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      殼聚糖膜的制備及性能測定

      2014-12-23 01:01:56趙麗麗解則安李露于世濤
      應用化工 2014年9期
      關鍵詞:斷裂強度堿液成膜

      趙麗麗,解則安,李露,于世濤

      (青島科技大學 化工學院,山東 青島 266042)

      殼聚糖是一種天然高分子生物質(zhì)資源,屬于氨基多糖,是至今為止唯一發(fā)現(xiàn)的帶陽離子性質(zhì)的堿性多糖,廣泛存在于自然界中的蝦、蟹等節(jié)肢動物、軟體動物、環(huán)節(jié)動物以及真菌細胞中,具有原料豐富、再生迅速、環(huán)境和生物相容性好、可生物降解等優(yōu)點。殼聚糖在體內(nèi)降解成寡聚糖后,可進一步水解,通過代謝轉(zhuǎn)化成糖蛋白,并以多種方式代謝并排泄[1-2]。殼聚糖作為天然高分子膜材料,已在食品保鮮[3]、增稠[4]及可食用膜[5]等方面有廣泛應用。近年來,在止血材料、組織修復材料、藥物載體等方面也得到了眾多的研究和應用[6-7]。但是目前對殼聚糖膜在機械強度方面的成膜工藝考察不夠詳盡,機械強度僅為41.98 MPa[8],拉伸效果也不盡理想,因此,本文詳細探討了HAc 條件下殼聚糖的成膜工藝,以及獲得最大拉伸強度殼聚糖膜的制備條件。

      1 實驗部分

      1.1 試劑與儀器

      殼聚糖(黏均分子量117 萬,批號20131109,脫乙酰度≥95%);冰醋酸、氫氧化鈉均為分析純。

      1.2 殼聚糖膜的制備

      將殼聚糖溶解在HAc 溶液中得到殼聚糖原液,將原液流延于直徑為90 mm 的培養(yǎng)皿上,自然流延成膜,在40 ℃烘箱中(干燥溫度過高會造成干燥后的膜成糊狀,過低會增加成膜的干燥時間,所以選擇溫度比較適宜的40 ℃)烘至全干。配制一定濃度的NaOH 溶液加入培養(yǎng)皿中浸泡,得到成型的殼聚糖濕膜。揭膜并用清水洗至中性,自然晾干得到干燥完全的膜。

      1.3 性能測試及結(jié)構(gòu)表征

      1.3.1 膜的拉伸強度及斷裂伸長率的測定選取干凈平整的膜試樣,用萬能材料試驗機測定膜的拉伸強度及斷裂伸長率。測定條件為:拉伸速率100 mm/min,間距 30 mm,測定環(huán)境溫度(23 ±1)℃,相對濕度為(50 ±2)%。

      ①將膜干燥至恒重,用紙張厚度測定儀分別測定膜的5 個不同位置處的厚度,然后取平均值,則為干態(tài)膜的平均厚度;②用標準切紙刀將膜裁剪成15 mm 寬度,長度>30 mm 的長方形膜;③準確稱量該特定長度下的膜的質(zhì)量及計算膜的面積,計算得到膜面積比重,單位為g/m2;④在萬能材料試驗機上輸入膜的單位面積比重后,記錄膜的斷裂強力(F)、斷裂伸長率(R)等數(shù)據(jù)。

      拉伸強度(σ)[9]計算按以下公式:

      σ=F/(b×d)

      式中 F——斷裂強力,N;

      b——膜有效寬度,mm;

      本試驗的試件為圓柱體試件,尺寸為Φ100 mm×200 mm。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》[13](GB/T 50082—2009)(以下簡稱《標準》),將混凝土試件置于標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d后再進行試驗。

      d——膜厚度,mm。

      1.3.2 殼聚糖膜的結(jié)構(gòu)表征采用紅外光譜儀表征殼聚糖的結(jié)構(gòu)組成,測試光譜范圍4 000 ~500 cm-1,分辨率≤0.05 cm-1。

      采用旋轉(zhuǎn)極X 射線粉末衍射儀測定殼聚糖膜的結(jié)晶性,掃描角度(2θ)為5 ~100 °,掃描速度為2. 4 (°)/min。靶型:Cu,管流管壓為40 kV 和40 mA,濾波片為Ni。

      采用掃描電鏡觀察膜的表面及截面形貌。干膜表面及截面噴鍍金鈀合金,加速電壓為20 kV。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 殼聚糖膜機械性能的影響因素考察

      2.1.1 HAc 濃度按照1.2 節(jié)的方法制備殼聚糖膜,將殼聚糖溶解于不同濃度的HAc 溶液中,配成殼聚糖濃度為1.0%的溶液,在40 ℃下烘干成膜,在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜,洗凈晾干,測定殼聚糖膜的機械性能。

      表1 HAc 濃度對殼聚糖膜的影響Table 1 The effect of HAc concentration on chitosan membrane

      由表1 可知,隨著HAc 濃度的增加,膜的斷裂強度也隨之增加,當HAc 濃度達到3%時,膜的斷裂強度達到最大。但當HAc 濃度繼續(xù)增加時,斷裂強度反而下降。因為當HAc 濃度較低時,溶解殼聚糖需要的時間長,殼聚糖可能發(fā)生緩慢降解,分子鏈被破壞,所以殼聚糖膜的機械強度低;當HAc 濃度較高時,堿液與HAc 中和的過程中HAc 分子大量從膜表面溢出,殼聚糖分子結(jié)構(gòu)疏松,導致膜的機械強度下降。所以選擇3%的HAc 溶液作為溶劑溶解殼聚糖。

      2.1.2 原料濃度按照1.2 節(jié)的方法,將3%的HAc 溶液溶解殼聚糖,配成一定濃度梯度的殼聚糖HAc 溶液,在40 ℃下烘干成膜,在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜,洗凈晾干,測定殼聚糖膜的機械性能。由表2 可知,隨著殼聚糖濃度的增高,膜的斷裂強度增強,在1.5%的濃度下得到的膜斷裂強度最大。但當殼聚糖濃度繼續(xù)增加時,膜的斷裂強度反而下降。這是因為殼聚糖膜分子的排列隨濃度有一定的變化,在低濃度時分子排列較規(guī)整,濃度稍大分子排列雜亂,影響了成膜機械強度的大小。而且如果濃度過小,殼聚糖溶液流動性大,薄膜厚度也不均勻,且不易成膜和揭膜;但是濃度過大,殼聚糖溶液粘稠,不易脫泡,涂層厚且不均勻[10]。因此1.5%的原料濃度可以得到機械性能較好的殼聚糖膜。

      表2 原料濃度對殼聚糖膜的影響Table 2 The effect of raw materials concentration on chitosan membrane

      2.1.3 NaOH 濃度按照1.2 節(jié)的方法,配制3%的HAc 溶液溶解殼聚糖,配成1.5%的殼聚糖HAc溶液,在40 ℃下烘干成膜,在不同濃度的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜,洗凈晾干,測定殼聚糖膜的機械性能。

      表3 NaOH 濃度對殼聚糖膜的影響Table 3 The effect of NaOH concentration on chitosan membrane

      由表3 可知,在NaOH 濃度為6%得到的殼聚糖膜的斷裂強度最大。在NaOH 溶液中浸泡的過程,即是干燥后膜內(nèi)殘留的HAc 分子與堿液相互中和的過程。如果濃度過小,兩者接觸不充分,造成取膜困難;濃度過大會導致HAc 分子中和過快,造成殼聚糖膜的韌性不夠。所以選擇6% NaOH 溶液作為溫性堿液浸泡殼聚糖膜。

      2.1.4 堿液浸泡時間按照1.2 節(jié)的方法,配制3%的HAc 溶液溶解殼聚糖,配成1.5%的殼聚糖HAc 溶液,在40 ℃下烘干成膜,在6%的NaOH 溶液中浸泡不同時間脫膜,洗凈晾干,測定殼聚糖膜的機械性能。由表4 可知,殼聚糖膜在原料濃度、HAc 濃度與NaOH 溶液濃度一致的前提下,在浸泡3 h 時可以得到斷裂強度最大的殼聚糖膜。因為浸泡時間不夠的話,殼聚糖膜中的HAc 分子與堿液中和不完全,膜難以取下,揭膜過程中容易撕裂;而如果浸泡時間太長,NaOH 會對殼聚糖膜有一定的侵蝕作用,導致膜性能的下降。因此,選擇浸泡3 h 作為在堿液中的浸泡時間。

      表4 堿液浸泡時間對殼聚糖膜的影響Table 4 The effect of soaking time on chitosan membrane

      2.1.5 甘油濃度雖然用純的殼聚糖做出的膜機械強度較好,但是膜的斷裂伸長率不高,因此加入增塑劑甘油,它可以有效的降低殼聚糖分子間的作用力,而且可以增加薄膜的柔韌性,減少脆性,防止膜開裂[11]。因此按照2.1.4 節(jié)的方法,在殼聚糖溶液中加入一定濃度梯度的甘油,在堿液中浸泡3 h 得膜,測定殼聚糖膜的機械性能。

      表5 甘油濃度對殼聚糖膜的影響Table 5 The effect of glycerine concentration on chitosan membrane

      由表5 可知,隨著甘油加入量的增大,殼聚糖膜的拉伸強度呈現(xiàn)下降趨勢,但其斷裂伸長率先增大后趨于平緩,但是斷裂強度下降的幅度要比斷裂伸長率的增長幅度緩慢,綜合兩方面因素考慮,選取甘油和殼聚糖相對配比為8%,殼聚糖膜的拉伸強度和斷裂伸長率都表現(xiàn)得較為理想。

      得到的最佳工藝:以3% 的HAc 溶液溶解1.5%的殼聚糖原料,加入甘油(N=m甘油/m殼聚糖)為8%,得到成膜原液后,轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中流延成膜,在40 ℃烘箱中完全烘干,在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后溫水沖洗至中性,干燥得膜。得到殼聚糖膜的拉伸強度為88.74 MPa,斷裂伸長率為14.3%,并對其進行結(jié)構(gòu)表征。

      2.2 殼聚糖膜的結(jié)構(gòu)表征分析

      2.2.1 紅外分析圖1 為殼聚糖膜的紅外光譜圖。

      圖1 殼聚糖膜的紅外光譜圖Fig.1 Chitosan membranes infrared spectra

      由圖1 可知,3 433.1 cm-1處的寬峰是υ(N─H)與υ(O─H)重疊而成的多重吸收峰,這個寬峰說明這些氨基和羥基存在著強弱不同的分子內(nèi)和分子間氫鍵。2 922.0 cm-1是─CH3反對稱伸縮振動吸收峰。2 970.2 cm-1和2 885.4 cm-1為υ(C─H)的吸收譜帶,這兩個峰的吸收強度都較強,峰形較陡,說明該殼聚糖樣品的脫乙酰度較高。1 645 cm-1為υ(C O)的特征譜帶,1 090 cm-1為υ(C─O)(二級醇羥基)的特征譜帶,1 035 cm-1為υ(C─O)(一級醇羥基)的特征譜帶,894 cm-1是多糖的β-構(gòu)型糖苷鍵的特征峰。與殼聚糖原料的紅外譜圖基本一致[12],因此,在溶解過程中殼聚糖分子的基本骨架未發(fā)生改變。

      2.2.2 X-射線衍射分析圖2 為殼聚糖膜的X-射線衍射峰。

      由圖2 可知,殼聚糖分子內(nèi)及分子間都存在較強的氫鍵作用,分子結(jié)構(gòu)較規(guī)整,因而呈現(xiàn)出較強的結(jié)晶性和較高的致密性。殼聚糖膜在2θ =10,20°都出現(xiàn)兩個主要的衍射峰,說明殼聚糖膜具有晶體結(jié)構(gòu),且結(jié)晶形式與文獻報道殼聚糖膜的結(jié)晶性一致[13]。

      圖2 殼聚糖膜的X-射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of chitosan membrane

      2.2.3 掃描電鏡分析

      由圖3、圖4 可知,殼聚糖膜表面平整、致密,較光滑,稍微有顆粒狀突起,膜中殼聚糖和甘油形成了錯綜復雜的離子交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),且進一步放大觀察也證實復合膜中各組分之間并沒有產(chǎn)生相分離,且有很好的相容性。

      圖3 殼聚糖膜表面Fig.3 Surface of chitosan membrane

      圖4 殼聚糖膜截面Fig.4 Cross section of chitosan membrane

      3 結(jié)論

      (1)殼聚糖的成膜性能受HAc 濃度、殼聚糖濃度、NaOH 濃度、堿液浸泡時間、甘油濃度的影響。通過優(yōu)化,得到了制作殼聚糖膜的最佳工藝。即以3%的醋酸溶液溶解1.5%的殼聚糖原料,加入甘油(N=m甘油/m殼聚糖)8%,得到成膜原液后,轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中流延成膜,在40 ℃烘箱中完全烘干,在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后溫水沖洗至中性,干燥得膜。得到殼聚糖膜的拉伸強度為88.74 MPa,斷裂伸長率為14.3%。

      (2)IR 譜圖分析說明在溶解過程中殼聚糖分子的基本骨架未發(fā)生改變,XRD 譜圖分析證明殼聚糖膜具有晶體結(jié)構(gòu),且結(jié)晶形式與文獻報道殼聚糖膜的結(jié)晶性一致,SEM 分析證實復合膜中各組分之間并沒有產(chǎn)生相分離,且有很好的相容性。

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