绿色聚合物聚天冬氨酸的应用

绿色聚合物聚天冬氨酸的应用摘要：聚天冬氨酸是一种新型的可生物降解，并具有生物相容性的绿色聚合物，具有阻垢、缓蚀、分散、螯合、保湿等多种功能，在化肥、农药、工业水处理、金属切削液、表面活性剂、日用化学品等领域得到了广泛应用。文章着重介绍了聚天冬氨酸在相关领域的应用，并对聚天冬氨酸的应用前景提出了一些建议。关键词：绿色聚合物;聚天冬氨酸;生物高分子材料；绿色环保中图分类号：TQ085文献标识码：A文章编号：1007—6921(2010)17—0045—聚天冬氨酸(PASP)是近年来受海洋动物代谢过程启发而研制成功的一种“绿色环保”型生物高分子材料，分子式为C46NO3(C4H5NO3)C4H6NO4，相对分子质量1000~5000。是一种带有羧基侧链的聚氨基酸，具有螯合和分散作用。由于聚天冬氨酸分子中含有大量的-COOH、--等极性基团，具有很好的亲水性和水溶性，此外，侧链上的-COOH在水溶液中很容易电离，形成羧基负离子(-COO-)，能与多种离子发生络合反应，使聚天冬氨酸在水溶液中具有很好的化学活性。作为一种氨基酸的聚合物，聚天冬氨酸除具有水溶性羧酸的性质外，还具有非常好的生物相容性和生物降解性，最终降解产物是对环境无害的氨、二氧化碳和水，是一种性能优越、无毒、无污染、极易降解的水溶性高分子材料，是公认的“绿色聚合物”，是德国政府规定的唯一可以直接往江、海、湖中直接排放的水处理剂。近年来，广泛地应用于水处理剂、洗涤剂、化妆品、抑菌剂、分散剂、螯合剂、制革、医药、农药、水凝胶、农用化肥等领域逐步得到应用，具有广阔的应用前景。1聚天冬氨酸的应用1.1水处理剂PASP容易与金属离子吸附或结合，可以改变钙盐的晶体结构，具有防止水垢的作用，对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、磷酸钙等成垢盐类具有良好的阻垢效果，对碳酸钙的阻垢率可达100%，并且还能与金属离子发生螯合作用，具有缓蚀与阻垢双重功效，是一种优良的阻垢分散剂，可有效防止金属设备的腐蚀［1］。聚天冬氨酸可耐高温，热稳定性好，是一种可应用于高温水系统的水处理剂。在普通硬水中，APSP在2mg/L时阻垢率已达99.8%，在高钙、高碱、高pH值的条件下对碳酸钙仍具有良好的阻垢效果，可用于循环冷却水系统、锅炉及油气田水处理，特别是用于高硬度、高碱度、高pH值、高浓缩倍数的水处理系统。在PASP分子结构中引入羧基可以提高其阻垢率，在加药质量浓度为4mg/L时，阻垢率可提高4%，磺酸基的引入可以提高PASP的分散性能，羧基和磺酸基的引入均有助于缓蚀性能的提高［2］。PASP的分子结构中同时具有酰胺键和羧基键，集中性型和阴离子型于一身，在水溶液中可以解离成负离子，再加上酰胺键上N、O上所带的孤对电子，因此可以通过物理吸附和化学吸附把水溶液中的Cd2+吸附聚集起来，从而达到去除的目的［3］。1.2分散剂聚天冬氨酸的分子中含有亲水和疏水基团，因此具有表面活性，可以降低表面张力，有助于水对固体的湿润。这对于油漆、涂料、颜料、填料、粘土之类物质在水中的分散特别有利。此外，有时虽然不能显著地降低水的表面张力，但可以起到保护胶体的作用。通过它的亲水性，使水一胶体复合体吸附在颗粒上而形成外壳，使颗粒屏蔽起来免受电解质所引起的絮凝作用，这样也给予分散体系以稳定性。如用于洗涤剂中可作为抗再沉淀剂，主要可以改进含硅铝酸盐洗涤剂的去污性能。1.3肥料增效剂聚天冬氨酸作为肥料的添加剂，能帮助作物更健康地生长，产量更高，并能改善土壤，故又称其为肥料增效剂。在生长中加入聚天冬氨酸的稻秧生长效果比不处理和用聚天冬氨酸浸种的好，而且用聚天冬氨酸浸泡过的种子，其他条件都一样时其生长优势也相当明显，这说明聚天冬氨酸是一种良好的肥料增效剂，即聚天冬氨酸具有减少肥料用量，提高肥料利用率，减少污染的效果。使用聚天冬氨酸的农田，增产在15%以上，有的高达70%，作物品质明显提高。用聚天冬氨酸对小麦浸种后，小麦出苗齐，苗壮，分蘖3~5根的苗数达95%以上。在农业上的推广应用，将能取得可观的社会效益和经济效益［4］。1.4钻井液降粘剂钻井液降粘剂主要是用来降低钻井液的粘度，控制钻井液的流动性。目前，聚合物降粘剂是钻井液降粘剂的一个发展趋势。聚天冬氨酸具有无毒、易降解、不破坏生态环境等特点，是一种国外正热起来的“绿色降粘剂”。已开始在北海油田及欧洲煤矿开采中进行现场试验。PASP在粘土浆中，具有一定的降粘效果。这是因为在PASP的分子链中，除了含有阴离子基团-COO-和-CO-还含有-NH+。因此，PASP不仅可以通过阴离子基团以库仑力分别吸附在粘土片带正电荷的端面和带负电荷的平表面，而且-通过氢键吸附在粘土片的表面。这样，PASP在粘土颗粒表面上有较大的吸附量，对粘土颗粒进行较好的包覆，拆散粘土之间形成的结构，使得钻井液的粘度下降，起到较好的降粘效果。1.5仿生材料孙波等首先合成具有不同侧链的聚天冬氨酸或其衍生物，然后将带有不同侧链的聚天冬氨酸或其衍生物、壳聚糖、含钙溶液在一定温度和pH值下进行混合、反应、沉淀。所得产物具有仿细胞壁膜的性质，是一种环境友好型仿生材料。该材料具有吸附重金属和某些有机物的功能，可用于脱除重金属、氯代烃、有机颜料、染料等,广泛应用于医药工业、食品工程、印染工业、污水处理等领域［5］。1.6高效吸水材料高分子量聚天冬氨酸具有很强的吸水性，利用这一性能可将聚天冬氨酸制成强吸水材料。该吸水树脂可完全生物降解，可用作土壤保湿剂，使在贫瘾、干旱的土壤上取得丰收、沙漠变绿洲成为可能。通过聚糖和氨基酸混合然后加热使其交联而制得的吸水树脂对于生理盐水吸水性大于10g/g，此外，在有压条件下对生理盐水的吸水率不低于10mL/g，这种吸水树脂既有较好的吸水容量又有较好的生物降解性［6］。1.7日用化学品由于绿色环保的特性，聚天冬氨酸可作为新型的日化助剂和各种无毒、无污染的专用精细化学品。聚天冬氨酸在餐具洗涤剂方面也有类似洗衣剂的作用，会吸附在碗碟表面，抑制表面腐蚀发毛，产生更好的保洁效果，是清洗硬质表面餐具洗涤剂的组分之一。聚天冬氨酸具有阴离子表面活性剂的特征，在洗涤、日用化工等领域的应用效果表明，其具有较好的耐电解质、耐碱和低泡性以及良好的螯合、分散作用，在洗涤中的作用是使水软化、分散和抗垢，并可防止洗落的油垢重新玷污在餐具和衣物上［1］。1.8医药领域应用聚天冬氨酸可以做血浆膨胀剂和血小板抗凝剂，由于聚天冬氨酸具有生物降解性，因而可以做药物载体，在药物控制释放体系中也有良好的应用前景。药物通过与聚天冬氨酸的羧酸形成酰胺基团而被键合到聚天冬氨酸分子链上，形成大分子药物。在抗肿瘤等药物中，聚天冬氨酸衍生物作为顺铂的高分子载体，它可以起到提高顺铂的水溶性，降低其毒副作用，提高其选择性的治疗效果。积极研究聚天冬氨酸衍生物降解速率的影响因素,并寻求新的修饰手段来提高其作为药物控释体系的可控性,其在药物传输领域会有更广泛的应用［7］。1.9其他行业由于具有良好的分散作用，聚天冬氨酸可在颜料、涂料、制革、无机化工、油田化学等领域得到应用。聚天冬氨酸聚酯是涂装领域的一种新型慢反应的高性能脂肪族涂料，可以制备高耐候性和耐化学腐蚀的防护涂料。在制革过程中采用聚天冬氨酸或其盐作为鞣革剂，制备可生物降解的皮革。在染整行业中，前处理的煮练、漂白和洗涤工艺等，显示出独特的生物可降解性。2应用前景聚天冬氨酸是一种可完全生物降解、对环境友好、用途广泛的绿色环保化工产品。有关聚天冬氨酸的新的用途不断被发现，不同用途的聚天冬氨酸需要用不同结构、不同相对分子质量的产品。国外许多公司一直在开发其生产工艺。2.1大力推广聚天冬氨酸在水处理领域的应用PASP的工业应用不仅能减少工业环境污染，而且有助于提高循环冷却水的浓缩倍数，进一步达到节水目的。应加快PASP的工业生产，在水处理市场大力推广使用，促进我国水处理剂品种更新换代。加强对PASP改性的研究，天冬氨酸与其他化合物进行二元或三元共聚，引入更有效的官能团，在保持其生物可降解性的前提下，提高其阻垢和缓蚀性能。2.2积极开展聚天冬氨酸在医药领域的研究和应用聚天冬氨酸及其衍生物是一大类有着众多用途的可降解高分子材料，生物相容性好，具有较好的亲水性，易于同其他化合物进行修饰反应，尤其是作为生物医用高分子在药物传输系统、组织工程、抗庆大霉素的毒副作用等领域有着良好的应用前景。随着人们生活水平的提高，对这类新材料的需求会越来越迫切，聚天冬酰胺类高分子材料将有更好的发展前景。2.3拓展聚天冬氨酸产品的应用领域聚天冬氨酸及其衍生物由于可完全生物降解，又具有阻垢、缓蚀、分散、螯合、保湿等多种功能，越来越被广泛重视和应用。但在降低成本，推广使用上还有待于进一步努力。同时要积极拓展聚天冬氨酸在日用化学品、农药、金属切削液、水煤浆添加剂、光化学品、高吸水树脂等行业下游相关产品的应用开发力度。聚天冬氨酸的其他应用研究在国内报道很少，与国外的差距较大，应加大研究力度，更加拓宽其广泛的产品市场。［参考文献］［1］汪家铭.聚天冬氨酸的生产应用与发展前景［J］.上海化工［2］高玉华，刘振法，等.聚天冬氨酸的改性对阻垢分散性能的影响［J］.工业水处理［3］赖坤容,马政生.聚天冬氨酸的合成及对含镉废水的去除研究［J］.水处理技术［4］冷一欣,韶晖,等.肥料增效剂聚天冬氨酸的应用效果研究［J］.安徽农业科学,2002,30(3):412~413.［5］孙波,方叶明,王博威.制备聚天冬氨酸或其衍生物、壳聚糖和钙磷化合物的复合材料的方法［P］.中国专利：200810053550,2008-10-22.［6］冷一欣.聚天冬氨酸的合成与应用研究［D］.南京：南京工业大学博士论文［7］赵彦生,闫丰文,等.聚天冬氨酸衍生物在药物控释及组织工程领域中的应用［J］.中国组织工程研究与临床康复,2007,11(18):3657~3660.