、延长持效期 的作用，所以近几年来，有些研究者开始将c m c 应用于化肥和农药的控制释放，b a j p a i 等【3 1 】将其用做硝酸钾的控制释放载体，m a t h e w 等【1 4 】将其用于蚊虫幼虫捕杀剂的载 体，均得到良好的控制释放效果。 2 1 3 农用化学品品种选择 本研究中选择硝酸钾做为化肥的模型化合物，主要基于两点考虑：1 ) 硝酸钾中 既有n 元素又有k 元素，两者均为农作物的常用营养成分；2 ) 硝酸钾溶解在水中后， 形成硝酸根离子和钾离子，水溶液的电导率提高，可以根据电导率变化情况确定硝酸 钾的释放量。 农药品种的选择主要考虑除草剂，因为杀虫剂的施用方法以喷洒为主，不适合凝 胶颗粒载体。而许多除草剂可以以颗粒或粉剂的固体形态直接施用。商品化的除草剂 品种繁多，但是最常用的2 0 种除草剂占使用面积的7 5 3 2 。根据它们的杀草作用可 分为触杀性除草剂和内吸性除草剂，前者只能用于防治由种子发芽的一年生杂草，后 者可以杀死多年生杂草。根据化学结构分类，主要品种有：复合型的磺酰脲类、离子 型的苯氧羧酸类、非离子型的氯代乙酰苯胺类、杂环型的三嗪类。本研究选择用途广 泛、用量大的乙草胺作为农药控制释放的研究对象。 乙草胺( a c e t o c h l o r ) ，化学名称为：2 乙基6 甲基- n ( 乙氧甲基) 2 氯代乙酰替苯胺， 是一种选择性酰胺类芽前除草剂。乙草胺能被杂草的幼芽和幼根吸收，抑制杂草的蛋 白质合成，而使杂草死亡，对大豆、玉米、花生、油菜以及蔬菜等具有高度选择性。 近年来乙草胺已成为我国用量最大的除草剂品种之一，年用量超过1 0 ，0 0 0 吨瞄】。乙 草胺在水中的溶解度为2 2 3 m g l ( 2 5 1 2 ) ，容易流失或淋失进而污染水体1 3 4 。大鼠试 验表明，乙草胺会诱发鼻癌【3 5 】，并影响其生殖能力【3 6 】，对农田中的有益生物如蚯蚂i t 3 n 、 蝌蚪【3 8 】等也具有毒害作用。 7 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 2 2 实验部分 c o c l t c l a a b a 图2 - 1乙草胺化学结构 2 2 1 材料与试剂 羧甲基纤维素钠( c m c - n a ) 为苏州威怡化工有限公司生产，食品级，产品型号 f h 9 i ，2 水溶液粘度1 2 5 0m p a s ( 2 5 ) ，钠含量9 2 3 。 乙草胺( 2 乙基6 甲基- n ( 乙氧甲基) 2 氯代乙酰苯胺，纯度9 6 2 ) 原药由杭 州庆丰农用化学品有限公司提供。水凝胶交联所用试剂a 1 2 ( s 0 4 b 1 8 h 2 0 、f e c l 3 - 6 h 2 0 和k n 0 3 等均为分析纯。高效液相色谱分析用乙腈购自德国m e r c k 公司。实验用水为蒸 馏水和去离子水。 2 2 2 羧甲基纤维素凝胶的制备 2 2 2 1 凝胶小球的制备 称取一定量的羧甲基纤维素，用1 0 0 m l 去离子水溶解均匀。配置一定浓度的交联 剂，用5 m l 注射器滴入配置好的交联剂溶液中，交联反应一段时间后，形成凝胶小球。 2 2 2 2 载药凝胶小球的制备 取一定量的药物( 这里主要是硝酸钾和乙草胺) ，用去离子水配成溶液，在缓慢向 溶液中加入一定量的羧甲基纤维素，不断搅拌直至成为无气泡的均匀透明胶体。同样， 用5 m l 注射器滴入配置好的交联剂溶液中，交联反应一段时间后，形成凝胶小球。 取出小球，用去离子水冲洗，然后用滤纸将其表面试净，在4 0 下干燥至恒重。 研究对硝酸钾释放实验时，直接采用未经烘干处理的水凝胶进行释放试验，以避免后 续烘干过程的影响。 2 2 3 硝酸钾释放实验方法 将一定量的负载硝酸钾的凝胶小球放入装有5 0 m l 去离子水的具塞锥行瓶中，然 8 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 后将锥形瓶放入2 5 ( 2 水浴中恒温振荡。每隔一段时间用电导率仪测定其电导率，计 算释放到水中的硝酸钾的质量。通过作硝酸钾的电导率工作曲线( 见附录1 ) ，计算 硝酸钾的释放浓度： c = 0 0 0 7 0 9 g + 0 0 2 1 3( 2 1 ) 硝酸钾释放量( r a g ) = c v m ( 2 2 ) 式中c 为硝酸钾的释放浓度( r e t o o l l 1 ) ，g 为电导率，v 为释放的溶液的体积( l ) ， m 为硝酸钾的摩尔质量。 由于凝胶小球中含有交联聚合用的金属阳离子，所以应在相同的条件下做空白实 验以扣除其他离子带来的干扰。 2 2 4 乙草胺释放实验方法 将负载一定量乙草胺的凝胶小球放入盛有3 0 0m l 蒸馏水的具塞锥形瓶中，然后 将锥形瓶放入2 5 ( 2 水浴中恒温振荡。在一定时间间隔下( 0 - - 2 3 0 h ) 取水样0 5m l 分 析其中的乙草胺浓度，计算释放到水中的乙草胺质量必。本试验中，取样量与总溶 液量相比很小，所引起的试验误差忽略不计。 最后一次取样后，将小球制剂放入v ( 甲醇) ：v ( 水) = 8 0 ：2 0 溶液中浸泡2 4h ，分析 浸取液浓度，计算制剂中残留乙草胺质量尬。根据最后一次取样分析得到水中的最 终释放量尥，则乙草胺加入总量m o = 尥+ 坼。计算不同时间下的乙草胺释放率 ( 眦) ，绘制释放率随时间变化的释放动力学曲线。 2 2 5 乙草胺分析方法 采用高效液相色谱( h p l c ) 法分析水溶液中乙草胺的含量，所用仪器为a g i l e n t 11 0 0h p l c ，紫外检测器，检测波长为2 2 5n l n 。色谱柱为h pc 1 8 柱( 1 5 0m m x 4 5 n u n ， 5 肛r n ) ，流动相为v ( 乙腈) ：v ( 水) = 7 0 ：3 0 溶液，流速为1m l r a i n l ，乙草胺的保留时 间为4 9 5 0r a i n ，采用峰面积定量。工作曲线见附录2 。 2 3 结果与讨论 2 3 1 羧甲基纤维素凝胶的制各研究 每个羧甲基纤维素大分子中都含有自由的羧基和羟基，能与多价金属离子反应形 9 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 成凝胶。将羧甲基纤维素加入含铝、铁等多核金属阳离子的溶液中，由于阳离子与羧 基阴离子之间强烈的配位作用，使羧甲基纤维素球状液滴表面的大分子之间发生架桥 作用进而形成半透明凝胶小球。随着浸泡时间延长，阳离子逐渐向小球内部扩散，并 通过架桥作用形成更加致密的三维网络结构，可以观察到小球逐渐由半透明转化为乳 白色。在凝胶形成过程中，随着阳离子的渗入，小球内部逐层发生交联反应，水分被 挤出，小球收缩，质量减少，因此可以用羧甲基纤维素凝胶小球在交联过程中的失水 情况来衡量交联反应程度。 在制备羧甲基纤维素时，交联剂的种类、浓度，以及羧甲基纤维素的浓度都会对 凝胶的形成产生影响。本实验中，我们分别采用硫酸铝溶液和氯化铁溶液作为交联剂， 研究制备工艺条件对凝胶交联失水过程的影响。 2 3 1 1 硫酸铝浓度对凝胶交联失水过程的影响 交联剂硫酸铝溶液的浓度是影响羧甲基纤维素凝胶交联速率和程度的主要因素。 实验中，配制3 羧甲基纤维素溶液，室温下将其滴入不同浓度( 0 0 2 - 0 1 0 t o o l l - 1 ) 的硫酸铝溶液中。每次制作1 0 粒凝胶小球( 以1 0 滴羧甲基纤维素溶液的初始质量为 w o ，r a g ) ，在一定时间间隔下从交联剂中取出，称重彤( n a g ) ，计算不同时间下 羧甲基纤维素凝胶的失水率( 彤) w o x l 0 0 ，绘制失水率随交联时间变化的失水 率曲线。结果如图2 - 2 所示。 t i m e 。h 图2 - 2a 1 2 ( s 0 4 ) 3 溶液浓度对羧甲基纤维素凝胶交联过程的影响 从图2 - 2 可以看出不同浓度的硫酸铝溶液对羧甲基纤维素凝胶交联失水过程的影响。 在交联开始阶段失水率快速上升，在约l h 后，失水率明显减慢；说明胶凝反应在初始阶 l o 伯 鲫 ” o gij宴墨， 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 段反应速率很快，这是因为在反应初始阶段，小球内的舻离子浓度很低，所以溶液中 的矿离子不断向小球内部扩散，将小球内部的水分子挤出，当反应进行一段时间以后， 小球内的触3 + 离子浓度与溶液中的砧针离子浓度基本达到平衡，失水速率变化趋缓。 同时可以看出，凝胶在高浓度( 0 0 6 0 1 0 m o l l 以) 硫酸铝溶液中较在低浓度 ( 0 0 2 一- 0 0 6 m o l l 以) 硫酸铝溶液中失水速率快、失水量大，因为高浓度硫酸铝溶液 中的a 1 3 + 离子浓度高，促使小球内外的a 1 3 + 离子浓度更快地达到平衡。 2 3 1 2 氯化铁浓度对凝胶交联失水过程的影响 用3 的c m c ，0 1 0 3m o l l 1 的氯化铁溶液研究其对凝胶交联失水的影响。实 验结果如图2 3 。由图可以看出，在最初的几小时里凝胶失水速度很快占到了失水总 量的3 4 左右，之后水的释放变的缓慢且速率较稳定。主要原理与硫酸铝失水相同， 在2 3 1 1 中已述。对于三种不同的浓度，从图中可以看出总体上三者的失水量相差 不大，当浓度较高时失水量才明显升高。 口1 01 5孙2 1 j硼4 04 8硼 6 m e h 图2 - 3 不同氯化铁浓度中凝胶的交联失水情况 2 3 1 3c m c 用量对凝胶交联失水过程的影响 2 3 1 3 1c m c 溶液黏度的测量 c m c 为水溶性高分子，溶解在水中形成黏度很高的溶液，不同浓度的c m c 溶液 的黏度( 2 0 实测值) 如下： 产品型号f h 9 i ：2 c m c 的黏度：4 1 0 0 m p a s ； 3 c m c 的黏度：5 3 0 0 0 m p a s ； 4 c m c 的黏度：7 6 5 0 0 0 m p a s ； n 罅 冀 孙 ” ” 伯 零皇5ijop西事 羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究第二章 5 c m c 的黏度：过大超出测量范围。 2 3 1 3 2 以硫酸铝为交联剂 以o 0 5m o l l d 的硫酸铝为交联剂，研究c m c 浓度为2 - 5 之间的凝胶小球的 失水情况，结果如图2 - 4 。从c m c 浓度的角度可以看出浓度越高失水量越小且失水 速度也相对较慢，这是因为c m c 的浓度越高，大小相同的凝胶小球中c m c 的含量 越高。c m c 是一种吸水能力很强的高分子凝胶，凝胶小球中c m c 的量越多，它所 结合的水量就越多，相对而言，交联过程中可失去的自由水量较少。 口 口刃w口口 t i m o 。h 图2 - 4 不同c m c 浓度下凝胶小球的失水 2 3 1 3 3 以氯化铁为交联剂 以0 0 6 8t o o l l 1 的氯化铁为交联剂，研究c m c 浓度在1 3 之间凝胶的失水情 况结果如图2 5 所示。在实验过程中由于以氯化铁为交联剂制成的凝胶小球弹性小， 在低浓度时( 1 ) 小球容易裂开而无法继续测量失水率。当浓度大于2 时，与硫酸 铝做交联剂类似，失水量较少。 o 1 01 柏拍 ” t i m o ，h 图2 5 不同c m c 浓度下凝胶小球的失水 1 2 为 细 伯 。 墨葛一墨童 ” “ 伯 。 o 零!量墨置事 羧甲基纤维素基凝胶载体的制备及其控制释放作用研究第二章 2 3 1 4d s c 研究c m c 凝胶中水的结合状态 为了解不同交联时间后所得凝胶中的水的存在状态，将c m c 配成3 的凝胶溶 液，滴入0 0 5m o l l 1 的硫酸铝溶液中交联，选取不同交联时间的样品进行d s c 差示 扫描，观察其在凝固时的放热过程。温度扫描速率为1 0 1 2 m i n 1 ，温度扫描范围为3 啦 3 0 ，结果见图2 6 。 纤维素凝胶中的水分处于被大分子束缚和吸附的结合状态，因此其凝固温度与自 由态水不同，从图2 - 6 可以看出，凝胶中水的凝固起始温度明显低于0 c 。且随着交 联时间的延长，水与大分子的结合增强，凝固起始温度依次下降，表明结合水的结合 状态愈牢固。 r 聃睁嘲翱- 脚蝴 7 一一一 w 一 一。 r 一 刊一。 一 ： w 删 一 ? 飞一 一 图2 - 6 不同交联时间对凝胶中水的凝固点的影响 2 3 2 羧甲基纤维素凝胶对硝酸钾的释放研究 纤维素凝胶对肥料的释放受很多因素的影响，这里主要研究凝胶的交联时间及硝 酸钾负载量对肥料释放的影响。 2 3 2 1 凝胶交联时间对硝酸钾释放速率的影响 本实验以含硝酸钾1 0 的c m c 凝胶( c m c 溶液质量浓度为3 ) 来研究交联时 间为0 5 m i n 、5 r a i n 、1 5 r a i n 、3 0 r a i n 的凝胶小球在水中硝酸钾的释放量，实验结果如 羧甲基纤维紊基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究 第二章 图2 7 所示。从图中可以看出硝酸钾的释放量随着交联时间的延长不断减少，这是因 为交联时间越长凝胶表面形成的网状物的稠密度越高，k + 很难从小球中释放出来。 另外，交联过程中k + 也会从凝胶中析出，导致释放实验前凝胶中k + 含量本身较低。 刀4ug ou q 5 0 0 尺口i 憎a m h 图2 7 交联时间不同对硝酸钾释放的影响 2 3 2 2 硝酸钾负载量对释放速率的影响 主要研究硝酸钾负载量在5 0 o - 1 5 之间变化对其释放过程的影响，结果如图2 8 所示。很明显硝酸钾的浓度越高，释放量越多，这是由于c m c 作为载体本身与硝酸 钾的结合量是有限的，浓度低时，结合比较充分，释放量较少。 4 06 08 0 r ej o a s et i m h 图2 8 硝酸钾负载量对释放速率的影响 1 4 o p仁寸矗董洲 ” 住 ” 。 。 2 o 墨孓i墨i耋 羧甲基纤维素基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究 第二章 2 3 3 羧甲基纤维素凝胶对乙革胺的控制释放作用 2 3 3 1 凝胶交联时间对乙草胺释放速率的影响 在不同交联时间( 0 5m i n 、3m i l l 、1 0m i n 、3 0m i n ) 下制备含乙草胺4 、c m c 3 的凝胶小球，不经干燥直接放入水中进行释放实验，得到乙草胺释放率随时间的变化 关系见图2 9 。与前所述相同随着交联时间的延长交联结构逐渐增强。同时，凝胶内 外电解质浓度差形成的渗透压使凝胶中的水分被挤出，凝胶结构越来越致密，有利于 乙草胺与凝胶载体的结合，使乙草胺制剂在水中的释放速率降低。 图2 - 9 不同交联时间下制备的水凝胶制剂对乙草胺的释放 为了进一步明确释放速率的差异，根据硒培e r 和p e p p 硒【3 9 1 提出的控制释放模型对 水凝胶的释放过程进行分析，模型方程如下： m m o = k t 一( 2 3 ) 式中m m o 为，时刻乙草胺的释放率，k ，刀是模型参数，胸载体和被释放组分的结构 性质有关，刀表征释放机理。可转化为线性方程如下： 嶝 地h ，( 2 - 4 ， 采用方程( 2 - 4 ) 对释放率低于6 0 的数据进行拟合，得到的拟合结果见表2 1 。 根据拟合方程得到的聊疗值计算5 0 乙草胺被释放所需的时间( 半数释放时间t s o ) 。 根据相关系数( 1 迦0 9 9 0 ) ，不同交联时间制备的水凝胶对乙草胺的释放数据符合方 程( 2 3 ) ，各制剂的值在0 6 3 6 0 8 3 0 之间，与球状载体对药物释放的f i c k i a n 扩散模 扑 o 暑量墨ir芒云吾 羧甲基纤维索基凝胶载体的制各及其控制释放作用研究第二章 型( n = o 4 3 ) 相比偏高【3 9 】，这种偏差的产生，估计与水凝胶小球在水中的膨胀有关。 文献中有报道，高膨胀凝胶对药物的释放模型中n 值可以接近_ t - 1 t 4 0 。对比各制剂的嘞 值可以得出，随着凝胶交联时间延长，乙草胺的释放速率逐渐降低。 表2 1 凝胶对乙草胺释放数据的拟合结果 交联时间 孽量力! 药 knr t 5 0 h ( r a m )状态( m 曲 一 _ 二 一二 0 5w e t4 00 1 7 70 8 3 0 0 9 8 9 3 4 8 w e t w e t w e t d r y d r y d r y d r y 2 3 3 2 凝胶干燥处理对乙草胺释放速率的影响 将交联时间为3 r a i n 和1 0 m i n 的凝胶小球干燥后分别取理论加药量( 指加入释放 体系的乙草胺总量) 为1 0 m g 和4 0 m g 的凝胶进行控制释放试验。释放量随时间的变 化见图2 1 0 。 o 1 2 1 02 4 02 7 0 r e l e a s et i m e ，i i 图2 1 0 干燥处理对乙草胺释放速率的影响 为了进一步明确释放速率的差异，将得到的释放数据( 释放率小于6 0 ) 经方程 1 6 9 2 8 6 9 2 b 朋 鲍 凰 吣 记 醯 5 c j 6 o o o o 1 1 4 o o 4 3 1 j 9 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9