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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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天然高分子甲壳素/壳聚糖的溶解性能研究

龚佩  
【摘要】:随着环境污染问题的日益突显,开发可持续发展的新材料是目前科研的重要研究方向。在过去几十年间,天然高分子材料,尤其是甲壳素和纤维素,受到了广泛的关注。这些天然多糖具备可再生、可生物降解和无毒环保等独特的性能优势。作为自然界中年产量仅次于纤维素的天然高分子多糖,甲壳素广泛而普遍的存在于自然界中。由于甲壳素具有较差的溶解性能,难溶于水和绝大多数的有机溶剂,限制了它们的发展和应用,因此,甲壳素可能是当前被开发利用最有限的一类天然材料。本论文的研究目的是对甲壳素及其衍生物壳聚糖在碱水体系中的溶解性能进行系统性的研究,为甲壳素材料的开发应用以及工业化生产提供理论基础。本论文首先利用核磁共振、溶解度测试和粘度测试等方法研究了甲壳素在碱水溶液中的溶解过程。研究表明三种碱溶液对甲壳素的溶解能力依次为KOHNaOHLiOH,其结果与纤维素恰好相反(LiOHNaOHKOH)。由于甲壳素与纤维素具有相似的糖环结构,因此推测二者在碱溶液中表现出来的溶解性能差异可能与C2位上取代基(分别为乙酰氨基和羟基)密切相关。通过低温冷冻-解冻法,我们重点研究了甲壳素在KOH水溶液中的溶解过程。研究发现当KOH浓度为8.4-25 wt%,溶解温度为-30℃时,甲壳素在KOH水溶液中表现出较高的溶解能力(溶解度约为80%)。在甲壳素溶液的溶解和保存过程中,其乙酰化程度降低12.5%,甲壳素的分子量降低30%,说明KOH水溶液对甲壳素的脱乙酰化和降解作用较小。此外,对尿素的作用也进行了相关研究,发现尿素在KOH水溶液中增加了甲壳素溶解度,但是随着温度的降低和溶解时间的增加其增幅变得不明显。通过对比研究甲壳素在KOH和KOH/尿素水溶液中的相转变行为,发现尿素对于甲壳素的温敏性能没有产生显著的影响。其次,由于壳聚糖是甲壳素脱去乙酰基得到的重要衍生物,本论文通过尝试若干种不同碱与盐及其混合溶液作为溶剂,对壳聚糖的溶解性能进行了初步探索。实验结果表明,壳聚糖能够较好的溶解于一定浓度的LiOH/urea、LiOH/KX/urea(X 可为 OH-、Cl-、Br、I-)、LiCl/KOH/urea、LiOH/KOH 等几种水溶剂中。其中三种碱溶液体系对壳聚糖的溶解能力依次为LiOH/ureaKOH/ureaNaOH/urea,与甲壳素在三种碱溶液体系中的溶解能力(KOHNaOHLiOH)不同。通过改变碱浓度,壳聚糖表现出与甲壳素相似的溶解规律。随着碱浓度的提高,壳聚糖溶解能力逐渐增强,在4.8 wt%附近达到极值,随后有微弱的下降趋势。通过研究壳聚糖有/无尿素对照组在不同温度下的溶解能力,发现当温度低于溶剂凝固点时,有尿素组的溶解能力明显强于无尿素组,而温度变化对于溶剂的溶解能力没有显著的影响,说明尿素在该溶剂体系中起着至关重要的作用。有趣的是KC1、KBr、KI这几种盐在该混合溶剂体系中对壳聚糖的溶解能力没有产生显著的影响,但是LiOH/NaX/urea(X可为OH-、Cl-)的溶解能力明显弱于LiOH/KX/urea(X可为OH-、Cl-、Br-、I-);通过向壳聚糖LiOH/urea水溶液中分次滴加饱和NaOH溶液,我们发现壳聚糖高分子链的运动性也明显降低,阳离子改变导致溶解过程中相组成改变或者与高分子微观作用不同可能是溶剂溶解能力与高分子链运动性降低的原因。本论文关于壳聚糖的溶解性能研究为后续研究提供了一定理论基础,但仍需更多的实验进行系统性分析和论证。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O636.1

【参考文献】
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