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由于石油资源的日益枯竭和非降解塑料废弃物对环境造成的危害,研究和开发生物降解塑料成一热点。在可再生降解材料资源中,大豆蛋白质原料丰富、可再生、可生物降解,是石油基高分子的潜在替代品。为了改善大豆蛋白塑料的脆性,提高塑料的力学性能和抗水性,本文经模压成型工艺制备出大豆蛋白塑料,采用增塑、变性方法以及各种蛋白质原料、淀粉或生物降解高分子材料共混的方法对大豆蛋白进行改性处理,并且研究了改性塑料的力学性能、抗水性、热性能以及微观结构。主要研究结果如下:
1.采用万能材料实验机检测了大豆分离蛋白塑料、大豆浓缩蛋白塑料、大豆脱脂蛋白粉塑料以及不同模压温度下蛋白塑料的力学性能。结果表明采用大豆分离蛋白为原料,选用模压温度140℃,大豆蛋白塑料具有最大强度,韧性。
2.选取多元醇、甲酰胺单一增塑剂或多元醇一甘油、甲酰胺一甘油复合增塑剂对大豆蛋白进行改性处理,制成增塑改性塑料,并研究其力学性能。结果表明加入甲酰胺能大幅度提高大豆蛋白塑料的断裂伸长率和断裂能。当甲酰胺含量15%~20%或甲酰胺一甘油复合增塑剂中甲酰胺含量为3%时,各改性塑料的断裂伸长率和断裂能均高于30%甘油增塑塑料,表明在此含量,甲酰胺或甲酰胺.甘油复合增塑剂的增塑效果高于甘油并使塑料的韧性和延伸性得到改善。
3.通过脲、十二烷基硫酸钠(SDS)以及玉米蛋白粉、谷朊粉、高直链淀粉、聚己内酯对大豆蛋白塑料进行变性或共混改性,研究了改性剂对大豆蛋白塑料的力学性能的影响。结果表明,脲和SDS变性处理均能使大豆蛋白塑料的韧性和延伸性得到改善,但SDS的改善效果不及脲。加入玉米蛋白粉会使大豆蛋白塑料的强度和韧性下降,而加入谷朊粉会提高塑料的断裂伸长率和断裂能,并且当谷朊粉含量为3.5%时,共混塑料的强度和韧性同时得到改善。当高直链淀粉含量为3.25%时,共混塑料强度和韧性同时得到改善,而当高直链淀粉含量高于6.5%时,塑料的强度和韧性下降,出现相分离;随着聚己内酯含量增加,塑料的基体相由大豆蛋白变为聚己内酯,塑料的强度和韧性先降低后增加。由以上结果可知,采用谷朊粉、高直链淀粉和聚己内酯共混是提高塑料力学性能的新途径。
4.以采用万能材料实验机为检测设备,选用R值法和吸水率法研究了增塑、变性、共混改性大豆蛋白塑料的抗水性。结果表明,经甲酰胺、甲酰胺.甘油增塑改性处理和脲改性处理或加入玉米蛋白粉、谷朊粉或聚己内酯,大豆蛋白塑料的R值增大,吸水率下降,表明以上改性方法可以起到提高塑料抗水性的作用:而采用SDS处理或添加高直链淀粉,大豆蛋白塑料的R值增大,吸水率下降,表明塑料抗水性下降。
5.采用动态力学热分析仪,研究了改性大豆蛋白塑料的动态力学热性能。结果表明,通过甲酰胺以及甲酰胺一甘油改性,塑料的玻璃化温度下降,损耗峰峰高增大,表明二者起到增塑剂作用,破坏了蛋白质的交联。脲和SDS变性处理均使大豆蛋白的玻璃化温度降低,但前者降低程度高于后者,表明破坏氢键作用改善塑料中的大豆蛋白链段的活动性的效果高于破坏静电及疏水作用。当谷朊粉含量不超过21%时或当高直链淀粉含量为3.25%时未出现新的损耗峰,表明谷朊粉或高直链淀粉与大豆蛋白存在一定的相容性。玉米蛋白粉和聚己内酯共混塑料中,存在新的损耗峰,表明玉米蛋白粉或聚己内酯与大豆蛋白存在相分离。
6.用热重分析仪研究了改性大豆蛋白塑料的热稳定性。结果表明,聚己内酯改性会提高大豆蛋白塑料的热稳定性,而增塑、变性、其他共混改性处理均降低了塑料的热稳定性。另外,增塑改性塑料以及谷朊粉一大豆蛋白共混塑料在第二分解阶段最大分解速率所对应的温度高于未添加改性剂的塑料,表明增塑剂或谷朊粉与大豆蛋白存在相互作用。而变性剂、玉米蛋白粉、高直链淀粉以及聚己内酯改性塑料相应的温度均不高于未添加改性物的塑料,表明各改性剂与大豆蛋白相互作用较弱。
7.选用傅立叶变换红外光谱仪研究了改性大豆蛋白塑料的红外光谱。结果表明,加入甲酰胺、甲酰胺一甘油复合增塑剂、脲、谷朊粉或高直链淀粉会使大豆蛋白的酰胺I峰移向低波数,表明上述改性剂与大豆蛋白存在氢键作用。而SDS改性则使酰胺I峰移向高波数。聚己内酯改性塑料的酰胺I峰未发生改变,表明塑料中存在相分离。
8.采用扫描电境观察了改性大豆蛋白塑料的断面形貌。结果表明,采用甲酰胺、甲酰胺-甘油、脲或SDS改性处理,塑料断面平整、裂纹减少或消失,表明韧性得到改善。当谷朊粉含量低于28%,玉米蛋白粉含量低于7.0%或高直链淀粉含量低于6.5%时,断面均一,未出现共混物颗粒,表明塑料中大豆蛋白与高分子存在一定的相容性,而聚己内酯改性塑料的断面呈现两相结构,并且,随着聚己内酯含量增加,塑料发生相变。