壳聚糖-黏土复合微珠的制备及其水吸附/脱附性能与微观结构表征研究

本研究针对传统石油基高吸水性材料(SAPs)存在的环境与健康风险，通过将天然生物聚合物壳聚糖(CTS)与蒙脱石(BN3)、坡缕石(FA)及混合黏土矿物(GR)复合制备环保型水吸附微珠。研究人员系统考察了复合微珠的微观结构特征(采用XRD和SEM分析)及其在25-45℃下的水吸附/脱附动力学性能。结果表明：含坡缕石的FA-CTS微珠展现出最高吸水率(34% w/w)，而含蒙脱石的BN3-CTS微珠具有最优的循环稳定性。该研究为开发可生物降解的高效水管理材料提供了新思路。

　　

在应对全球水资源短缺和环境污染的双重挑战下，开发高效环保的水吸附材料成为研究热点。传统石油基高吸水性聚合物(SAPs)虽具有超强吸水性能(可达2000 g/g)，但其不可降解性、残留单体毒性及高昂成本严重制约可持续发展。与此同时，天然黏土矿物因其独特的层状/纤维结构、丰富的表面活性位点和环境友好特性，在功能材料领域展现出巨大潜力。然而，单纯黏土材料存在机械强度差、吸附选择性低等问题，而现有黏土-聚合物复合材料中黏土添加量通常低于20%，且性能改善有限。如何通过材料设计突破这些限制，成为当前环境功能材料研究的重点难题。

摩洛哥卡迪阿亚德大学(Cadi Ayyad University)物理化学材料与环境实验室的研究团队创新性地将壳聚糖(CTS)与三种典型黏土——蒙脱石(BN3)、混合黏土矿物(GR，含伊利石、叶蜡石和高岭石)及坡缕石(FA)以1:1质量比复合，通过滴注凝胶法制备系列复合微珠，系统研究了其微观结构特征与水吸附/脱附性能。研究成果发表在《Scientific Reports》上，为开发新型生物基水管理材料提供了重要理论依据和技术参考。

研究人员采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)解析微观结构，通过恒温吸附/脱附实验测定动力学参数，并进行了6次循环稳定性测试。关键样本包括经Na⁺饱和处理的纯化黏土原料，以及通过脱乙酰度(DD)达95%的壳聚糖制备的复合微珠。

微观结构表征

XRD分析揭示：BN3-CTS微珠中蒙脱石(001)晶面衍射峰宽化但未位移，证实壳聚糖通过-NH₃⁺与黏土负电位的静电作用包覆颗粒表面而非层间插层。SEM显示其表面呈现"伪火山口"状形貌，EDS检测到黏土富集区(含Na⁺)与壳聚糖富集区的相分离。

GR-CTS微珠在5-10° 2θ范围出现三个宽峰，对应混合黏土矿物的非均匀分散状态。FA-CTS微珠则因坡缕石纤维与带正电壳聚糖的静电排斥作用，形成松散填充结构，SEM观察到明显的纤维脱落现象。

水吸附性能

动力学研究表明：所有微珠在6分钟内达到吸附饱和，符合指数增长模型(m^t=A+kt)。FA-CTS在35℃时展现最高吸水率(34% w/w)，其初始吸附速率常数达16.7×10^-3 s^-1，归因于坡缕石的中空纤维结构。BN3-CTS因蒙脱石片层的柔性变形能力，温度敏感性最低(Δk=3×10^-3 s^-1)。

脱附与循环性能

线性脱附模型显示：BN3-CTS在45℃下脱附速率常数最高(38.6×10^-2 s^-1)，且6次循环后仍保持90%以上水释放率。GR-CTS因黏土矿物堆叠结构的"记忆效应"，出现两段式脱附动力学。值得注意的是，FA-CTS微珠在循环测试中虽保持形状完整，但吸附容量下降约15%，这与纤维-基质界面弱结合有关。

该研究通过多尺度结构调控，成功开发出性能可调的壳聚糖-黏土复合微珠体系。特别是含坡缕石的FA-CTS微珠，其吸水率(34%)显著超过商业水凝胶(通常<10%)，且原料完全来源于天然可降解物质。研究揭示的"黏土类型-界面作用-性能"关系为设计新型环境友好型水管理材料提供了重要指导，在农业节水、卫生用品等领域具有广阔应用前景。值得注意的是，蒙脱石基微珠展现的优异循环稳定性，使其在需要长期使用的场景中更具优势，而坡缕石基材料则更适合单次高吸水量需求的应用。这种性能可设计性进一步增强了该材料体系的实用价值。