改性生化黄腐酸引发M-BFA/PASP水凝胶的制备及其性能探究

Preparation and Properties of M-BFA/PASP Hydrogel Initiated by Modified Biochemical Fulvic Acid

摘要

文章利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）对生化黄腐酸（BFA）进行改性得到改性生化黄腐酸（M-BFA），在引发剂聚琥珀酰亚胺（PSI）的作用下使其与聚天冬氨酸（PASP）反应成功制备出复合水凝胶（M-BFA/PASP）。进一步考察了M-BFA/PASP水凝胶在不同pH值和不同温度下的溶胀性能以及不同时间内的缓释性能。结果表明：在酸性条件下复合水凝胶M-BFA/PASP的溶胀比由4.604 6下降到2.595 1，在碱性条件下其溶胀比则下降到3.218 7。当温度由30 ℃升至60 ℃时，其溶胀比由原来的3.046 1下降到1.573 9。此外，在90 min内复合水凝胶M-BFA/PASP内的尿素释放完全。因此，复合水凝胶M-BFA/PASP对pH值及温度具有较强的敏感性且具有很好的缓释效果。研究为黄腐酸的应用提供了一个新的思路。

关键词

改性生化黄腐酸 / 聚天冬氨酸 / 溶胀比 / 缓释性能

Key words

Modified biochemical fulvic acid / Polyaspartic acid / Swelling ratio / Slow release performance

水凝胶是一种不溶于水及有机溶剂的高分子材料，它的三维网状结构使其具有强吸水性、强保水性及强溶胀比^[1-2]。近年来，水凝胶广泛应用于农林业的保水剂、医疗卫生业缓释载体以及建筑材料^[3-5]。聚天冬氨酸(PASP)是氨基酸类制备的水凝胶，具有较强的生物降解性、环境友好性等特点，由于具有较好的吸水性，与土壤混合后可在提高保水性的同时改良土壤结构^[6-9]，常用作农林土壤保水剂及缓释剂载体。然而，PASP水凝胶具有稳定性差、对环境敏感等缺点，在一定程度上限制了PASP的进一步应用^[10-12]。为此，人们进行了多种尝试，其中互穿型及半互穿型等改性方式一定程度上改善了PASP的稳定性。但是，赵俭波等^[13-14]采用互穿型及半互穿型等改性对PASP水凝胶的多羧基结构构成一定的破坏，降低了其生物活性和降解性。水凝胶中添加剂的添加方式不仅可以改善PASP的稳定性、保水率，同时没有破坏PASP的生物活性^[15-18]。然而，原位的添加方式在应用后会出现添加剂泄露及流失的情况，使得PASP的添加剂作用降低，如何选择添加剂及其添加方式成为目前水凝胶改性的首要目的^[19-20]。

生化黄腐酸(BFA)作为天然有机物，因其较高的生物化学活性，越来越受到青睐。BFA内含有大量的羟基、羧基、甲氧基，可对其进行磺化、硝化、胺化、卤化、氨基化、交联等改性^[21-22]，通过腐植酸与烯烃接枝共聚^[23]，既具有了烯烃的耐热性又降低了聚合物的成本。腐植酸与丙烯酸共聚得到的丙烯酰胺可以作为吸水性的树脂，同时发现BFA可作为水凝胶和有机硅的腐植酸类添加剂^[24]。但是BFA具有超强的亲水性，不可以简单作为添加剂加入PASP水凝胶^[25-26]。

本实验以3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)作为偶联剂对BFA进行有机改性，实现了对BFA的改性，使其作为交联剂，制备了改性生化黄腐酸/聚天冬氨酸(M-BFA/PASP)复合水凝胶，考察了复合水凝胶的溶胀性能和缓释性能，同时利用BFA与有机高分子单体合成接枝共聚物赋予其新功能，拓宽了BFA应用领域。

1 实验部分

1.1 主要原料

生化黄腐酸(BFA)，自制；聚琥珀酰亚胺(PSI)，分析纯，北京市生物加工过程室；3-氨丙基三乙氧基硅烷、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

真空冷冻干燥机，LGJ-12，宁波新艺超声设备有限公司；紫外可见分光光度计，UV-5100，上海奥析科学仪器有限公司；pH计，PB-10，上海诺萱科学仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Nicolet IS5，美国赛默飞科学仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，SU3800，株式会社日立制作所。

1.3 样品制备

1.3.1 BFA的改性

取5.0 g BFA均匀分散于20.0 mL丙酮，放入恒温加热磁力搅拌器中进行搅拌，待温度升高到一定温度时，加入一定量的KH-550，抽滤，干燥研磨。

1.3.2 M-BFA/PASP复合水凝胶的制备

称取1.0 g PSI置于100.0 mL烧杯，量取10.0 mL DMF使其完全溶解，加入0.5 g改性的BFA，在45 ℃下反应6 h，得到M-BFA/PASP复合水凝胶，冷冻干燥。

1.4 性能测试与表征

BFA表面引入氨基含量的测试：称取0.1 g改性BFA以及BFA溶解于4.0 mL蒸馏水中，加入磁子放在磁力搅拌器上进行搅拌，待其充分溶解后，用0.1 mol/L的标准盐酸采用滴定法进行改性BFA表面氨基含量的测定，采用甲基橙作为指示剂，溶液颜色由黄变红即为滴定终点。氨基含量的计算公式为^[27]：

K = \frac{C(V_{\mathrm{1}}-V_{\mathrm{2}})}{m} (1)

式(1)中：K为BFA表面氨基含量，mol/g；V ₁为滴定改性后BFA终点所消耗标准盐酸的体积，L；V ₂为滴定空白BFA终点所消耗标准盐酸的体积，L；C为标准盐酸浓度，mol/L；m为BFA的质量，g。

M-BFA/PASP复合水凝胶溶胀性能的测试：采用茶袋装取干燥的复合水凝胶，称取一定量的复合水凝胶于茶袋中，将茶袋放入装有蒸馏水的烧杯中，每隔2 h将茶袋取出，悬挂至不再有水珠时，进行称重，称完重后将茶袋再放入烧杯中，重复上述操作，直到复合水凝胶不再吸水膨胀，质量几乎不变时为止。溶胀比的计算公式为^[28]：

Q = \frac{m_{\mathrm{总}}-m_{\mathrm{茶}}-m_{\mathrm{前}}}{m_{\mathrm{前}}} (2)

式(2)中：Q为复合水凝胶溶胀倍比；m _总为复合水凝胶吸水达平衡后与茶袋的质量，g；m _茶为茶袋的质量，g；m _前为复合水凝胶吸水前的质量，g。

缓释性能测试：为了测试M-BFA/PASP复合水凝胶的缓释性能，在制备时添加尿素作为M-BFA/PASP复合水凝胶缓释性能的测试物质^[29-31]。取8支25.0 mL离心管中分别加入4 000 mg/L的尿素标准溶液0、0.5、1、2、4、5、8、10 mL，分别往离心管中加入蒸馏水10、9.5、9、8、6、5、2、0 mL定容到10.0 mL处，得到10.0 mL尿素质量浓度分别为0、200、400、800、1 600、2 000、3 200、4 000 mg/L的一系列溶液。然后用移液管移取2 mL于比色皿中，将对二甲氨基苯甲醛显色剂滴加1.0 mL到每支比色皿中，使其均匀混合，静置10.0 min。然后以空白组的反应溶液做对比溶液，在波长422 nm下进行吸光度的测定^[19-22]。通过分析可以得到对二甲氨基苯甲醛显色分光光度法测定尿素含量标准曲线和线性回归方程。图1为标准尿素曲线。

2 结果与讨论

2.1 BFA和改性BFA的FTIR分析

图2为BFA改性前后的FTIR谱图。从图2可以看出，3 420 cm⁻¹处为O—H伸缩振动峰，M-BFA样品峰值减弱，1 650 cm⁻¹处为C=O伸缩振动峰，M-BFA样品峰值减弱，这两个峰减弱可能是因为部分羧基(—COOH)和酚羟基(—OH)与KH-550中的氨基发生反应。1 095 cm⁻¹处为Si—O—Si伸缩振动峰，来源于KH-550中的硅烷部分与水反应生成的硅氧桥键。1 211 cm^-1处新增N—H伸缩振动峰，来源于KH-550中氨基与BFA反应生成的化学键，说明KH-550对BFA成功改性。

2.2 水凝胶溶胀前后对比

图3为水凝胶溶胀前后对比。从图3可以看出，合成的PASP水凝胶表面光滑且具有一定的透光性，呈现自然的黄棕色，而M-BFA/PASP复合水凝胶表面粗糙，有坑洞，缺乏透光性，颜色为黑棕色。因为BFA的加入使M-BFA/PASP复合水凝胶透光性降低，颜色加深。PASP水凝胶在吸水前是0.6 cm，吸水后PASP表面光滑，内部无气泡，有透光性，长度为0.8 cm，体积是原来的3倍。M-BFA/PASP复合水凝胶在吸水前是0.6 cm，吸水后表面粗糙，内部有气泡，有透光性，但透光性差，长度为1.1 cm，体积是原来的5倍。由此可知，M-BFA/PASP复合水凝胶具有更好的溶胀性。

2.3 PASP水凝胶和M-BFA/PASP水凝胶SEM分析

图4为50 μm和5 μm下PASP水凝胶和M-BFA/PASP复合水凝胶的SEM照片。从图4a和图4c可以看出，PASP水凝胶具有空洞和层叠结构，大倍率下表面较平整。从图4b和图4d可以看出，与PASP水凝胶相比，M-BFA/PASP复合水凝胶的表面粗糙，具有较多颗粒状物质，孔洞数量增加显著，呈现流延状结构，这些结构更加有利于水的传导与储存。因为改性BFA作为交联剂，使得PASP聚合形成网状结构时，与改性BFA不相容。

2.4 不同反应条件对氨基引入量的影响

图5为不同反应条件对氨基引入量的影响。从图5a可以看出，氨基的引入量随KH-550含量的加入先增加后减少，当KH-550含量为6 mL时，氨基引入量可达到0.012 5 mol/g。因为BFA与KH-550反应已平衡，使氨基的引入量达到饱和。同时随着反应时间的增加（图5b），氨基引入量快速升高后随之达到最大引入量。从图5c可以看出，当温度升高到55 ℃时，氨基的引入量达到最大值。可以看出不同的反应温度，导致氨基引入量变化较大。由于BFA为大分子混合物，较高的反应温度提高了BFA的活性，增大了有效碰撞的概率。

2.5 正交试验数据及分析

为探究改性BFA的最佳反应条件，设计了三因素三水平的正交试验，表1为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。表2为L₉(3⁴)正交试验结果。从表2可以看出，各因素所对应的极差R排序为：R _A>R _B>R _C。因此，各因素对BFA改性影响排序为：KH-550的用量>反应时间>反应温度。为筛选出最优组合，通过计算均值k，选出最佳组合为A₃B₃C₃，即KH-550的用量为7 mL，反应时间为3.5 h，反应温度为60 ℃。

2.6 M-BFA/PASP复合水凝胶溶胀性能分析

图6为不同条件下对水凝胶溶胀比的影响。从图6a可以看出，PASP水凝胶和M-BFA/PASP复合水凝胶的溶胀比随时间的增长而不断升高，且均在10 h左右趋于稳定，其中M-BFA/PASP复合水凝胶的最大溶胀比达到了4.604 6远高于PASP水凝胶溶胀比3.656 1。因为M-BFA/PASP复合水凝胶在吸水时，羧基会解离，导致水凝胶分子之间产生静电斥力，进而扩大水凝胶网络结构，使离子通过网状结构向外部溶液膨胀，产生渗透压，从而吸收更多的水分，使水凝胶不断膨胀。从图6b可以看出，在酸性条件下，M-BFA/PASP复合水凝胶的溶胀比从原来的4.604 6下降到2.595 1，同时碱性条件时下降到3.218 7。基于复合水凝胶自身性质和结构，随着pH值的改变，导致M-BFA/PASP复合水凝胶内部的空间结构遭到破坏，使复合水凝胶的溶胀比下降。从图6c可以看出，随着温度的升高，复合水凝胶的溶胀比先升高后降低，温度在30~50 ℃时，溶胀比先缓慢升高后缓慢降低。当温度升到60 ℃时，复合水凝胶的溶胀比随时间缓慢升高。40 ℃时亲水基团与水分子间形成的氢键占主导，有利于M-BFA/PASP复合水凝胶吸水溶胀。

2.7 M-BFA/PASP复合水凝胶缓释性能分析

图7为不同条件对M-BFA/PASP复合水凝胶缓释的影响。

从图7a可以看出，随着温度的升高，M-BFA/PASP复合水凝胶缓释速率增加，完全缓释的时间缩短，30 ℃时在90 min左右时即可释放完全。考虑这是因为随着温度的升高，分子运动剧烈，缩短了释放所需要的时间。从图7b可以看出，处于中性时释放的速率较慢，结构未破坏，这与溶胀效果相互印证。

3 结论

通过FTIR测试得出，KH-550对BFA成功改性。经过正交试验，可以得出反应温度为60 ℃，KH-550的用量为7 mL，反应时间为3.5 h时，BFA表面氨基的含量最高。最优条件改性BFA，M-BFA/PASP复合水凝胶室温下溶胀比为4.604 6。复合水凝胶的溶胀比随温度升高先升高后降低。当温度升高到60 ℃时，复合水凝胶的溶胀比为1.573 9，下降了65.8%，在酸性溶液中复合水凝胶的溶胀比为2.595 1，下降了43.6%，在碱性溶液中，复合水凝胶的溶胀比为3.218 7，下降了30.1%，说明酸性条件对复合水凝胶的溶胀性能影响更大。综合考虑，温度对复合水凝胶溶胀性能的影响更为显著。M-BFA/PASP复合水凝胶在中性条件下缓释效果最好，30 ℃时效果较好，在90 min左右完全释放。

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基金资助

塔里木大学校长基金项目(TDZKSS202126)

新疆“天池英才”计划项目