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马来酸酐聚合物的合成及其应用的研究进展

2025-02-14马春晓何爱珍姚光源潘杰陈建新

应用化学 2025年1期
关键词:聚合物应用

摘要 马来酸酐作为一种不饱和二元酸酐,在特定条件下能发生聚合反应,生成多种聚合物。 本文对马来酸酐均聚物及共聚物的合成研究进展进行了较为详细的介绍,综述了其聚合物在水处理、环保、纺织和树脂合成等领域的应用研究,最后对马来酸酐聚合物在研究和应用过程中存在的问题进行了剖析,并对它的发展趋势进行了展望,为相关研究和应用提供参考。

关键词 马来酸酐;聚合物;合成方法;应用

中图分类号:O632 文献标识码:A 文章编号:1000-0518(2025)01-0014-15

国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目(No. U20A20140)资助

马来酸酐(MA)又称顺丁烯二酸酐或失水苹果酸酐,随着全球工业化和城市化进程的加快以及对环保型材料需求的增加,MA的市场容量仍然在不断增加,是世界上用量第3的酸酐原料。 MA作为一种电子受体单体,得益于MA的酸酐结构及碳碳双键,使其具有很高的反应活性[1],能发生酯化、加氢、加成和聚合等多种反应,其中聚合反应尤为突出,在适宜条件下MA不仅能够与自身发生聚合反应,还能与其他含有活性官能团的单体进行共聚,形成具有新型结构和性能的聚合物,这些聚合物在众多领域得到了广泛应用(图1)。 因此,对MA聚合物的研究与应用,不仅是对化学领域学术的深入探索,还通过技术创新,为材料科学、工程技术和更广泛的工业应用领域注入了新的活力与可能。

本文首先详细介绍了MA聚合物的合成研究进展,随后,综述了其在多个领域中的典型应用案例,展现出MA聚合物的广泛用途。 最后,本文针对当前研究和应用中存在的问题进行了深入探讨,并对未来的发展方向提出了建设性意见,为MA聚合物领域的进一步研究和开发应用提供有益参考。

1 MA聚合物的合成

1. 1 MA均聚物的合成

MA均聚物,即聚马来酸酐(PMA),其水解产品为水解聚马来酸酐(HPMA); 又称聚马来酸,聚顺丁烯二酸等,有时简称聚马。 实际生产中PMA的水解不完全,通常为60%~70%水解度的产品,这导致其聚合物分子结构中会保留部分酸酐结构[2](图2)。

早期普遍认为MA难以发生均聚反应,认为是MA双键的1,2-二取代所施加的空间位阻,MA的共振和极性特性也被认为是空间上固有的非均聚特性的原因[3]。 但是后来研究者发现MA的均聚反应在一定条件下是可以发生的,比如合适的溶剂体系、引发剂体系和温度等,并且均聚物的收率及产物受溶剂种类、引发剂种类及温度等因素的影响[4],例如,当MA在较高温度的非极性溶剂邻二甲苯中聚合时会获得更高的收率,而在极性溶剂中,如N,N-二甲基甲酰胺,通过引发剂和催化剂的引入也可以得到均聚物,只是产品难以纯化。按照溶剂的不同,以下对HPMA的合成方法按照溶剂法和水相法进行详细介绍。

1. 1. 1 溶剂法

溶剂法是指MA在有机溶剂(如甲苯、二甲苯)中,在引发剂(如过氧化苯甲酰(BPO)、偶氮二异丁氰)的作用下聚合生成HPMA的方法[5-9]。 其反应过程如图3所示,该方法可避免水解的发生,减少副反应,可得到比水相法相对分子质量更高的均聚产品,故早期的产品生产基本以溶剂法为主。 但其聚合物产品的端基结构可能引入引发剂有关的基团,如Regel等[10]通过BPO法合成的聚合物端基为苯基,而水相法得到的端基一般为羟基。 不同端基对产品性能影响如何,目前还缺少相关文献报道。

1. 1. 2 水相法

鉴于溶剂法的缺点和环保要求的日益提高,水相法成为目前合成HPMA的主要工艺。 该法是指MA在水体系中,以过氧化氢(H2O2)等为引发剂,在催化剂作用下聚合生成HPMA。 目前,在水相法中,大部分MA会先水解为马来酸,然后和MA聚合,因此,从该角度出发,水相法制备HPMA的反应是一个共聚而非均聚的过程。 水相法使用的催化剂有次磷酸盐和金属化合物。

1.1.2.1 以次磷酸盐为催化剂

次磷酸盐可与引发剂形成氧化还原体系,使得反应转化率及产品性能提高。 Abachir-Bey等[11]以中和的马来酸为单体,一水次磷酸为催化剂,过硫酸钾为引发剂,控制反应温度为90 ℃,转化率高达98%。 Chen等[12]以次亚磷酸钠为催化剂,过硫酸钠为引发剂,70 ℃下合成了PMA(用于处理平常织物有较好的抗皱性)。 任春莲等[13]以马来酸为单体,次亚磷酸钠为催化剂,过硫酸钾和30% H2O2为引发剂,100 ℃下合成了PMA,溴值降低。 金胜男[14]以MA为单体,次亚磷酸钠为催化剂,过硫酸钠为引发剂,70~80 ℃合成了低聚态PMA,可提高真丝织物的湿回弹性。但是次磷酸盐作为催化剂,会使产品中含有磷,对于无磷应用场景将会受到限制。

1.1.2.2 以金属化合物为催化剂

过渡金属离子有多个未充满的d轨道,易于失去或捕获电子或电子对,有多种价态,利于化学反应的进行,以过渡金属化合物为催化剂是目前HPMA最主要的合成方法,近年的相关方法汇总见表1[15-23]。水相法作为HPMA合成的常规工艺已被广泛采用,其核心是H2O2在催化剂作用下会诱导生成羟基自由基[21-24],这些自由基成为促进MA双键聚合的关键,从而实现了HPMA的高效合成。

1. 1. 3 其他

除以上2种方法外,还有其他多种HPMA的合成方法。 王冶维等[25]不用任何引发剂,采用连续CO2激光,在适当的温度和合理的照射条件下,诱导MA聚合,得到了数均相对分子质量(Mn)>900的HPMA。 路建美等[26]不使用引发剂,采用微波辐射,通过控制辐射功率及辐射时间合成了HPMA,结果表明微波可使分子高速振荡进而减少反应时间。 Al-roomi等[27]采用无溶剂微波法合成低相对分子质量MA的均聚物,转化率为80%。 张广清[28]采用等离子体引发MA,在放电功率为80 W,放电时间为1 min,60 ℃反应3 h聚合生成HPMA,转化率为32%。

1. 2 MA共聚物的合成

MA共聚物是MA与其他单体的共聚产品,不同结构的MA共聚物具有不同的性能可以满足不同领域的需求,这也是MA目前最主要的应用。 MA共聚物种类繁多,仅不饱和聚酯树脂就有数百种[29-33],根据共聚单体类型可分为MA-烯烃共聚物、MA-不饱和酯共聚物、MA-酰胺共聚物和MA-其他单体共聚物4类。

1. 2. 1 MA-烯烃共聚物

MA与烯烃类物质的共聚反应是高分子化学中的重要研究领域,按照烯烃的结构可分为MA-苯乙烯共聚物、MA-共轭二烯烃共聚物和MA-其他烯烃共聚物。

MA和苯乙烯的共聚研究最多,生成的聚合物因出色的分子极性使其在市场上备受青睐。 Qiu等[34]以苯乙烯(St)和MA为单体,偶氮二异丁腈为引发剂,在50~80 ℃的超临界CO2中进行自由基聚合,合成了质均相对分子质量(Mw)大于1×106,是具有严格交替结构的St-MA共聚物,其中使用超临界CO2当作溶剂可以通过改变压力来控制单体及共聚物的溶解度,有利于St和MA形成电荷转移络合物。 Li等[35]以St和MA为单体,在50 ℃下于甲苯溶液中聚合,采用不同的Lewis酸研究了MA和St的自发交替共聚反应,当使用烷基铝反应时转化率高,表明烷基铝在反应中是真实的活化剂,合成共聚物的质均相对分子质量超过1×106,且有相对窄的相对分子质量分布。 Luo等[36]以St和MA为单体,抗坏血酸(Asc)为引发剂,在25 ℃反应12 h生成St-MA共聚物,转化率为70. 4%,合成的共聚物具有较低的相对分子质量和严格的交替结构,可作为表面活性剂、胶粘剂或施胶剂应用于造纸工业。 Rai等[37]利用自由基聚合法在80 ℃下加热10 min生成SMA共聚物,将其水解得到一种含钠离子的高分子材料(图4A),加入1,8-二氮杂双环[5. 4. 0]十一碳-7烯(DBU)后发现,随着温度的升高,离子迁移率和离子漂移速度均呈上升趋势,这些发现揭示了该聚合物优异的化学形态和电化学性能,在钠离子储能装置有良好的应用前景。

以丁二烯和异戊二烯为代表的共轭二烯烃是工业中最基本、最丰富的化合物之一,其与MA的共聚会发生不可预测的交联反应,从而导致产物产率低。 Qi等[38]以丁二烯和MA为单体,在甲苯与丙酮的混合溶剂中制备了丁二烯-MA共聚物,证明了共聚物浓度和乙烯基的官能度是影响交联的主要因素,并首次提出了丁二烯-MA共聚的交联机理,自此,20世纪70年代以来,共轭二烯烃-MA共聚中交联机理终于被阐明。 房江华等[39]以异戊二烯(IP)和MA为单体,Fe(acac)3-Al(i-Bu)3为催化剂,在甲苯/二氧六环的混合溶剂中,在20 ℃下反应2 h,实现了MA、IP单体的高效共聚,产率为78. 5%。 孙应发[40]通过研究不同反应条件对MA和IP共聚物微球的粒径及其分布的影响,获得了粒径分布较窄且能稳定存在的分散体系,所得的共聚物微球为交联结构,利用这些微球,进一步制备了具有核-壳结构的微球和空心微球。 以上2种是目前IP-MA共聚的主要研究,其中交替共聚物具有良好的溶解性、热稳定性等,在材料科学领域具有潜在的应用价值,而共聚物微球具有特定的粒径和粒径分布,可以作为分散剂、吸附剂等功能材料使用。

Shu等[41]以氯乙烯(VCM)和MA为单体,双(4-叔丁基环己基)过氧化二异丙苯(TBCP)为引发剂,在乙酸异戊酯/正己烷二元混合溶剂中,制备了分散性良好的微球,可作为一种有前途的功能材料。 祁天等[42]以α-C14烯烃和MA为单体,BPO为引发剂,在100 ℃下反应4. 5 h合成α-C14烯烃-MA共聚物,再与季戊四醇酯化获得了高性能的润滑油,该润滑油比传统的酯类润滑油对设备的腐蚀性低。 张杏梅等[43]以硫化环丙烯和MA为单体,以席夫碱锌金属配合物/四丁基碘铵为催化剂,在70 ℃下反应300 min,生成聚硫代碳酸酯,转化率可达72%,该物质可用于含重金属废水的处理。

1. 2. 2 MA-不饱和酯共聚

MA与不饱和酯类共聚的研究也很活跃,如Yilmaz等[44]以丙烯酸丁酯和MA为单体,BPO为引发剂,甲基乙基酮为溶剂,在70 ℃下合成了丙烯酸丁酯-MA共聚物。 陈星任等[45]以丙烯酸羟乙酯和MA为单体,过硫酸铵为引发剂,在水溶液中合成了不同摩尔比的共聚物。 这些共聚物具有良好的水溶、分散性能。 Miao等[46]以丙烯酸正丁酯(BA)和MA为单体,BPO为引发剂,二甲苯为溶剂,通过自由基溶液聚合法制备了BA-co-MA,并将其用于热塑性酚醛树脂(PF)的改性,结果表明BA-co-MA微球呈微球状分布于PF基体中,二者通过酯化反应紧密结合(图4B),改性后PF韧性和强度均显著提高。 Shohraty等[47]以甲基丙烯酸缩水甘油酯和MA为单体,BPO为引发剂,四氢呋喃为溶剂,在80 ℃下反应24 h生成PGMA-co-MA,用2种不同的氨基化合物对其改性,结果表明2种水凝胶均具有良好的载药和释药性能。 综上所述,MA通过与不同酯类单体共聚,不仅能够调控产物的性质,如水溶性和分散性,还能提升材料的性能,此外,在医药领域也能做出贡献。 这些研究成果不仅丰富了高分子材料科学的理论基础,也为实际应用领域提供了重要的材料来源和技术支持。

1. 2. 3 MA-酰胺共聚物

不饱和酰胺作为一类活性单体,能与MA发生共聚,其产物可在水处理剂、纺织助剂和药物递送系统等多个方面得到应用。 Karchoubi等[48]以丙烯酰胺(AAm)和MA为单体,以2,2′-偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂,在65 ℃下反应6 h合成了聚(MAn-co-AAm),该聚合物在低浓度下对CaSO4有较强的抑制性,并且对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有抗菌活性,证实了防垢剂既能抑制垢也能抗菌。 Wang等[49]以AAm和MA为单体,过硫酸钾为引发剂,在75 ℃下搅拌1 h合成了AAm-MA共聚物,将其用于棉织物时有良好的洗涤稳定性,且对织物能显示出较优的抗皱性与透气性。 Al-Roomi等[27]采用无溶剂微波法合成正辛基丙烯酰胺-MA共聚物,当相对分子质量为5000时,转化率为82%。 Namazi等[50]在二氧化硅官能化的发射碳点(CD)表面将MA和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)共聚,合成CD-聚NIPAM-coMAH,将其用D-甘露糖官能化,所得产物在体外细胞实验中具有良好的药物控释性能和生物相容性,该物质对多柔比星(DOX)和姜黄素(CUR)的负载率高,可以作为一种靶向和无毒的系统,用于治疗人类乳腺癌的治疗。张行荣等[51]以AAm和MA为单体,以偶氮二异丁腈为引发剂,四氢呋喃为溶剂,在70 ℃反应4 h生成AAM-MA共聚物,解决了溶剂法合成AAM-MA共聚物时聚合物中MA含量少、利用率低以及聚合物收率低的难题,可作为高吸水性树脂。

1. 2. 4 MA-其他单体共聚物

MA还可以与其他不同种类的活性单体共聚得到具有特殊性能的产品。 杨科芳等[52]以茴香脑(ANE)和MA为单体,苯为溶剂,Fe(acac)3-Al(i-Bu)3为催化剂,在80 ℃下反应6 h,合成了MA-ANE高交替度的聚合物,该共聚物分解温度达到501 ℃,热稳定性好,这是首次将铁系催化剂用于MA与反式ANE聚合,提高了聚合速度。 Raza等[53]在颗粒模板剂存在下将ANE和MA共聚形成核/壳颗粒,通过脱核和水解制备了生物基水解空心粒子(BHHPs)(图4C),将其与氨基改性的Fe3O4纳米粒子接枝有效的将“绿色吸附剂”和“磁性颗粒”这2个概念结合起来,可高效去除废水中金属离子和可溶性染料。 马慧婷等[54]以AA和MA为单体,安息香异丙醚为光引发剂,亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,采用条件温和的紫外光辐射法制备了AA-MA共聚物,经检测其吸纯水倍率为1112. 5 g/g,吸盐水倍率为100. 8 g/g,是一种具有优异的保水性能的树脂。 MA共聚物还有很多,随着科技的进步和市场需求的不断变化,其种类和应用领域还将不断拓展。

2 MA聚合物的应用

2. 1 在水处理领域方面的应用

随着工业的快速发展,水资源短缺和污染问题日益严重,解决以上问题的水处理技术成为当今社会的关键技术之一。 水处理技术一般包括化学法、物理法、生化法和综合技术法。 化学法作为水处理技术中最广泛使用的方法,其采用的水处理化学品性能直接影响到水处理的效果和经济性。 因此,开发新型高效、环保的水处理化学品成为水处理领域的研究热点。 MA聚合物作为一种高效和低成本的聚合物在水处理领域的应用中展现出了独特的优势和潜力。

Li等[55]研究了HPMA等对Fe3O4和Fe2O3表面吸附的抑制作用,表明阻垢效果与阻垢剂分子同Fe3O4和Fe2O3的表面吸附能成反比。 HPMA同几种有机膦化合物复配,并进行阻垢实验,阻垢性能优异且药剂相互间有很好的协同作用[56-57]。 Htet等[58]在改性后的聚环氧琥珀酸(CNS-PESA)中添加HPMA等制备新型无磷复合缓蚀阻垢剂(FS),比其他常见药剂阻垢性能更好(图5A),阻垢率可达98. 9%。 Al-Roomi等[27]和Cui等[59]分别测试了合成的低相对分子质量MA均聚物和MA-正辛基丙烯酰胺共聚物、三元共聚物MA-AA-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的阻垢能力,分别展示了加入药剂后CaCO3垢的形态变化,由表面光滑的多面体变为不规则团块(图5B)。 以上说明通过复配、改性及共聚均可以提高产物的阻垢性能。

另外,MA聚合物作为一种有效的水处理缓蚀剂也得到广泛的用途。 Jin等[60]采用混合设计法设计了一种环保型缓蚀剂,对其在中试冷却水系统中的应用进行评价,结果表明其对碳酸盐垢的缓蚀率达94. 4%。 马瑞廷等[61]研究了HPMA的缓蚀性能,当药剂质量浓度为5 mg/L时,缓蚀率为69. 3%。 Htet等[58]制备的缓蚀阻垢剂(FS)缓蚀率达到了99. 2%,比其他常见药剂缓蚀性能更好(图5C)。 以上证明了MA聚合物兼有阻垢及缓蚀2种性能。

2. 2 在环境保护领域方面的应用

MA聚合物由于分子结构中大量羧基的存在,对金属离子具有一定的螯合能力,利用这个特点,可将其用于土壤修复和水中有害物质的去除。

Mansouri等[62]评价了MA-St-AA共聚物对土壤中有毒元素砷的移动性效果,当施用该共聚物后,土壤中有效砷浓度降低,说明其在土壤中可以固定有毒元素砷。 Cao等[63]发现了HPMA作为生物降解助剂与植物洗涤剂组合使用可以避免单独使用植物清洗剂对土壤中重金属去除的局限性,通过实验证明了添加HPMA可以显著提高植物药剂对土壤中Cd、Pb和Zn等离子的去除效率。

董佳伟等[64]用制备的PMA吸附水中对环境及人体有害的抗生素环丙沙星(CPX),证明pH值为4~5有利于对CPX的吸附,这为水中微污染物的去除提供了方法。 Ibrahim等[65]探索了MA接枝共聚物的制备条件等因素对水中重金属吸附能力的影响,结果表明接枝聚合物可用来除去水中的Cu2+和Ni2+,pH值分别控制在6~8之间,对其去除效果最佳。 Yilmaz等[41]合成了MA-丙烯酸丁酯共聚物并对其改性,研究了改性后的共聚物对Cd2+的吸附性能,表明改性共聚物对Cd2+有较好的吸附效果。 Dinari等[66]将合成的三元共聚物,N-2-甲基-4-硝基苯基马来酰亚胺-MA-甲基丙烯酸甲酯用于吸附水溶液中的二价镉,与粉末型吸附剂相比,该三元聚合物中存在化学活性官能团,能以较低的成本和吸附后的能量可从水中分离,具有从水介质中吸附去除二价镉离子的良好潜力。

2. 3 在纺织领域方面的应用

MA聚合物在棉织物防皱整理及纺织品的染色方面展现出显著的优势,如表2所示[67-69]。 传统的防皱整理剂往往含有甲醛,对人体健康和环境造成威胁。 而MA聚合物作为一种无甲醛防皱整理剂,不仅能够改善棉织物的抗皱性能,还具备优异的环保性能,经其染色后的纺织品经过多次洗涤和摩擦后,其颜色和光泽度仍能保持相对稳定。 符合现代纺织品生产的绿色发展理念。

Udomkichdecha等[67]合成的AA-MA共聚物性能优异,可与市售的甲基二羟基乙烯(DMDHEU)提供相似的抗皱效果。 Liang等[68]将合成的AA-MA共聚物与1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)、柠檬酸和马来酸相比,聚合物对棉织物的抗皱整理效果最佳,经处理后棉织物的折皱回复角、撕裂强度和白度均表现出较好的结果。 Peng等[69]评估了马来酸与次亚磷酸钠组合作为棉花交联体系的有效性,比较了产物与DMDHEU对棉织物免烫整理剂的性能,表明了棉织物与马来酸的组合可使棉织物的强力损失减少,且无甲醛、无气味,有望得到重用。 这为棉织物抗皱整理提供了一种新的选择。

Xu等[9]以3-甲基-1-(4-磺酰基苯基)-4-(4-氨基苯基偶氮)-2-吡唑啉-5-酮与PMA聚合成一种多元羧酸染料,用它对棉类进行染色,判断其染色性能,表明合成的新型染料有较高的固色率且染色后牢度好。Deng等[70]为了解决传统活性染料固色率低的问题,以聚马来酸和1-氨基-8-萘酚-3,6-二磺酸(H酸)为原料,合成一种红色的聚马来酸染料,其在棉织物上的固色率可达98%,这可能是因为多羧酸染料含有多个羧基,染色时可能与棉纤维发生键合作用而产生了较高的固色率。

2. 4 在浮选工艺领域中的应用

HPMA作为一种新型环保型浮选药剂,在浮选工艺中具有广泛的应用前景。 Yang等[71]利用HPMA作为白云石的环保型浮选剂来提高磷灰石中白云石的浮选去除率,原理如图6A所示,结果表明HPMA对白云石有很强的抑制作用,可以实现磷灰石的有效回收,有望成为白云石中分离磷灰石的绿色浮选剂。 Wang等[72]利用HPMA作为一种环保的抑制剂来提高磷灰石和方解石的分离效率,研究了HPMA对方解石及磷灰石的不同作用效果,如图6B所示,表明以HPMA为新型抑制剂,可以实现磷灰石和方解石的高效浮选分离。 这项研究工作为未来磷灰石与方解石的分离提供了便利。 Chen等[73]研究了HPMA等3种药剂对方解石浮选性能的影响,结果表明3种药剂均能抑制方解石,且HPMA的抑制能力优于PESA。 HPMA独特的化学结构和性能使其能够实现对矿物浮选行为的精确调控,提高浮选效果和资源利用率。 同时,也符合当前对环保和资源可持续利用的要求。 因此,进一步研究和探索HPMA在浮选工艺中的应用具有重要的理论意义和实践价值。

2. 5 在树脂合成领域的应用

MA在合成树脂工业中也具有重要的地位,是制造树脂的重要原料,这些树脂在涂料、油漆和胶粘剂等领域有着广泛的应用,对于提高产品的性能和品质具有重要作用。 据报道,2021年,中国玻璃钢行业的原料——不饱和聚酯树脂(UPR)产量超过了3. 2×106 t/a,其中对MA需求量超过6. 4×105 t/a[74]。

Ahamad等[75]对合成的不饱和聚酯树脂,测试了MA浓度对树脂抗拉强度、抗拉模量、韧性、断裂伸长率、冲击强度、表面硬度和吸水率的影响,综合考虑,当MA质量分数为60%~70%时大部分性能达到最大值。 Yan等[76]以MA和St为功能单体制备了2种聚丁烯-1(PB)树脂接枝单体,比较了2种PB接枝物(PB-g-MA和PB-g-MA-co-St)对PB/GNP(石墨烯纳米片)导热复合材料界面增容的影响,结果表明,PB-g-MA-co-St的增容效果优于PB-g-MA。 Schwartz等[77]讨论了St与MA共聚物的结构和性能对分子分布、配方修改和工艺参数的敏感性,这些参数会影响最终产物的用途,在最佳条件下,可以得到热成型、刚性和可微波的食品包装容器的透明薄片产品。 Jin等[78]以木糖醇(X)和MA为原料合成了超支化多元醇(HP)和超支化多元酸(HPA),进一步缩聚合成了木糖醇-MA超支化聚酯树脂(XMA),XMA1. 2的热水强度和沸水强度分别为1. 72和1. 75 MPa,均超过国家标准GB/T17657-2013(≥0. 7 MPa)。 这种树脂的开发策略可以丰富其他生物材料的开发,扩大其在工业生产中的潜在价值。 Ma等[79]合成的聚(MA-甲基丙烯酸六氟丁酯-甲基丙烯酸甲酯)共聚物可以与锂电池正极材料中的活性材料发生化学反应,提高了正极材料结构的稳定性,延长循环寿命。

2. 6 在其他方面的应用

MA聚合物还可用于食品行业、农业、日用化工品和油气井等方面。 Zhao等[80]用MA修饰木聚糖酶,提高了酶的催化活性,将其用作果汁澄清剂时,可有效地提高果汁的澄清度。 由甲基乙烯基醚(MVE)和MA在适当条件下反应生成的无水共聚物被认为是一种安全的食品配料用品[81]。

Liu等[82]合成的AA-MA共聚物,具备出色的缓释性能兼强大的保湿功能,成为一种高效的高吸水氮肥。 该聚合物能够显著提升肥料及水资源利用效率,为农业与园艺领域带来了前所未有的应用潜力。赵春会[83]研究了施用不同梯度的PMA对隆子黑青稞栽培生理特性及产量的影响(播前随水灌溉),表明施用PMA能够增加隆子黑青稞的株高、延长生育期、增加产量和加强氨肥利用效率等,进一步促进作物对养分的吸收与利用。 李美茹等[84]探究了PMA对甜瓜品质的影响,表明PMA可提高甜瓜的Vc和总可溶性糖含量。

高春宁等[85]开发了一种油田注水地保护剂,该保护剂由HPMA、膦基丁烷三羧酸以及烷基酚聚氧乙烯醚以一定的配比组成,这一发明对碎屑岩油藏,特别是低渗透性油藏的开发,展现出显著的经济性与有效性,预示着其在提升油田开采效率方面拥有广阔的应用前景。 秦升益等[86]揭示了一种高性能膨胀材料组合物,该组合物巧妙融合了HPMA与天然高分子材料,利用此膨胀材料组合物制备的自悬浮支撑剂在遇水后能迅速达到并维持稳定的悬浮状态,在油气田开采过程中,有效减少因砂粒沉积而造成的堵塞问题,延长输送距离,促进油气产量的显著增加。

Bennett等[87]将MA高温下溶解于超临界CO2中,通过高效液相泵在原位添加丙烯酸-2-乙基己酯(2-EHA)和自由基引发剂,合成的共聚物可被添加到简单的化妆品配方中。 冯浩杰[88]发现脱硫石膏化学改良剂配施PMA可以减轻土壤的返盐程度。 田野等[89]也发现PMA的加入可以降低土壤的含盐量,增强脱硫石膏对土壤的改良效果。 Cao等[90]合成的4-苯乙烯磺酰基锂(苯基磺酰基)酰亚胺锂-MA共聚物是具有交替结构的新型单离子导体,能够在LiFePO4阴极和Li4Ti5O12阳极之间的完整电池中显示出良好的循环稳定性和倍率性能。

3 结论与展望

MA聚合物的相对分子质量及分子结构对产物的应用性能均有着至关重要的影响。 其中,溶剂的种类直接影响其相对分子质量的大小,单体的种类直接影响其结构,进一步影响应用性能。 对于均聚物,有机溶剂法可得到质均相对分子质量(Mw)高的产品,Mw>1000,但存在反应时间长、能耗高、溶剂消耗量大、生产成本高、后期提纯步骤复杂、甲苯等溶剂危险性高、生产环境不友好和三废污染严重等系列问题。 水相法得到的产品Mw比溶剂法要低,Mw为200~600,但水相法以水为溶剂,属于绿色工艺,具有安全、环保、工艺简单和成本低等优点,该法得到的产品可满足多领域的应用。 无溶剂法虽然环保,但由于操作条件苛刻成本较高,目前仅为探索阶段。 在检测HPMA的重均相对分子质量时,不同方法往往存在显著差异,目前还没有比较权威的检测方法; 1997年版的《水处理剂 水解聚马来酸酐》(GB/T 10535)中提出了平均相对分子质量的检测方法,但在最新的2014版中取消了平均相对分子质量的检测方法描述,转而采用运动黏度替代,便是基于以上考虑。 尽管很多HPMA产品相对分子质量可达到900甚至更高,但作者通过凝胶色谱对市场上多种HPMA产品进行实测后发现,绝大多数产品的Mw在300~400,仅有极少数产品的Mw在600左右。 对于共聚物,鉴于MA的高活性,可合成的新产品种类繁多,对于新开发的聚合物应用性能评价,确定其应用领域,将是一大难点。

随着科技的进步和工业的发展,MA聚合物需求仍然在增加,除在树脂、水处理、环境保护、纺织和浮选等传统领域的应用,新能源材料也将是MA聚合物的新应用领域。 在工业化的道路上,仍面临着探究真正的反应机理,优化合成工艺、探索结构与性能关系等诸多挑战: 更加深入地研究和解析HPMA聚合机理,对更优工艺的开发具有重要意义; 目前,高相对分子质量的HPMA仍使用有毒有害、成本高昂的溶剂法,开发能够将其替代的绿色工艺极有必要; 建立准确测定HPMA相对分子质量的方法,能够为产品的精准检测和应用提供指导; 通过共聚、接枝和交联等方法可对MA聚合物进行改性,以改善其加工性能、耐热性和机械强度等,从而提升产品质量,拓展产品用途; 在合成过程中可能产生的副产物和未反应单体对环境及人体健康均有潜在影响,在新产品开发过程中需重点关注。

MA聚合物作为一种多功能的高分子材料,其应用在众多工业和科技领域中展现出独特的价值,成为推动科技进步和工业发展的重要材料之一,其凭借多样化的功能和广泛的应用前景,正在不断拓展其在现代工业和科技发展中的影响力。

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Research Progress in the Synthesis and Application of Maleic Anhydride Polymers

MA Chun-Xiao1, HE Ai-Zhen2, YAO Guang-Yuan2*, PAN Jie1, CHEN Jian-Xin3 1(School of Chemistry and Chemical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)2(CenerTech Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300131, China)3(College of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Abstract As an unsaturated dibasic anhydride, maleic anhydride is capable of polymerization under specific conditions to produce a variety of polymers. In this paper, the research progress on the synthesis of maleic anhydride homopolymers and copolymers is introduced in detail; Its polymers in the field of water treatment,environmental protection, textile, resin synthesis and other applications are reviewed; Finally, the problems existing in the process of maleic anhydride polymers in the research and application of the analysis, and the development trend of the development trend of the outlook for it, to provide references for the relevant research and application.

Keywords Maleic anhydride; Polymerides; Synthetic methods; Application

Received 2024?10?22; Accepted 2024?11?13

Supported by the National Natural Science Foundation of China Joint Fund for Regional Innovation and Development Project(No. U20A20140)

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