第２５卷 第６期
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．６ 材料科学与 工程学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 总第１１０期
Ｄｅｃ．２００７
文章编号：１６７３．２８１２｛２００７）０６－０８２６．０４
魔芋超强吸水剂【ＫＳＡＰ｝的结构分析
刘爱红。。姜发堂
（１．湖北大学知行学院生物科学系，湖北武汉４３００１１；２．湖：ｌｌ；－ｒ￣Ｘ学生物工程学院。湖北武汉４３０Ｏ６８）
【摘要】利用红外光谱仪和扫描电镜对自制的魔芋超强吸水剂（Ｉ（ＳＡＰ）的结构进行了分析，并用萃取法对其
接枝效率进行了测定，结果表明ＫＳＡＰ系魔芋多糖与丙烯酸（钠）的接枝产物，为均一性的聚合物，其中含有大量的
羟基和羧基亲水基团，且是以魔芋多糖为主链，以接枝的聚丙烯酸（钠）为侧链的聚合物，其接枝效率为７５％。 【关键词】魔芋超强吸水剂ｉ结构分析；接枝效率
中图分类号：ＴＱ３４１．１ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｋｏｎｊａｃ Ｓｕｐｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｐｏｌｙｍｅｒ（ＫＳＡＰ）
ＬＩＵ Ａｉ－ｈｏｎｇ ，ＪＩＡＮＧ Ｆａ－ｔａｎｇ２
（１．Ｚｈｉｘｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００１１，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｕｂｅｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６８，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＫＳＡＰ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＦＴ－ＩＲ ａｎｄ ＳＥＭ．Ｔｈｅ ｇｒａｆｔ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ
ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ＫＳＡＰ ｗａｓ ｔｈｅ ｇｒａｆｔ ｐｒｏｄｕｃｔ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｇｒａｆｔｉｎｇ ｓｏｄｉｕｍ ａｃｒｙｌａｔｅ ｏｎｔｏ ｔｈｅ Ｓｌｕｃｏｍａｎｎａｎ ｏｆ ｋｏｎｊａｃ．
ＫＳＡＰ ｗａｓ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｌｕｓｔｅｒ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｇｒｅａｔ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ ｇｒｏｕｐｓ ｓｕｃｈ ａｓ—ＯＨ ａｎｄ—ＣＯＯＨ；ａｌｓｏ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｌｕｓｔｅｒ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ ｏｆ ｋｏｎｊａｃ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｆｔｅｄ ｐｏｌｙ ｓｏｄｉｕｍ ａｃｒｙｌａｔｅ ａ８ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｃｈａｉｎ．Ｔｈｅ ｇｒａｆｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＫＳＡＰ ｗａｓ
７５％． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｋｏｎｊａｃ ｓｕｐｅｒａｂｏｒｂｅｎｔ ｐｏｌｙｍｅｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｇｒｄｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
１ 引 言
超强吸水剂（ｓｕｐｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｐｏｌｙｍｅｒ，简称ＳＡＰ）是一类带
有许多亲水基团并适度交联或部分结晶且具三维网状结构
的高分子聚合物…。由于其高吸水性和高保水性已被广泛
应用于卫生用品、医药、农业等领域。其制备的原理之一是
利用多糖与不饱单体进行接枝共聚反应，结构的研究主要
是利用红外光谱鉴定其化学结构 ，用电镜观察其微观结
构 。本文旨在先前研究的基础上利用富利叶红外光谱
仪（ ＩＲ）和扫描电镜（ｓＥＭ）对自制的ＫＳＡＰ进行结构分析，
证实其是否发生了接枝共聚反应，并对其接枝效率进行测
定．为进一步改进合成工艺作指导。
２ 实验部分
２．１材料
魔芋粉：湖北清诚咸丰绿色食品有限公司提供。 ＫＳＡＰ：将魔芋粉３．０００ｇ，丙烯酸３０．０００ｇ（用氢氧化钠进
行８０％的中和），置于５００ｍｌ三口瓶中，３５℃下电动搅拌通
氮，使魔芋粉溶胀，然后加入过硫酸钾０．１５０ｇ和Ｎ，Ｎ 一亚
甲基双丙烯酰胺０．０５０ｇ，搅拌均匀，再转入６０￣Ｃ水浴中反应
２ｈ，取出产物，烘于、粉碎得６０—１００目ＫＳＡＰｎ］。
纯化ＫＳＡＰ：将ＫＳＡＰ去除均聚物和残留单体后的样品。
聚丙烯酸钠吸水剂：不加魔芋粉，其它合成条件与ＫＳＡＰ
相同。 ‘
２．２仪器
红外光谱仪：智能型ＦＴ－ＩＲ ＮＥＸＵＳ，美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司；扫
描电镜：ＪＳＭ一５６１０ＬＶ，日本电子公司。
２．３方法
红外光谱分析：将样品同ＫＢｒ混匀研细进行压片，在
ＦＴ－ＩＲ ＮＥＸＵＳ红外光谱仪上测定，光谱测定范围４０００ｃｍ～～
５００ｃｍ～，扫描次数３２／３２。
扫描电镜分析：将魔芋粉和魔芋超强吸水剂粉末镀金 后直接观察其表面结构。
接枝效率测定：称取０．２００ｇ左右聚合物（ＫＳＡＰ），加入盛
收稿日期：２１Ｘ］６－１２－１８；修ｒｒ日期：２００７－０２．．０７ 基金项目：湖北省科技厅基金资助项目（２００１ＡＡ２０７Ｂ０２） 作者镛介：刘爱红（１９７０一）．女。湖北潜江人。磺士。讲师。从事食品化学研究。 通讯作者：姜发堂，教授，磺士生导师。Ｅ－ｍａｌｌ：ｊｉａｎｇｆａｔａｎ８＠１２６，ＣＯＩＩＩ
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有２０Ｏｒａｌ蒸馏水的烧杯中，静置萃取，每隔２ｈ滤去未被吸收
的水，再加人２０Ｏｒａｌ蒸馏水，反复数次后，用２００ｍｌ丙酮脱
水，转人称样瓶中于６０￣Ｃ烘干至恒重，按下式计算接枝效
率：
接枝效率＝—Ｗ ｌ－丁Ｗ２×１００％
式中，ｗ１一聚合物重（ｇ）；Ｗ２一萃聚掉的物重（ｇ）。
３ 结果与讨论
３．１ ＫＳＡＰ的红外光谱分析 魔芋粉中包括淀粉、纤维素和葡甘聚糖三种多糖，因此
以魔芋多糖与不饱和单体进行接枝共聚反应制备超强吸水
剂具备理论上的可行性。魔芋多糖、聚丙烯酸（钠）、ＫＳＡＰ的
结构式可分别表示为图１、图２和图３。
Ｏ Ｏ
图１魔芋粉中多糖结构式
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｋｏｎｊａｃｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ ｒ ４ＣＨ２——
【
图２聚丙烯酸（钠）结构式
Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｔｅ ｓｏｄｉｕｍ ＣＨ２Ｏ。Ｈ
士
ＣＯＯＨ（Ｎａ）ＣＯＯＨ（Ｎａ）
图３魔芋超强吸水剂的结构式 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ＫＳＡＰ
图４、图５、图６分别是魔芋多糖、聚丙烯酸（钠）、ＫＳＡＰ
的红外光谱图。图４中，在３３９９ｃｍ 和１０２５ｃｍ 处分别出
现一ＯＨ和ｃ一０的伸缩振动峰，８７９ｃｍ 处出现吡喃型六元
糖环的特征峰；图５中，在１７９６ｃｍ 处出现Ｃ＝０的伸缩振 动峰，１６２１ｃｍ～、１４５７ｃｍ 和１４０５ｃｍ 处出现一ｃ００’伸缩振
动峰，这都是聚丙烯酸（钠）的特征吸收峰；图６中，３４２７ｃｍ
处出现一０Ｈ和１７９５ｃｍ 处出现ｃ＝０的伸缩振动峰，在
１５６２ｃｍ～、１４５８ｃｍ 和１４０６ｃｍ 处出现一Ｃ００一伸缩振动峰，
在１０５３ｃｍ 处出现ｃ一０的伸缩振动峰。三张图谱进行比
较（图７）分析表明，ＫＳＡＰ的红外图谱具有明显的聚丙烯酸
（钠）特征吸收峰，ｃ一０的伸缩振动峰较魔芋粉中ｃ一０的
伸缩振动峰弱，且在１５６２ｃｍ 出现的一ｃ００一伸缩振动峰较
聚丙烯酸（钠）在１６２１ ｃｍ 出现的一ｃｏ０一伸缩振动峰强，这 昱 宣 墨 ｗａｖｅＢｕｍｂｅｒｓ，ｃｍ—ｉ 图４魔芋粉的红外光谱 Ｆｉｇ．４ ＦＦ－ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｋ０ｎｊａｃ ｆｌｏｕｒ
ｗａｖｃｌｌｕｌｎｂｅｒｓ，ｃｍ—ｌ
图５聚丙烯酸钠红外光谱 Ｆｉｇ．５ ＦＴ—ＩＲ ｏｆ ｐｏｌｙ（ｓｏｄｉｕｍ ａｃｒｙｌａｔｅ）
ｗａｖｅｎｕｍｂｃｒｓ／ｃｍ—ｉ 图６魔芋超强吸水剂的红外光谱
Ｆｉｇ．６ ＦＴ－ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ＫＳＡＰ
３５００ ３０００ ２５００ ２０００ Ｉ５００ ｌ０００ Ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ／ｃｍ—Ｉ
图７魔芋粉、聚丙烯酸（钠）、魔芋超强吸水剂的红外光谱局部放 大图（ａ）魔芋粉；（ｂ）聚丙烯酸（钠）；（ｃ）魔芋超强吸水剂
Ｆｉｇ．７ ＦＴ－ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｏｆ ｋｏｎｊａｃ ｆｌｏｕｒ，ｐｏｌｙ （ｓｏｄｉｕｍ ａｃｒｙｈｔｅ）ａｎｄ ＫＳＡＰ
说明ＫＳＡＰ是魔芋多糖与丙烯酸（钠）发生了接枝共聚反应
后的产物。图８是纯化后的ＫＳＡＰ红外光谱图，３４３０ｃｍ 处 ＼ ｕｃ基一昌砷ｃ芒 ｌ， ｕｃ蛊一昌砷ｃ
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出现一ＯＨ的伸缩振动峰，１７９５ｃｍ 处出现Ｃ＝Ｏ的伸缩振
动峰，１５６２ｃｍ～、１４５４ｃｍ 和１４０８ｃｍ 处出现一ｃＯＯ一伸缩振
动峰，１０５７ｃｍ 出现ｃ—Ｏ的伸缩振动峰，与未纯化的ＫＳＡＰ
特征峰基本一致，进一步证实魔芋多糖和丙烯酸（钠）发生
了接枝共聚反应，且产物中含有大量的羟基和羧基亲水基
团。
图８纯化后魔芋超强吸水剂红外光谱 Ｆｉｇ．８ ＦＴ—ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｐｕｒｉｆｉｅｄ ＫＳＡＰ
３．２ ＫＳＡＰ的形貌观察 图９是魔芋粉放大５Ｏ倍扫描电镜图，由图可以看出魔
芋粉的颗粒大小不一，呈椭圆形或多角形，不透明，有孔，表
面粗糙，魔芋粉中包括淀粉、纤维素、葡甘聚糖等多种成分；
图ｌＯ是魔芋粉放大５０００倍的扫描电镜图，即图９的局部放
大，它清晰地表明魔芋粉颗粒表面呈现棱和沟，这些棱和沟
呈层状排列。图ｌｌ是ＫＳＡＰ放大５０倍的扫描电镜图，由此
可看出ＫＳＡＰ的颗粒大小均匀，呈规则多角形，无孔，透明， 表面明显较魔芋粉颗粒表面光滑，为均一性物质；图ｌ２是
ＫＳＡＰ放大５０００倍的扫描电镜图，即图ｌｌ的局部放大图，它
表明ＫＳＡＰ的表面呈现规则的波纹凸起，不再有魔芋粉颗粒
的层状表面结构。魔芋粉和ＫＳＡＰ的形貌差别更进一步说
明丙烯酸（钠）与魔芋多糖发生了化学反应，许多实验已证
实多糖与丙烯酸反应的机理是接枝共聚反应，因此由本文
所作的红外光谱和形貌差别分析可以推断ＫＳＡＰ是魔芋粉
中的多糖与丙烯酸发生接枝共聚反应的产物，且较为均一。
图９魔芋粉放大５０倍的扫描电镜图 Ｆｉｇ．９ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｋｏｎｊａｃ ｆｌｏｕｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ５０ ｔｉｍｅｓ
３．３ ＫＳＡＰ的接枝效率 接枝效率是指接枝共聚物占总的聚合物的质量百分
数。接枝共聚反应产物中除接枝共聚物外，还包括未反应
的不饱和单体及其均聚物。基于反应体系的构成，本实验
直接用水多次萃取分析ＫＳＡＰ的接枝效率，其结果见表１。 图ｌ０魔芋粉放大５０００倍的扫描电镜图
Ｆｉｇ．１０ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｋｏｎｊａｃ ｆｌｏｕｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ５０００ ｔｉｍｅｓ
图１１魔芋超强吸水剂放大５０倍的扫描电镜图
Ｆｉｇ．１ １ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ＫＳＡＰ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ５０ ｔｉｍｅｓ