聚乳酸—大豆多肽共聚物的合成及其在大豆蛋白/聚乳酸共混体系中的应用

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大豆蛋白(SPI)是产量最大的植物蛋白质,它含有多种活性基团,易于化学和物理改性,且属可再生资源并可生物降解,很可能成为制备环境友好材料的主要化工原料。然而,大豆蛋白大分子链的分子内和分子间易形成氢键,不宜溶于许多有机溶剂,加工成型性能较差,且吸水性高,吸水后导致性能的急剧下降,从而大豆蛋白塑料的应用受到限制。而作为另一种研究较为广泛的可生物降解材料—聚乳酸(PLA),则具有良好的防水性和加工性能,与大豆蛋白共混有望改善大豆蛋白塑料的综合性能。但是,PLA与SPI类的天然可生物降解高分子共混的关键问题是两者的相容性,由于SPI是亲水性的材料,PLA是一种疏水性的高分子,两者共混的相容性较差,使得最后共混所得的材料的性能等都不很理想。所以需要对大豆蛋白改性或添加增容剂来改善SPI与PLA的相容性。本文首先采用丙交酯和大豆蛋白的水解产物,即分子量较低,结构较简单的大豆多肽(SPP)为原料,合成出了聚乳酸—大豆多肽共聚物(PLA-SPP)。通过FTIR、NMR、GPC、DSC、TGA等手段对其进行了结构表征及性能研究,表明确定所合成的聚合物为PLA和SPP的共聚物,并讨论了原料配比和合成温度对共聚物结构及性能的影响:在聚合温度为150℃时,得到的共聚物的分子量在该系列共聚物中为最高,数均分子量可达3.42万。在SPP含量较低的情况下,共聚物中的PLA段会出现局部结晶,随着SPP量的增多,共聚物的熔点逐渐降低。以AFM、TEM为手段研究了该共聚物在溶液中的形态,讨论了合成温度与原料配比对其影响。TEM照片显示SPP含量为30%的PLA-SPP共聚物在溶液中可形成均匀的微球,并且微球的直径大小受反应温度的影响。这为其在生物医学方面的潜在应用开辟了新道路。除此以外,本文又对SPI/PLA共混体系进行了研究。首先在不加增容剂的情况下,研究了大豆蛋白预处理、共混原料配比对SPI/PLA共混物的微观形态及热性能的影响。由此选用PLA含量为30%的SPI/PLA共混物作为研究对象,将合成出的PLA-SPP共聚物应用于大豆蛋白与聚乳酸的共混研究中,以增强两者的相容性,改善了大豆蛋白/聚乳酸共混物的性能。研究表明,加入一定量的共聚物可以增加共混体系两组分的相容性。尤其当加入5%的SPP-PLA共聚物时,SPI/PLA共混物的软化峰减小明显,软化焓显著降低,并且聚乳酸相的结晶度有明显降低;SEM结果也显示,加入该配比共聚物的共混物微观结构明显变的致密而均匀,两相分散较好,相分离现象显著改善。这都说明在本课题研究的共混物中,此时的共混体系相容性得到了最佳改善。通过将聚乳酸与大豆蛋白共混的方法,还大大提高了大豆蛋白材料的耐水性,这对于提高材料的实用性能有重要的意义。对共混物拉伸性能和冲击性能的测试结果说明,共混物材料较脆,冲击强度由于加入了PLA-SPP共聚物而增大,尤其当加入5%的共聚物时,冲击强度增量最多。但是总体来讲,SPI/PLA共混物的力学性能仍存在很大的改善空间,这有待于在以后的研究中做更深入的探索。
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