[发明专利]甘蔗髓吸水性海绵材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种甘蔗髓吸水性海绵材料的制备方法，具体是利用甘蔗髓中天然聚糖高分子制备吸水性海绵材料的工艺技术，属于天然高分子材料领域。

背景技术

聚苯乙烯泡沫和聚氨酯海绵是工农业和日常生活中使用比较普遍的多孔吸水性材料。这类产品生产耗能较高，且废弃物难降解，特别是用于人体卫生、家庭洗涤和护肤用品时，长时期接触将会对人体产生一定的负面影响。随着石油这类不可再生资源的不断减少，该原料的来源也已成为一个严峻的问题。随着可持续发展科学研究的不断推进和加强，石油海绵的替代品逐渐被重视起来。其中天然植物聚糖高分子海绵，尤其是纤维素海绵就是现今科学领域发展较为迅速的代用品之一。纤维植物聚糖高分子是自然界中最普遍的一种天然资源，不但来源广泛，而且可以通过光合作用不断“再生”。纤维植物中聚糖高分子材料主要包括纤维素和半纤维素，其中纤维素含量较高。纤维素是β，D-吡喃式葡萄糖基由1，4-糖苷键链接而成的直链高分子聚合物。而半纤维素则是植物纤维原料中非纤维素的碳水化合物高分子的总称，与纤维素不同，半纤维不是均一聚糖，而是一群复合聚糖的总称，根据植物原料的不同，复合聚糖的组分也不同。甘蔗属于禾本科植物，因此它所含的半纤维素主要以聚阿拉伯糖4-O-甲基葡糖糖醛酸木糖为主。植物聚糖海绵不仅延续了纤维素和半纤维素在自然条件下很容易降解的特性，而且所制的纤维素海绵吸液性能和亲液性能较强，是一种环境友好型的高分子材料。

在生产聚糖海绵的工艺中最为重要的环节就是溶解聚糖高分子，尤其是结晶度较高的纤维素。纤维素能否在很少降解的情况下充分的溶解关系着后续塑化交联反应性能的强弱，以及海绵材料的成孔成形作用能否成功。纤维素是由β-D-吡喃式葡萄糖所构成的直链天然高分子聚合物，因此具有大量的羟基。羟基和羟基之间能够形成氢键连接，那些排列整齐致密的区域便形成了纤维素结晶区，而排列较为疏松散乱的区域则为纤维素无定形区。正是由于结晶区的存在，纤维素在大部分极性溶剂中很难被溶解，特别是聚合度较高时，比如棉纤维素，溶解更加困难。目前，溶解纤维素的溶剂可分为衍生化溶剂和非衍生化溶剂，其中非衍生化溶剂又可分为水相非衍生化溶剂和非水相衍生化溶剂。衍生化溶剂在溶解纤维素的过程中需要通过共价键引入新的功能基团，形成纤维素中间体，从而破坏纤维素氢键，尤其是结晶区的氢键，从而溶解纤维素。而非衍生化溶剂主要通过分子间的偶极力的作用，物理溶解纤维素，纤维素和溶剂间不发生化学反应。因此，从溶解工艺上来分析，非衍生化溶剂溶解纤维素步骤较为简洁，操作简单，易于控制。在非衍生化溶解体系中碱水溶液体系药品价廉易得，且研究应用较多，体系成熟；而无机金属熔盐水合物，例如硫氰酸钠，可以溶解DP值高达1500的纤维素，溶解能力强。

在植物聚糖海绵的制备过程中需要添加多种助剂来提升材料的各项性能，其中不可或缺的便是增塑剂。增塑剂通常是一种“类溶剂”的物质，加入到塑料、树脂或其他高分子聚合体中使能改进材料的加工性，增加可塑性、柔韧性、拉伸性或膨胀性的物质。增塑剂的种类较为繁多，例如苯甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、多元醇酯类、磺酰胺类等等。增塑剂的作用原理可总结为两点：第一，增塑剂与被添加的高分子材料之间作用是物理结合，即两种化合物官能团的偶极吸引力，通过该作用力结合而成的增塑高分子复合体；第二，增塑剂与被添加的高分子聚合物通过化学反应，经过生成新的共价键使两者连接成一体，往往这种化学增塑剂称为反应型增塑剂，该化学反应属于交联反应的范畴。反应型增塑剂较物理增塑剂成本高，但塑化作用后与交联的聚合物相容性好，增塑后材料的耐久性较强，且增塑剂不易挥发，长时间使用不发生迁移也不会溶出。

作为制糖工业的废料---甘蔗渣经过除髓处理后主要应用于制浆造纸的生产。然而占原料20~30%的甘蔗髓作为甘蔗渣的副产品现在利用率还是很低，根据所查文献甘蔗髓主要应用于燃烧回收热能、食用粗纤维添加剂、发酵制取乙醇、糠醛和木糖等方面。根据本实验室所得甘蔗髓原料化学成分数据可知，综纤维素含量占总组分的60%以上，是甘蔗髓的主要构成成分，从原料成分上证明了甘蔗髓作为聚糖海绵原料的可行性。但甘蔗髓中仍含有20%左右的木素，该成分因结构复杂，并具有疏水作用，妨碍纤维素溶解和海绵产品的吸液性能，所以在溶解甘蔗髓前并且尽可能避免综纤维素降解的前提下必须有效去除大部分或全部木素。

    在以甘蔗髓为基础的吸水性海绵材料的研究仍为一片空白的前提下，将甘蔗髓聚糖高分子用于制备吸水性多孔材料，不仅使甘蔗髓得到了充分的利用，而且也为甘蔗髓的高附加值开发和利用开辟了一条崭新的道路。

 

发明内容