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可生物降解大豆蛋白膜的改性研究

邹小武  
【摘要】: 随着石油价格的不断上涨及合成高分子材料对环境造成的污染日趋严重,基于天然高分子可降解材料的研究、开发及产业化受到了人们的广泛关注,已成为高分子科学研究的前沿领域之一。大豆蛋白是产量最为丰富的一种植物蛋白,其提取方法简单、价格低廉,且具有优良的成膜性,所制成的膜具有良好的生物相容性和生物降解性。然而,和合成高分子膜材相比,大豆蛋白膜在耐水性及力学性能等方面尚有不足。基于此,本课题以大豆蛋白为基本原料,分别采用化学交联、化学接枝及物理共混等方法对其进行改性,以期提高大豆蛋白膜的力学性能及耐水性,同时应用先进的纳米技术,引入一些功能性的纳米粒子,以期赋予大豆蛋白膜一定的功能特性。在此基础上,采用红外光谱分析(FT-IR)、动态热机械性能分析(DMA)、热失重分析(DTG)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜观测(SEM)、拉伸性能测试及吸水性能测试等方法对所得膜材料的结构与性能进行表征,并研究了它们之间的构效关系。 本工作的主要创新之处包括:(1)采用二醛淀粉对大豆蛋白进行交联改性,同时利用二醛淀粉上的醛基将Ag+原位还原成纳米银粒子,经溶液浇铸成膜制备了一类具有优良力学性能及抗菌功能的大豆蛋白/二醛淀粉/纳米银复合膜,由此提出了一种原位制备具有抗菌功能的大豆蛋白膜的新方法。(2)首次采用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷对大豆蛋白进行交联改性,显著改善了大豆蛋白膜的力学性能及耐水性。(3)成功制备了一类大豆蛋白/聚己内酯接枝物(SPI-g-PCL),然后以丙三醇为增塑剂,采用热压成型方法制备了高性能大豆蛋白膜。由SPI-g-PCL制成的膜在土壤中能够完全降解,和未改性的大豆蛋白膜相比,SPI-g-PCL膜在相对湿度为98 %的环境中具有更好的拉伸性能及更低的吸水率。(4)采用包覆有阳离子瓜尔胶的碳纳米管对大豆蛋白膜进行增强改性,显著提高了大豆蛋白膜的力学性能。(5)建立了一种共沉淀合成大豆蛋白/羟基磷灰石纳米复合物的方法,为开拓大豆蛋白膜在生物医学方面的应用打下了基础。 本论文的主要研究内容及结果包括以下几个部分: (1)采用高碘酸钠氧化可溶性淀粉制备了一类带有醛基的大分子交联剂二醛淀粉(DAS),然后采用DAS对大豆蛋白进行交联改性,FT-IR、DMA、力学性能测试及水蒸气透过率测试表明,DAS的交联改性可显著提高大豆蛋白膜的玻璃化转变温度及力学性能,降低膜的水蒸气透过率。当DAS的用量为20 wt%时,膜的拉伸强度、拉伸模量及断裂延伸率分别为5.37 MPa、59.0 MPa和178.3 %。此外,二醛淀粉上的醛基可将Ag+还原成纳米银粒子,生成的银粒子均匀地分布在大豆蛋白/二醛淀粉/纳米银复合膜中(SPI/DAS/Ag),其粒径约为30 nm~60 nm。SPI/DAS/Ag膜具有良好的抗菌性能,对大肠杆菌的抗菌率为93 %~99 %。 (2)采用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)对大豆蛋白进行交联改性,经溶液浇铸成膜制备了一类新型大豆蛋白膜。有关反应机理研究表明, KH560上的硅烷基在浓度为20 %的乙醇水溶液中被水解成硅羟基,然后通过硅羟基之间的缩合反应及环氧基与大豆蛋白分子中氨基之间的加成反应实现对大豆蛋白的交联。采用FT-IR、DMA、DTG、SEM、力学性能测试及吸水性测试等方法对所得杂化膜的结构及性能进行表征,发现KH560的交联增强了大豆蛋白分子间的相互作用力,膜的玻璃化转变温度及受热分解温度均有所提高,而膜的平衡吸水率及水分子在膜中的扩散系数则有明显下降,当KH560的用量为4 wt%时,膜的拉伸强度达到7.39 MPa,该值远高于未交联大豆蛋白膜的拉伸强度(4.13 MPa)。 (3)分别采用原位开环接枝聚合及端基偶联两种方法合成了大豆蛋白/聚己内酯接枝物(SPI-g-PCL),相对于原位开环接枝聚合而言,采用异佛尔酮二异氰酸酯将端羟基聚己内酯(PCL-OH)偶联到大豆蛋白上,可以得到更高接枝率的SPI-g-PCL。并且随着PCL-OH分子量的减小,产物的接枝率逐渐增大。然后以丙三醇为增塑剂,采用热压成型的方法制备了一系列SPI膜和SPI-g-PCL膜。拉伸性能测试、吸水性能测试表明经过接枝聚己内酯改性后,可显著降低大豆蛋白膜的吸水率,提高膜材在高湿度环境中的拉伸性能。未经接枝改性的SPI膜在相对湿度为98 %环境中的拉伸强度及吸水率分别为3.58 MPa和31.14 %,而接枝有41.7 %聚己内酯的SPI-g-PCL膜的拉伸强度及吸水率分别为5.47 MPa和15.06 %。此外,SPI膜和SPI-g-PCL膜在土壤中均具有良好的降解性,降解半衰期在30天之内。 (4)采用共沉淀方法制备了一类大豆蛋白/羟基磷灰石纳米复合物(SPI/HA),FT-IR分析结果表明大豆蛋白和HA之间存在氢键相互作用。SEM、TEM分析结果表明HA粒子的形貌较为规整、长度大约在100 nm~150 nm之间、直径约为10~20 nm,且能均匀地分散在大豆蛋白基体中。此外,α-力学松弛温度的升高证实纳米HA颗粒可通过强烈界面粘力有效限制大豆蛋白分子链段运动,这种限制作用提高了材料的拉伸强度和拉伸模量,并降低了材料在高相对湿度环境中的吸湿性。该类复合膜材料在生物医用领域具有潜在的应用价值。 (5)采用阳离子瓜尔胶(GUM)和碳纳米管对大豆蛋白膜进行共混改性。FT-IR、XRD及SEM测试结果表明,GUM与大豆蛋白具有良好的相容性,可通过氢键及静电作用有效增强其分子间相互作用力;此外,在超声作用下将GUM包覆于碳纳米管的表面,可改善碳纳米管的分散稳定性。将包覆有GUM的碳纳米管引入SPI/GUM共混体系中,随着碳纳米管的用量由0 wt%增加至3 wt%,膜的拉伸强度及拉伸模量分别由4.75 MPa和74.9 MPa增加至6.47 MPa和121.5 MPa。 (6)采用微晶纤维对丙三醇增塑的大豆蛋白膜进行增强改性,FT-IR、DMA及SEM测试结果表明微晶纤维与大豆蛋白基体间存在氢键作用。当微晶纤维的用量由0 wt%增加至30 wt%时,膜的拉伸强度及拉伸模量分别由4.8 MPa和57.4 MPa增加至7.9 MPa和117.8 MPa,断裂延伸率由71.5 %下降为24.2 %;丙三醇对大豆蛋白具有良好的增塑作用,随着丙三醇用量的增加,膜的物理状态逐渐由硬而脆的刚性态过渡到软而弱的橡胶态;膜的吸水率也随着丙三醇用量的增加而增加。


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