含辣素衍生物的疏水缔合聚合物的合成及其耐温耐盐抑菌性能研究*

付冰月，于良民，姜晓辉，闫雪峰

(中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

疏水缔合聚合物是通过将非常少量的疏水基团(<2 mol%)引入聚合物的主链而形成的水溶性聚合物。疏水缔合聚合物的用途之一是在原油强力开采中解决聚丙烯酰胺存在的抗温耐盐性能差的问题，在石油开采领域有巨大的应用潜能。近年来，在研究和应用过程中发现，现有的疏水缔合聚合物仍存在一些无法忽视的缺陷[1-2]：石油采收条件愈加苛刻(高温高盐)，聚合物溶液的性能大打折扣，驱油效率也随之降低；在采油过程中，输油管壁上的细菌长期与连续循环的聚合物接触，分解聚合物的能力和速率大大提高，进而使聚合物性能退化[3-4]；多数疏水单体合成步骤繁琐且性价比低，在原油开采中大规模运用此种疏水缔合聚合物没有现实意义。

针对上述问题，改善聚合物溶液耐温耐盐性能的方法之一是增加聚合物分子链的空间位阻和链刚性。此外，在聚合物分子链上引入较长的侧链可有效防止主链的自由旋转，高温及无机盐对聚合物溶液粘度的影响也可以在一定程度上得到缓解。许多天然刺激性产物及其提取物都具有很强的抑菌活性，这类物质易降解，对环境无污染[5-8]。辣素因性能优异而被广泛关注[9-10]，具有高效广普的防污抑菌活性且耐温性好。本实验室在对天然辣素结构进行分析的基础上，采用Friedel-Crafts反应设计合成N-(2，3，4-三羟基-5-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺(AMTHBA)等多种单体化合物。该反应原料成本较低，并且产物结构中辣素类官能团的存在使其具有良好的杀菌活性[11-12]。

本文采用AMTHBA为疏水单体，与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、长链单体丙烯酸十八酯(SMA)以及其他单体进行自由基胶束共聚，合成新型的疏水缔合聚合物PASDMH，以期改善疏水缔合聚合物的耐温耐盐以及抑菌性能。通过红外、扫描电镜及热重对聚合物的分子结构和热稳定性进行表征，同时制备了PASMH与不含辣素的PASDM进行对比实验。

1 实验部分

1.1 实验仪器和药品

红外光谱仪(AVATAR-380)，Thermo nicolet公司。电动搅拌器(RW20D)，IKA公司。旋转粘度计(DV-Ⅰ)，BROOKFIELD公司。电热真空干燥箱(ZKF030)，上海实验仪器公司。振荡培养箱(HZQ-100)，东联电子发展有限公司。核磁共振波谱仪(AVANCE-Ⅲ 600MHz)，Bruker International公司。热重分析仪(STA 409)，耐驰公司。扫描电子显微镜(Hitachi-530)，HITACHI公司。

丙烯酰胺(AM)，分析纯，九昌农化有限公司。N-羟甲基丙烯酰胺，工业纯，中森化工有限公司。甲基丙烯酸(MAA)，分析纯，大茂化工试剂公司。2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，分析纯，煜源化学有限公司。甲基丙烯酸十八酯(SMA)，分析纯，天骄化工有限公司。偶氮二异丁腈(AIBN)，分析纯，大茂化学试剂公司。偶氮二异丁基盐酸盐(AIBA)，分析纯，润兴光电材料有限公司。焦性没食子酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、十二烷基硫酸钠(SDS)、氯化钠(NaCl)、氯化镁(MgCl2)以及氯化钙(CaCl2)均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。营养琼脂，生物试剂，路桥技术有限责任公司。

1.2 含辣素结构单体(AMTHBA)的合成

将2 mol焦性没食子酸、1 mol N-羟甲基丙烯酰胺和500 mL无水乙醇加入装有电动搅拌和冷凝回流装置的三口瓶中，在35 ℃的条件下反应。滴加20 mL的浓硫酸为反应催化剂，利用TLC(展开剂∶V乙酸乙酯/V石油醚=3∶1)来跟踪反应进程，72 h后结束。减压抽滤得到辣素衍生结构单体的粗产物。用无水乙醇对粗产物重结晶，得到辣素功能单体(AMTHBA)，计算得到产率为84.7 %。

1.3 含辣素功能结构疏水缔合聚合物的合成

本实验采用自由基胶束共聚法[13-14]，将一定量的AM、AMPS溶解在蒸馏水中，混合加入MAA，以及提前溶解在乙醇中的定量AMTHBA、SMA以及DMC。充分搅拌混合溶液，通过滴加1 mol/L的NaOH将溶液pH调节至7。向溶液中加入SDS，使未溶解的疏水单体溶解于SDS的增溶胶束中。控制单体总固含量为10 %，混合溶剂乙醇和水的质量比为1∶10。将混合溶液加入装有搅拌装置的三口瓶中，恒温反应。通过注射器将偶氮二异丁基脒盐酸盐(AINA)注入三口瓶，70 ℃条件下反应5 h后结束。向产物中加入无水乙醇，充分搅拌至析出沉淀，反复浸泡并洗涤沉淀物，烘干即得到聚合物PASDMH。利用相同的反应工艺制备一系列不同辣素含量以及不含DMC单体的疏水缔合聚合物，并测试它们的化学性能。图1为聚合物的结构式。疏水缔合聚合物的单体组成比例详见表1。

表1 不同聚合物的各单体参数Table 1 Reaction parameters of different copolymers

2.1 聚合物的结构表征

2.1.1 红外光谱表征 将聚合物样品粉末与KBr固体混合并研磨均匀后压片。通过红外光谱仪测定聚合物在400～4 000 cm-1波长范围内的吸收峰，以获得聚合物的红外光谱。

2.1.2 热重分析 采用STA409型热重分析仪进行聚合物样品的热失重测试。在升温过程中使用氮气氛做为保护气氛，升温速率10 ℃/min，测试温度范围为40～800 ℃。

2.1.3 扫描电子显微镜(SEM)观察 将聚合物样品固定在样品台上，并在喷金处理30 s后，通过Hitachi-530型扫描电子显微镜观察微观结构。

2.2 聚合物性能测试

2.2.1 单体转化率的测定 精确称量反应合成的聚合物样品。按照公式α=(W1/W2)×100%计算各条件下的单体转化率。其中W1为所得聚合物的质量，W2为起始单体总质量。

2.2.2 表观粘度的测定 将聚合物样品溶解在去离子水中以配制所需浓度的溶液，并使用旋转粘度计测定表观黏度。除特殊说明外，所有样品均在pH为7，温度25 ℃，S04转子，转速100 r/min条件下测定[15-17]。

图1 聚合物的结构(a)PASDM，(b)PASMH，(c)PASDMHFig.1 Schematic representation of the structure of (a)PASDM,(b)PASMH and (c)PASDMH

2.2.3 抑菌性能研究 该实验的抑菌性能指示菌种选择类别不同的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。通过稀释涂布平板法计算菌落数并表征聚合物的抑菌性能。

将在低温环境中保存的菌种于37 ℃恒温振荡培养箱中活化24 h后，用接种环刮取适量所需菌种，接种至液体培养基，密封后放在37 ℃振荡培养箱中培养3 h，稀释液体培养基至吸光度为0.6 L·g-1·cm-1即可。取300 μL菌液加入新配制的液体培养基。称取聚合物样品，分别加入含两种不同菌种的液体培养基中，聚合物浓度为0.1 g/dL。在恒温振荡培养箱中培养20 h，同时做不含聚合物样品的空白对照实验。取300 μL含聚合物样品的菌悬液用生理盐水依次10倍稀释，得到一系列浓度梯度的菌悬液，取10-5浓度的菌悬液备用。将200 μL菌悬液移入有冷却固体培养基的培养皿中。通过稀释涂布平板法将菌液涂布至整个培养皿中，确保加入的菌液被固体培养基完全吸收。在37 ℃下培养20 h，每个样品重复实验3次。抑菌率(R)根据公式R(%)=(1-B/C)×100%。式中B为受试聚合物的菌落数；C为空白菌落数。

2.2.4 耐温性能测试 将聚合物试样溶解，得到所需浓度的聚合物溶液，在不同温度水浴锅中充分恒温后测量该温度条件下溶液的表观粘度。

2.2.5 耐盐性能测试 将NaCl、MgCl2和CaCl2固体分别配制成所需的不同浓度的溶液，然后向盐溶液中添加待测聚合物，并控制为所需浓度。当盐溶液中的待测物质充分溶解后，用旋转粘度计在25℃条件下测定粘度。

3 结果与讨论

研究表明，通过自由基共聚制备的疏水缔合聚合物的缔合性能受很多因素的影响。控制其他变量不变，只改变引发剂的用量可以调控聚合物相对分子量；改变疏水单体与表面活性剂的摩尔比可以调控疏水链段的长度[18-20]。

3.1 PASDMH 疏水缔合聚合物结构表征

3.1.1 红外光谱图分析 聚合物PASDMH的红外吸收谱图如图2所示：-NH的伸缩振动峰出现在3 442 cm-1；-CH3、-CH2、-CH的伸缩振动峰分别出现在3 205，2 855，2 912 cm-1；酰胺基团中的-C=O伸缩振动峰出现在1 695 cm-1；C=C的伸缩振动峰出现在1 540 cm-1；羧基中的C=O伸缩振动峰出现在1 450 cm-1；酰胺基团中的C-N伸缩振动峰出现在1 413 cm-1；酚羟基的面内弯曲振动峰出现在1 320 cm-1；羧基中的C-O伸缩振动峰出现在1 209 cm-1；=C-H的面内弯曲振动峰出现在1 090 cm-1；烯烃单取代-CH=CH2的吸收峰出现在842 cm-1。因此，红外光谱结果表明在聚合物中具有单体AM、MAA、SMA、AMPS、AMTHBA以及DMC的特征吸收峰存在，表明这些单体已在聚合物分子链上成功聚合。

3.1.2 表面形貌的观察分析 聚合物样品的微观形貌观测图像如图3所示。PASDM(a)的表面是简单的不规则块状固体堆积，其表面凹凸不平，通往内部的孔隙结构较少。PASMH(b)的整体结构较为疏松，存在较为完整且相互连接的多层空间网络结构。这一现象可能是导致聚合物水溶液表观粘度较大的原因之一，但孔的大小以及分布都不均匀[21-23]。PASDMH(c)的表面孔状结构更复杂密集，同时也是各层网状结构叠加，增加了聚合物的比表面积和可渗透性。所以聚合物分子链结构中虽然含有一定量的疏水单元，也能够较快的溶解在去离子水中。

图2 聚合物PASDMH的红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum of copolymer PASDMH

((a)PASDM,(b)PASMH,(c)PASDMH))图3 聚合物的表观形貌扫描电镜Fig.3 Scanning electron micrograph of the apparent mogorpholy of the copolymers

3.2 疏水缔合聚合物的性能测试分析

3.2.1 聚合物的疏水缔合特性分析 由图4可以得出聚合物溶液的表观粘度与浓度的变化关系。整体来看，PASDM的表观粘度随浓度的增加缓慢增长。其他几种聚合物的表观粘度在增长的过程中都出现突然增大的情况，这是溶液中疏水链段的缔合作用引起的增粘现象。聚合物溶液浓度小于临界缔合浓度C*时，溶液中的分子链较少，分子链碰撞几率较低，此时分子内缔合占优势地位，流体力学体积相应减少，溶液表观粘度降低。当聚合物溶液的浓度高于C*时，如PASDMH溶液中的分子链可形成动态物理交联网络结构。溶液的流体力学体积大大增加，表现为粘度显著增加。聚合物PASDMH-3的表观粘度整体上大于聚合物PASMH，因为聚合物PASDMH-3中引入了长链单体DMC，使聚合物PASDMH-3具有长侧链，疏水性能更强[24-25]。从图中可以看出，PASDMH-1、PASDMH-2、PASDMH-3和PASMH的临界缔合浓度分别为0.76、0.81、0.46和0.68 g/dL。此外，聚合物PASDMH-3的表观粘度整体上都较高，临界缔合浓度偏低，表明聚合物PASDMH-3的疏水缔合特性和增粘特性更好。

图4 聚合物溶液的表观粘度与浓度的关系曲线Fig.4 Relationship between apparent viscosity and concentration of copolymer solutions

3.2.2 聚合物的耐盐特性分析 图5所展示的曲线分别代表了在三种无机盐浓度递增的溶液中，不同疏水缔合聚合物溶液表观粘度的变化趋势。观察图5(a)发现，随着NaCl浓度增加，PASDMH-3溶液的表观粘度先略微增加。因为添加无机盐电解质时，溶液的极性会变大，PASDMH-3分子链中的疏水基团会相互缔合收缩并尽量减少与水分子的接触体积，从而来应对溶液极性的变化。缔合作用使分子链间的物理交联点增加，表观粘度大幅度提高。NaCl的浓度继续增加会使聚合物溶液的表观粘度回落，因为电解质浓度增加使溶液中静电屏蔽作用增大，分子链蜷曲缠结促成聚合物溶液表观粘度降低。此外，PASDM溶液的表观粘度随NaCl浓度的增加急剧下降，然后趋于平缓，没有出现盐增稠现象，与PASDMH系列聚合物的变化趋势明显不同。由于分子内缔合在PASDM溶液中占主导地位[26-27]，因此流体力学体积减小，表观粘度降低。

图5 无机盐浓度对聚合物水溶液表观粘度的影响Fig.5 Effect of inorganic salt concentration on apparent viscosity of copolymer solution

由图5(b)和(c)可知，随MgCl2和CaCl2浓度的增加，溶液的表观粘度急剧下降。这是因为Mg2+和Ca2+具有更高的电荷数，对聚合物溶液聚电解质的屏蔽作用更强，使表观粘度下降剧烈。表明离子强度越大，对聚合物溶液的表观粘度的负面作用越大。研究表明[28]，MgCl2和CaCl2在缔合的水溶液中对缔合结构有破坏作用，并且Ca2+对缔合结构的破坏作用大于Mg2+。因此聚合物对MgCl2的耐受程度略高于CaCl2。

3.2.3 聚合物的耐温特性分析 由图6可知，随温度的升高，聚合物水溶液的表观粘度先上升，然后逐渐降低趋于平缓。在20～30 ℃的温度范围内，由于熵驱的原因，溶液的表观粘度会表现出上升的趋势[29]。随着温度继续升高，聚合物分子链的热运动逐渐变得强烈，这一因素削弱了疏水缔合作用并降低了表观粘度。从图中可知，当温度上升到90 ℃时，PASDMH-3的表观粘度依旧远高于其他几种聚合物，此时溶液的粘度保留率为44.6%，显示出了良好的耐温性。而PASDM溶液的表观粘度随温度的升高呈现出逐渐降低的趋势，因为PASDM分子结构中的疏水链段较少，缔合作用及物理交联点不足以抵抗高温的作用，分子链剧烈运动，分子链间的缠绕，团聚以及氢键的作用减弱，使得聚合物表现出较低的表观粘度。根据疏水缔合聚合物中的瞬间网络理论可知，处于较高温度下的溶液会同时发生缔合与解缔合两种完全相反的作用，这种缔合作用的生存期就决定了溶液的粘度。

图6 温度对聚合物溶液表观粘度的影响Fig.6 Effect of temperature on the apparent viscosity of copolymer solutions

图7 聚合物ln(η)-1/T曲线Fig.7 Plots of ln(η)-1/T for copolymers

根据聚合物水溶液在不同温度条件下的表观粘度，运用Arrhenius方程可计算得到聚合物的黏流活化能Ea[30]，也可用于衡量聚合物的耐温性。图7显示了聚合物的ln(η)-1/T曲线，根据拟合方程，可计算聚合物的黏流活化能。PASDM为16.28 kJ/mol，PASDMH-1为14.05 kJ/mol，PASDMH-2为14.13 kJ/mol，PASDMH-3为14.134 kJ/mol，PASMH为11.64 kJ/mol。根据活化能与稳定性的关系可知，聚合物的黏流活化能越低，其耐温性能越好，即依据黏流活化能可知，聚合物PASDMH-3和PASMH均具有较好的耐温性能。综合图6和图7，PASDMH-3的耐温性能最好。

选取三种聚合物做热失重测试，测试曲线如图8。PASDMH-3在193 ℃之前，重量损失率约为14.76%。因为聚合物样品中含有大量的亲水基和未完全挥发的溶剂，样品在高温条件下因溶剂挥发而失重。当温度在193～306 ℃区间时，PASDMH-3的侧链开始分解断裂，尤为重要的是酰胺基的亚胺反应与酰胺基团的热分解，此范围内的热失重率约为12.17%。聚合物分子链中引入刚性结构如苯环等，能够有效缓解这一阶段的热失重。在306～493 ℃温度范围内，PASDMH-3样品的主链发生热降解，样品损失很多。此范围内的失重率约为37.98%。当温度超过493 ℃以后，聚合物样品基本分解完全。

图8 聚合物热失重曲线Fig.8 Thermal weight loss curve of the copolymer

从曲线可以看出，相同温度下PASDM的失重率明显高于PASDMH-3，PASMH的失重率虽然在一定区间内低于PASDMH-3，但整体的耐温性能还是PASDMH-3较好[31-32]。因为辣素功能结构单体中的苯环结构使聚合物分子链上的空间位阻增加，聚合物分子链的热运动更加困难。此外，苯环的刚性结构限制了分子链中的键旋转。这些因素在一定程度上均抑制了分子链的断裂，进而使聚合物样品的耐温性能得以提升，这种热行为正是我们所期望的。

3.2.4 聚合物的抑菌特性分析 以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为指示菌，通过稀释涂布平板法测试三类疏水缔合聚合物样品进行的抑菌性能。试样浓度为0.1 g/dL，测试结果如图9所示。

由图9(a)～(d)可以看出，聚合物PASDM对大肠杆菌的抑制性能很差，计算可知聚合物PASDM的抑菌率为25.5 %。PASMH和PASDMH-3的菌落数目明显低于空白对照。通过计算可知聚合物PASMH和PASDMH-3的抑菌率分别为66.5 %和73.1 %。金黄色葡萄球菌为指示菌的抑菌性能结果如图9(e)～(h)。聚合物PASDM、PASMH和PASDMH-3对金黄色葡萄球菌的抑制率分别为32.1 %、73.7 %和80.6 %。表明分子链中含有辣素结构功能单体的聚合物PASDMH-3具有良好的抑菌效果。

抑菌率的数据说明，含有辣素功能单体的PASMH和PASDMH-3具有相对更好的抑菌性能。因为细菌能够被AMTHBA的结构麻痹并干扰神经传递，这会影响到细菌的正常生理代谢活动并起到抑菌作用。同时，聚合物PASDMH-3的抑菌性能要比PASMH稍好。因为PASDMH分子链中引入了DMC的长链结构，能够更好的抑制细菌的增长。

((a)-空白；(b)-PASDM；(c)-PASMH；(d)-PASDMH-3；聚合物样品对金黄色葡萄球菌的抑菌效果图(e)-空白；(f)-PASDM；(g)-PASMH；(h)-PASDMH-3。(a)-Blank;(b)-PASDM;(c)-PASMH;(d)-PASDMH-3.Antibacterial effect of different copolymers against S.aureus (e)-Blank;(f)-PASDM;(g)-PASMH;(h)-PASDMH-3.)
图9 不同聚合物样品对大肠杆菌的抑菌效果图
Fig.9 Antibacterial effect of different copolymers against E.coli

PASDMH-3对金黄色葡萄球菌的抑制率高于大肠杆菌。金黄色葡萄球菌是革兰氏阳性菌，细胞结构相对简单，外来分子很容易进入细胞膜内并引起细菌失活[33]。大肠杆菌的细胞结构较为复杂，除了有肽聚糖外层以外，还有一层类脂多糖结构。类脂多糖结构成为异物分子的另一重屏障，尤其是大分子聚合物的长链结构。因此，这也是聚合物样品相对于大肠杆菌能更好的抑制金黄色葡萄球菌的原因[34]。

4 结语

本实验制备了具有辣素衍生结构的单体N-(2，3，4-三羟基-5-丙烯酰胺甲基苄基)丙烯酰胺(AMTHBA)。设计合成了以AMTHBA为疏水单体的疏水缔合聚合物PASDMH。辣素衍生结构单体的引入以及聚合物微观的三维网状结构赋予聚合物PASDMH良好的性能。聚合物PASDMH溶液在Na+，Mg2+，Ca2+浓度为0.6 g/dL时，粘度保留率分别为41.7%，23.8%和20.4%。在90 ℃时，疏水聚合缔合物的粘度保留率可达44.6%；在聚合物浓度为0.1 g/dL时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别为73.1%和80.6 %。这些性能在石油开采领域无疑是很有意义的。