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淺談大豆蛋白塑料的前景

作者:admin來源:中國塑膠網 日期:2012-5-10 14:24:31 人氣: 標簽:
  

  大豆蛋白塑料的制備大豆蛋白的改性增塑改性在制備大豆蛋白塑料過程中,為了提高其力學性能,通常采用增塑的方法。其中甘油是大豆蛋白塑料常見的增塑劑。甘油中的羥基與大豆蛋白質分子上的氨基可以結合形成氫鍵,降低蛋白質分子間的相互作用,增加大豆蛋白塑料的可塑性、韌性和加工性能。乙二醇,山梨醇,乙烯基乙二醇等多羥基醇均可有效地提高大豆蛋白塑料的韌性,它們的增塑原理與甘油相似。但由甘油增塑的大豆蛋白塑料有很高的吸水率,大大限制了此種材料的應用范圍,用環氧丙烷對大豆分離蛋白進行增塑改性,制得的材料具有高強度,低吸水率的優點,拉伸強度在20MPa以上,吸水率在30%~45%.此外,丙酸也是一種非常有效的增塑劑,可用來代替甘油作為增塑劑。交聯改性交聯一般可提高大豆蛋白塑料的拉伸強度,楊氏模量,硬度和耐水性;但會降低其斷裂伸長率和韌性,有時會增加加工難度。最常見的交聯劑是甲醛、戊二醛和乙二醛等醛類。用醛類交聯時,由于生成的醛亞胺中的碳氮雙鍵與碳碳雙鍵形成共軛體系的化工新型材料穩定結構,從而提高塑料的耐水性。甲醛、戊二醛是有毒的致癌物質,蛋白質塑料在使用過程中會發生解聚,將甲醛、戊二醛單體釋放出來。Swain嘗試用糠醛代替甲醛作交聯劑糠醛的交聯作用使蛋白質分子聚集,隨著糠醛含量的增加,蛋白質的平均分子量增大,從而降低了吸水率。此外,含二價鋅離子的鹽類(如硫酸鋅)能夠與蛋白質中氨基酸中帶負電的官能團發生鰲合交聯作用,降低大豆蛋白質塑料的吸水率。對大豆蛋白進行熱處理也可以使蛋白質分子結構發生重整,從而導致蛋白質分子內及分子間的交聯。

  共混改性大豆蛋白可與聚磷酸鹽、纖維、淀粉、聚己內酯、聚羥基酯醚等可降解高分子共混制備復合材料。共混可提高塑料的力學性能,疏水性和加工性能,是制備大豆蛋白熱塑性工程塑料的有效途徑。用二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)作為增容劑,模壓制備了大豆分離蛋白/PCL復合材料。MDI使復合材料中的大豆分離蛋白的Tg下降,改善了加工性能,而且提高了大豆分離蛋白與PCL之間的相容性以及材料的力學性能和疏水性。大豆蛋白塑料的制備由于大豆蛋白質具有熱塑性,所以目前大豆蛋白塑料主要通過模壓、擠出和注射成型方法制備。

  模壓成型等對在不同溫度,壓力和時間下模壓制備的大豆蛋白塑料的拉伸強度、耐水性等性能進行測定。樣品在150℃,20MPa下模壓5min,達到最大的拉伸強度4219MPa和最大斷裂伸長率4161%.實驗表明,在適當的壓力(20MPa)下模壓的溫度和時間對樣品性能的影響是相互的,在高溫下(如150℃)只要模壓3min就能達到最佳加工性能,而在較低溫度下(如120℃)則需10min.擠出成型擠出成型或擠出造粒再注射成型是另一種常用的制備大豆蛋白塑料的方法。利用甘油作為增容劑和增塑劑與大豆蛋白以質量比為30∶70的比例混合,經雙螺桿機于130~140℃下擠出造粒,再與商品名的聚酯混合擠出成蛋白質/聚酯混合材料。該材料的力學性能與大豆蛋白和甘油的結合程度有關。在較高的剪切力和較高溫度下反應擠出,可使大豆蛋白變性,促使蛋白質分子與甘油分子間反應,達到較好的增塑效果。大豆蛋白與甘油在室溫下混合反應擠出最終制備的材料拉伸強度為8MPa,而當溫度升至135~140℃時,拉伸強度可達到13MPa.他們還發現,采用較多的捏和塊數雖然會減少產量,但可以為大豆蛋白變性及大豆蛋白和甘油的反應提供足夠長的時間和空間,從而達到更好的增塑效果。

  大豆蛋白塑料的性能力學性能力學性能是大豆蛋白塑料最重要的性能,決定材料能否最終應用于實際。大豆蛋白塑料的力學性能與增塑劑的種類、含量及改性方法、改性程度直接相關。作者用乙二胺四乙酸二酐?;男源蠖狗蛛x蛋白,再用戊二醛進行交聯,測試所得樣品的拉伸性能,結果顯示,樣品中越高的,其斷裂伸長率越高。其改性程度較小,為5415%,賴氨酸殘基的量仍然較多,樣品網絡的強度較小,因而斷裂伸長率較??;而mEDTAD∶mSPI為013的樣品,?;潭忍岣咧?810%,較高的改性程度保證了肽鏈間適當的作用力,同時又保留了一定量未改性的賴氨酸殘基參與戊二醛交聯,使形成有一定強度的網絡,斷裂伸長率增加;而當mEDTAD∶mSPI為015時,樣品更多的表現出橡膠的性質,斷裂強度較高。熱力學性能蛋白質塑料的Tg與蛋白質分子量,增塑劑含量,蛋白質變性程度有關。利用DSC分析純大豆分離蛋白塑料和含5%甲醛的大豆分離蛋白塑料的Tg和Tm(熔點)。前者的Tg和Tm分別為24313℃和49915℃,后者Tg和Tm分別為23614℃和46114℃,導致Tg和Tm下降的原因可能是在交聯過程中蛋白質分子結構發生重整。他們又利用TG分析甲醛交聯大豆分離蛋白塑料,發現熱重曲線在237~710℃溫度區間內可分成4個階段,各階段的轉折溫度分別是237℃、382℃、583℃和710℃,在不同的階段對應著大豆蛋白分子中不同類型的鍵發生斷裂等利用DSC分析7S和11S球蛋白塑料的Tg及含水量對其的影響。

 大豆蛋白塑料的研究現狀與應用前景標。采用ASTM的D570281標準測定GuHCl改性11S球蛋白塑料的吸水性,GuHCl明顯降低了塑料的吸水率。當GuHCl濃度為019mol/L時,吸水率最低(40%),但隨著GuHCl濃度的增加,吸水率反而增大,原因是過多的GuHCl使蛋白分子間距離增大,塑料結構松散,而且GuHCl分子本身也會吸水,直接導致吸水率的增大。等研究了模壓壓力和溫度對大豆蛋白塑料耐水性的影響。當壓力從5MPa增加到20MPa,樣品吸水率從127%降至4316%,隨著壓力繼續增大,吸水率開始緩慢上升。另外,模壓溫度的增高也可提高塑料的耐水性。大豆蛋白塑料的耐水性也可通過材料在干態和濕態下的拉伸強度的比值來表示。生物降解性大豆蛋白塑料是可完全生物降解材料,在土壤或海洋中可降解成二氧化碳、水和低分子含氮物。

  根據大豆蛋白塑料生物降解的機理及特點,測定其降解性的主要根據是大豆蛋白塑料降解所產生的物理和化學變化,以及塑料基質上微生物的活性等。失重是標志材料實際生物降解能力的一個重要數據,Lodha等研究了填制肥料實驗過程中大豆分離蛋白質塑料的失重情況,實驗第1天樣品失重達25%,第2天到第7天失重速度較為緩慢,第11天后重新加速直至第21天樣品達到恒重,最終失重為9318%.另外,通過測定大豆蛋白塑料在土壤中被微生物降解產生的CO2氣體的量,并將其與塑料在理論上分解能產生的CO2氣體的量相比較,可求出生物的降解速率及降解程度。Tkaczk等通過該方法測定多磷酸鹽填充大豆蛋白塑料在土壤中降解程度,發現隨著多磷酸鹽填充物比重的增大,大豆蛋白塑料的降解速率減小,原因可能是填充物抑制了微生物的生長或阻礙了空氣在塑料內部的流動。大豆蛋白塑料的應用前景大豆蛋白塑料具有可觀的應用前景。首先,大豆蛋白塑料可以制備各種一次性用品,如盒、杯、瓶、勺子、片材以及玩具等家庭用品,育苗盆、花盆等農林用品,以及各種工藝、旅游用品等,還可用于美容、化妝,甚至用于大型機器的保護和包裝等。研究發現,當水的質量含量保持低于5%時,大豆蛋白塑料具有比石油化工塑料更高的揚氏模量(44GPa),其韌性也比雙酚A型環氧樹脂和聚碳酸酯高。因此,可生物降解的大豆蛋白塑料具有代替不可降解的石油化工塑料應用于工程塑料領域的潛力。其次,隨著對生物降解塑料認識的深入,我國已充分認識到這種材料及其產業對我國可持續發展的戰略作用?!秶抑虚L期科技發展規劃綱要》和“十一五”科技發展規劃中,都將發展生物降解塑料產業作為重要內容之一。

  另外,2008年北京奧運會和2010年上海世博會將是大豆蛋白塑料發展的很好契機。據保守估計,北京奧運會期間將產生10000t以上垃圾,其中4%即400t是不可回收的塑料垃圾。以新型的生物降解塑料替代傳統的不可降解塑料,可有效地解決不可降解塑料帶來的“白色污染”,體現“綠色奧運”的理念,為此,應該抓住這個難得機遇,使我國的大豆蛋白塑料事業取得更大的進展。

  

 

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