合成具有可生物降解性的淀粉

1、合成具有可生物降解性的淀粉-g-甲基丙烯酸乙酯/丙烯酸钠/硅酸钠超强吸水复合材料摘要：一个新的高吸水性复合聚合物(SAP)已经准备以淀粉,甲基丙烯酸乙酯(EMA)为单体 做接枝共聚反应,过氧苯甲酰(BPO)为引发剂和丙烯酸钠为交联剂。另外，研究表明，向该复合材料中添加硅酸钠时，且当硅酸盐能很好的分散在水中，且进入该复合材料的网络结构,从而增加复合材料的孔隙，可以展现出更好的吸水性能。在形成网状结构的高吸水性复合材料中，硅酸钠作为交联剂扮演了一个非常重要角色。该复合材料是通过红外光谱、热失重分析,x射线衍射方法合成的。对这些宝贵的新型材料的生物降解性队为工业和商业上的重要性进行了评估。通过扫描电

2、子显微镜（SEM）对复合材料的生物降解前后的表面形貌进行了比较。简介：这种可膨胀且吸收水分的聚合物，其重量超过原来体重的几千倍，一般被称为高吸水性聚合物（SAPS）。由于其优良的特性，这种高吸水性聚合物已经引起了相当大的兴趣和研究并且已经在健康和农业1，2中使用。约90的高吸水性材料，被用于一次性用品。由于其中大部分是由垃圾填填埋或焚烧处理，具有敏感的环境问题，因此它目前活跃在研究领域。由于非生物降解的聚合物的污染造成许多环境问题，例如，来源于包装材料塑料废物，如垃圾袋，农用地膜，食品包装，及其处理的容器。可生物降解的聚合物一般定义构成松散的合成体，旨在通过生物体自身的运动降解聚合物。过去几十

3、年以来，许多尝试一直专注于用廉价的和可生物降解的天然生物大分子进行嫁接或混合成塑料，如淀粉，纤维素，和，甲壳素等得到所期望属性的新材料3-12。这些生物大分子，特别是淀粉，资源丰富，价格低廉，是可再生能源，并且可降解。 在这篇文章中，我们已经合成了一个新的以淀粉为基础的高吸水材料，系统考察了交联剂和添加剂对吸水性能的影响，因此本文的创新性是通过对它们土壤掩埋，污泥水，微生物即蜡样芽胞杆菌（革兰氏阳性）尚未尝试和报告，进而研究新材料的降解性。实验：甲基丙烯酸乙酯（EMA）和Na2CO3来购于德国的默克公司，丙烯酸，过氧化苯甲酰（BPO），对苯二酚是购于E（印度）的默克有限公司，硅酸钠是由荷兰的P

4、Q公司附赠的样品。接枝共聚 通过自由基聚合制备接枝共聚物。将甲基丙烯酸乙酯加入一个装有机械搅拌器，电容器的三颈瓶中，将N2 通入去离子水中，在搅拌的同时加入交联剂丙烯酸钠。溶液是在400-500的转速下搅拌15分钟。硅酸盐溶液是以重量百分比为基准准备的。将混合物缓慢的加热到80度，在此温度下加入引发剂BPO。在反应进行2小时后将上述准备好的硅酸盐溶液加入。然后反应聚合1小时后另外加入0.1M对苯二酚溶液完成反应。凝固后的产品首先用蒸馏水洗涤纯化，并在40°C的烘箱干燥，然后在甲醇中回流8小时，以去除PMEA。丙烯酸钠的制备将丙烯酸（0.5M）溶液与蒸馏水混合放置在装有干燥乙醚的锥形瓶

5、中，用0.1M的丙烯酸滴定。分离出来的白色固体，在真空条件下过滤，并在真空干燥器中干燥。这个反应式是： 特点 结晶14被确认使用X射线衍射（XRD），扫描速度的2/分钟飞利浦PW-1847 X射线晶体与吉尼尔对焦摄像头配备的单位。 淀粉的红外光谱，PEMA，ST-G-PEMA和St-g-PEMA/SS的样品，以KBr压片（0.5克）的形式被记录在Perkin Elmer公司的Paragon500红外分光光度计在400-4000厘米的范围内） 用岛津的DTA-500系进行了测试。它在室温下以10 C / min的升温速率升温到600通过使用流速为50 mL / min的干燥氮气。 JEOL公司，

6、日本5200型扫描电子显微镜倍率·1000（SEM）录得的降解前后St-g-PEMA/SS表面形貌性质。水吸收率测量 在室温下，将一克的接枝复合材料完全侵入水中，直到达成平衡。当样品溶胀后倒入筛网中过滤10分钟，然后称重，得到吸水率。吸水率13（g水/ g样品）计算使用公式如下：其中m和m0分别表示样品吸水溶胀后的重量和吸水剂的重量。生物降解研究生物降解样品，即淀粉，PEMA和St-g-PEMA/SS三种不同的方法如下所述：活性污泥降解 活性污泥水收集来自于接收卫生间和生活污水的化粪池。在聚丙烯容器内收集污泥水15，当完全填后完全封闭。然后污水立即被转移到实验室。放置 约1小时后总固

7、体浓度增加至5000毫克/升 。将活性污泥和聚合物样品（0.2克）一起在放在室温 下（28±2 C)且消毒过的容器中培养。通过在不同时间段质量的减少，对生物降解的研究除去重复的样品。容器中的蒸馏水含有聚合物样品而不存在污泥时则被认为有效的控制住了。土埋降解 通过样品在土壤中质量的减少研究生物降解性。称量的样品，然后埋在含有雨季农田地表的淤积土的收集箱中。样品被埋在20cm的深度。还采取了一个控制箱只有样品，没有土壤。在一定的时间间隔，土埋样的本被挖了出来，用蒸馏水洗净，在40 ± 2 C真空烘箱干燥24小时，然后在干燥器平衡至少24小时，并通过测量其干重进行评估。通过以上所

8、述相同的程序在获得土埋前的起始重量。在培养介质中的降解 一个准备采取营养液体培养基中。蜡状芽孢杆菌（革兰氏阳性染色）细菌接种在这种介质上。这种纯培养，分别维持在恒温器中。所以准备在80，15 lb/in.2压力对营养培养液灭菌45分钟。然后将0.1克的每个样品，即淀粉，PEMA和ST-G-PEMA复合材料添加到无菌的单独的10ml试管中，每管样品分别辅以不同细菌菌株接种。革兰氏阳性芽孢杆菌的样本退化监测的时间间隔8，15，21，28天。样品在所需的时间后用去离子水反复清洗，在40 ± 1 C的烘箱中干燥24小时。然后将样品称重，以确定减少的重量。结果与讨论红外光谱嫁接到淀粉的红外光谱

9、研究，如图 1。由于C-H伸缩振动或亚甲基（C），CH3和乙烯o(C2H5）17在该地区2900-3000厘米的传输带），即在2980，2940和2910厘米）。淀粉的OH键的伸缩在2900-3400厘米），但ST-G-PEMA它出现在3200-3700厘米）118。PEMA的羰基峰出现在1725年厘米），但ST-G-PEMA，它出现在1680厘米）1。 图1 红外光谱图，(a)淀粉（b）PEMA,（C）ST-G-PEMA，（d）St-g-PEMA/SS X射线衍射。X-射线衍射X-射线衍射法19是一个非常有用和强大的分析技术，可以了解聚合物的结晶。从图2中不同的山峰可以看出，它已被发现，虽然

10、淀粉，SS是半结晶20 St-g-PEMA/SS是在自然界的结晶，均聚物（PEMA）接枝淀粉与交联剂，SA和添加剂，SS的结晶区域增加。应用布拉格公式计算，估算在d-空间峰顶的位置，对于PEMA是15.235A°和St-g-PEMA/SS的一个是12.973A°。因此，它是预测具有较高的结晶度和较高的孔隙率显示最大的吸水能力Stg-PEMA/SS，如表1所示。 图2 X射线衍射曲线，(a)淀粉，(b)PEMA（c）硅酸钠，（d）热重St-g-PEMA/SS6472 J材料科学（2006）41:6470-6475123表1 在80 C时由单体，引发剂，SA, SS的不同变化下

11、的吸水率。热重分析通过比较其热像图3所示的曲线，在室温下(28 ± 2 C)对淀粉，PEMA，ST-G-PEMA和St-g-PEMA/SS的热行为进行了研究。从曲线的分解温度（Td）发现，淀粉是210，PEMA是230和St-g-PEMA/SS是285。作为样品Stg-PEMA/SS是在高温下分解，因此它比其他提到的样品具有高的热稳定性。 温 度图3 热重分析谱 (a)PMEA,(b)淀粉，（c)St-g-PEMA/SS扫描电子显微镜图4显示了ST-G-PEMA/ SS培养液体降解前后的表面形貌。St-g-PEMA/SS降解前，扫描电镜显示更多的网络表面结构和淀粉接枝很规律，生物降解

12、后，表面上似乎是粗糙和不清晰的，从而确认了St-g-PEMA/SS对微生物的降解性。 图4 扫描电子显微镜图（a），（b），ST-G-PEMA对其生物降解前后的超吸收性超高吸水性引发剂BPO的影响对引发剂浓度的影响进行了研究，如表1。随着引发剂BPO浓度的增加，BPO产生的自由基数量增加，溶胀度从0.005mol/cm3增加到0.01mol/cm3,然后缓慢的降低。聚合反应速率随着产生自由基的引发剂浓度的增加而增加。从而这个因素是减少了交联密度使聚合物的溶胀能力下降的原因。交联剂SA的影响交联剂浓度和样品的吸水性（Q（H2O）之间的关系如表1所示。随着交联剂SA浓度的增加，吸水率从3.3到13

13、.5 · 10-3mol/cm3,然后再SA较高浓度下大幅下降。这个事实的原因是源于，随着交联剂的浓度增加，交联密度增加，反过来，多孔性共聚物下降，从而吸水率下降。 添加剂SS的影响硅酸钠对于超高吸水性质扮演着一个很重要的角色。添加剂加于复合材料Stg-PESMA/SA/SS测量的吸水性（QH2O）如表1所示。在EMA = 0.653mol /dm3, BPO = 0.01 mol /dm3, SA = 13.3 mol/dm3 and SS = 0.1 mol /dm3，复合材料显示出最高吸水率。这是因为，SS完全溶于水时，它可能会形成弱键的聚合物，从而提高聚合物的亲水性，有利于在

14、网络空间内提高吸水能力。在SS的浓度较高时吸水性下降，因为在高浓度时可能有更多的Si-O-Si的复合材料的交联，水分子可能没有足够的空间进入网络中。生物降解活性污泥降解从比较淀粉，PEMA和St-g-PEMA/SS的生物降解研究发现，ST-G-PEMA/ SS被发现降解速度加快（减少重量）。但淀粉的体重减轻量表现出了较少，PEMA减少的重量更微不足道，如图5。作为St-g-PEMA/SS像比其它拥有更多的网络空间，它拥有比其它更多的水，因此，它更易分解。 降解时间（天数） 在EMA=0.563mol/cm3时，活性污泥中的降解性降解土埋试验在这个测试中，PEMA的疏水性质在它自身重量减轻同时有

15、非常小的增长。但在有淀粉的情况下，缓慢的降解率高达28天，然后逐渐上升到1年后被发现它的重量的减少有所提高，如图所示6。对于St-g-PEMA/SS，因为它是一个超级的多孔材料，并在它的网络空间可以容纳更多的水，这有助于微生物容易生长。 降解时间（天数） 在EMA=0.563时，土埋下的降解性蜡样芽胞杆菌降解从实验中，被证实STG-PEMA/ SS被证实它的降解速度比PEMA和蜡状芽孢杆菌的淀粉更快，如图7所示。这可以归因于一个事实，即细菌的生长系统中含有比其它物质更多的，增加亲水性性质的St-g-PEMA/SS。 降解时间（天数） 在EMA=0.563时，细菌（芽孢杆菌）的降解性结论新型改性淀粉复合系统的组成：（ST-G-PEMA）/ SA/SS具有较高的超吸水性的结构，SPAS