乙烯基膠原蛋白微球的制備及其應(yīng)用*

徐 娜，邢燕梅，王學(xué)川

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021；2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021)

0 引 言

我國(guó)是皮革生產(chǎn)大國(guó)，每年有大量的出口貿(mào)易，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如：環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等。這些問(wèn)題會(huì)制約該行業(yè)的發(fā)展，所以皮革廢棄物資源化利用就顯得尤為重要。據(jù)報(bào)道，皮革固體廢棄物中含有大量的膠原蛋白，通過(guò)對(duì)制革過(guò)程中產(chǎn)生的殘次皮料、邊角余料等進(jìn)行加工處理可以為其它行業(yè)提煉出滿(mǎn)足需求的膠原蛋白。從而達(dá)到廢棄膠原蛋白再利用的目的[1-2]。

膠原蛋白是一種分子鏈上含有大量的活性基團(tuán)(氨基、羥基、羧基)的天然高分子材料[3-4]。膠原蛋白具有廉價(jià)易得、來(lái)源廣泛、環(huán)?？山到狻o(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)遇水易溶脹、干燥后易斷裂、黏度大難清理的缺點(diǎn)也會(huì)限制一部分應(yīng)用。將膠原蛋白作為原材料制備的膠原蛋白微球則避免了這些缺點(diǎn)。膠原蛋白微球因具有形狀特殊性(球形)、良好的包埋性、小尺寸、比表面積大、吸附性強(qiáng)、功能基在表面富集等特殊特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域如醫(yī)藥學(xué)、食品、染料處理、化妝品中[5-10]，成為當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。雖然研究膠原蛋白微球的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但是應(yīng)用在紡織材料的相關(guān)研究報(bào)道還是相對(duì)比較少。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 乙烯基膠原蛋白微球的制備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

膠原蛋白(上海闊泉生物科技有限公司，工業(yè)級(jí))；甲基丙烯酸酐(上海阿達(dá)瑪斯試劑有限公司，RG)；液體石蠟(天津市富宇精細(xì)化工有限公司，CP)；Span-80(天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司，CP)；戊二醛水溶液(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；甲醛水溶液(天津市天力化學(xué)試劑有限公司，AR)；(3-巰基丙基)三甲氧基硅烷(上海阿達(dá)瑪斯試劑有限公司，RG)；三(2-羧乙基)膦鹽酸鹽(上海麥克林生化科技有限公司，RG)。

電熱恒溫水浴鍋(上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司)；恒速數(shù)顯攪拌器(杭州儀表電機(jī)有限公司)；高速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司)；冷凍干燥機(jī)(寧波新芝)；傅里葉紅外光譜儀(FT-IR，德國(guó)布魯克公司)；激光粒度分析儀(英國(guó)Mastersizer)；掃描電鏡(捷克TESCAN)；超景深三維顯微鏡(日本HIROX(浩視)公司)；靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x(德國(guó)Dataphyscs)。

1.1.2 乙烯基膠原蛋白的制備

乙烯基膠原蛋白的制備利用氨基(膠原蛋白)和羧基(甲基丙烯酸酐)的酰胺化反應(yīng)[11-13]。將5 g膠原蛋白加入到含有50mL磷酸緩沖溶液(pH=7.4)的錐形瓶中，將錐形瓶置于70 ℃的恒溫磁力攪拌器中加熱攪拌至膠原蛋白完全溶解。然后將恒溫磁力攪拌器的溫度降至50 ℃，向錐形瓶中加入甲基丙烯酸酐反應(yīng)2 h，甲基丙烯酸酐的加入量為磷酸緩沖溶液體積的3/500，透析24 h，冷凍干燥24 h，得到乙烯基膠原蛋白(CMA)。

1.1.3 乙烯基膠原蛋白微球的制備

圖1所示的是以戊二醛為交聯(lián)劑，通過(guò)乳化交聯(lián)法制備乙烯基膠原蛋白微球的示意圖。具體操作參考下列文獻(xiàn)[14-16]：配置一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10%、15%、20%、25%、27.5%、30%、32.5%)的乙烯基膠原蛋白水溶液(水相)；將Span-80加入到含有液體石蠟(油相)的三口燒瓶中(Span-80的加入量為液體石蠟體積的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)，再將三口燒瓶置于水浴鍋中，于一定轉(zhuǎn)速(400、600、800、1000和1200 r/min)下將水浴鍋升溫至60 ℃使二者混合均勻。10 min后將一定體積的乙烯基膠原蛋白水溶液緩慢滴加至三口燒瓶中乳化20 min(水油體積比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7)。然后在冰浴狀態(tài)下加入一定量(0.2、0.4、0.6、0.8和1 mL)的戊二醛水溶液交聯(lián)2 h。向乳液中加入10 mL的異丙醇進(jìn)行脫水處理，10min后停止反應(yīng)，將乳液于3000 r/min下離心5 min分離，先用異丙醇、丙酮交替洗滌4次沉淀物，再用水洗滌3次以除去雜質(zhì)。冷凍干燥后即可得到純凈的乙烯基膠原蛋白微球(CMAs)。用同樣的方法制備膠原蛋白微球(Cs)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)近年來(lái)的用電需求提升迅速，配電網(wǎng)架不斷擴(kuò)大，尤其是農(nóng)村用電負(fù)荷的增加，也對(duì)優(yōu)質(zhì)的供電電能提出了新的要求。然而，中國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)滯后于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，其網(wǎng)架薄弱，線徑小，供電半徑長(zhǎng)(尤其是農(nóng)網(wǎng)線路)，配電變壓器分布廣、數(shù)量多，且主要集中在線路后端[1]。往往導(dǎo)致線路末端電壓低，供電質(zhì)量差。

圖1 乙烯基膠原蛋白微球的制備示意圖

1.1.4 乙烯基膠原蛋白微球在尼龍基材上的應(yīng)用

將直徑為55 mm的尼龍圓片浸泡在體積比為100:3的甲醛溶液和磷酸溶液中，于60 ℃下反應(yīng)15 h，制備羥基化尼龍(Nylon-OH)，再將Nylon-OH置于體積比為1 000∶7的異丙醇和硅烷偶聯(lián)劑(3-巰基丙基)三甲氧基硅烷，于70℃下反應(yīng)12 h制備N(xiāo)ylon-SH[17]。將Nylon-SH浸泡在5 mmol/L的三(2-羧乙基)膦鹽酸鹽溶液(TCEP)中還原1 h，然后將含有0.008%的光引發(fā)劑(Irgacure2959)的乙烯基膠原蛋白微球水溶液(6%)噴涂在Nylon-SH上，將其置于紫外燈(50 W，365 nm，輻照距離15 cm)下“巰基-烯點(diǎn)擊”反應(yīng)5 h，放入水中超聲30 min，得到乙烯基膠原蛋白微球/尼龍復(fù)合材料(Nylon-CMAs)。

1.1.5 Nylon-CMAs的耐濕熱穩(wěn)定性能

將未進(jìn)行巰基化的尼龍按照制備N(xiāo)ylon-CMAs的操作方法進(jìn)行，得到另一種純物理結(jié)合的膠原蛋白微球/尼龍復(fù)合材料(Nylon-Cs)。并與Nylon-CMAs材料進(jìn)行濕熱穩(wěn)定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體操作將Nylon-Cs和Nylon-CMAs分別置于100 mL蒸餾水中，加熱至100 ℃并持續(xù)加熱30min，量加熱前后基材的質(zhì)量變化。

1.2 樣品的性能與表征

將樣品置于載物臺(tái)上，采用傅里葉變換紅外光譜儀分析待測(cè)樣品的特征官能團(tuán)；將待測(cè)樣品粘附在導(dǎo)電膠上噴金60 s，使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)樣品的形貌；另外，將乙烯基膠原蛋白微球分散在水中，取一滴滴在載玻片上使用超景深三維顯微鏡觀察微球在水溶液中的形貌。同時(shí)，還將微球分散在水中，用激光粒度分析儀測(cè)量乙烯基膠原蛋白微球的粒徑及分布。最后，將基材粘在載玻片上并在尼龍基材上取10個(gè)不同位置的點(diǎn)，采用靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量基材的接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙烯基膠原蛋白微球制備的條件優(yōu)化

圖2是乙烯基膠原蛋白濃度對(duì)微球粒徑大小的影響。隨著乙烯基膠原蛋白水溶液濃度的增加微球的粒徑也隨之在增大。乙烯基膠原蛋白水溶液濃度是影響成球效果的重要因素之一，隨著溶液濃度的增加，溶液黏度不斷增大，乳滴也隨之增大，微球的粒徑也就不斷增加。

圖2 乙烯基膠原蛋白溶液濃度對(duì)微球粒徑的影響

圖3是轉(zhuǎn)速對(duì)微球粒徑大小的影響。微球的粒徑隨著轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，粒徑最小。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較小時(shí)，不能提供足夠的剪切力使乳液分散成較小的液滴。但當(dāng)攪拌速度過(guò)大時(shí)會(huì)增加液滴與液滴之間的碰撞幾率，導(dǎo)致微球之間粘連在一起，粒徑增大。

圖4是交聯(lián)劑用量對(duì)微球粒徑大小的影響。微球的粒徑隨著交聯(lián)劑用量的增大先減小后增大。這是因?yàn)榻宦?lián)劑用量較少時(shí)，乙烯基膠原蛋白分子鏈之間沒(méi)有充分交聯(lián)，當(dāng)破壞乳滴的行為發(fā)生時(shí)乳液中的微球不能很好的維持球形。當(dāng)交聯(lián)劑用量增加到0.8 mL時(shí)，乙烯基膠原蛋白分子鏈之間充分交聯(lián)，粒徑最小。當(dāng)交聯(lián)劑用量繼續(xù)增大，微球之間會(huì)粘連，從而粒徑增大。

圖4 交聯(lián)劑用量對(duì)微球粒徑的影響

圖5是水油相體積比對(duì)微球粒徑大小的影響。微球的粒徑隨著水油相體積比的減小而減小。這是因?yàn)樵撊橐后w系是油包水類(lèi)型，當(dāng)乳液體系中油相(連續(xù)相)多時(shí)，乳化時(shí)可以提供充足的空間讓乳滴得到充分乳化，從而被分散成小液滴，所以微球的粒徑較小，而當(dāng)油相體積相對(duì)較少時(shí)，會(huì)大幅度增加乳滴與乳滴之間的碰撞幾率，導(dǎo)致微球粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，所以粒徑會(huì)隨著油相體積的減少而增大?？紤]到經(jīng)濟(jì)環(huán)保，所以本實(shí)驗(yàn)選擇水油比為1∶5。

圖5 水油相體積比對(duì)微球粒徑的影響

從圖6中可看出，乙烯基膠原蛋白微球的平均粒徑隨乳化劑用量的增加而減小。將乳化劑加入到體系中，乳化劑會(huì)吸附在油水界面上,隨著用量的增加，吸附量也隨之增加，界面張力的下降程度也在增加,從而導(dǎo)致液滴的直徑減小。當(dāng)乳化劑用量為2%～2.5%時(shí)粒徑下降程度不明顯，但是后處理時(shí)比較困難，需要大量的溶劑清洗除去，所以本實(shí)驗(yàn)選用2%的乳化劑用量。

圖6 乳化劑用量比對(duì)粒徑的影響

2.2 乙烯基膠原蛋白微球的表征

圖7是膠原蛋白、乙烯基膠原蛋白的FT-IR譜圖。在這兩種物質(zhì)的紅外譜圖中，3 437 cm-1左右的寬頻帶屬于膠原蛋白中氧氫鍵和氮?dú)滏I的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 633 和1 436 cm-1分別對(duì)應(yīng)著膠原蛋白的N-H變形振動(dòng)吸收峰和NH 二級(jí)吸收峰。1 350 cm-1為膠原蛋白中C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰。對(duì)比這兩者峰形可以發(fā)現(xiàn)，1 078 cm-1處為C-N-C的伸縮振動(dòng)峰[18]，該峰為膠原蛋白上的氨基和酸酐發(fā)生?；磻?yīng)。乙烯基膠原蛋白在788 cm-1處有新的出峰，該峰可以歸屬為不飽和碳碳雙鍵上碳?xì)滏I的面外彎曲振動(dòng)峰。由此說(shuō)明甲基丙烯酸酐成功改性膠原蛋白，膠原蛋白分子鏈上接枝了不飽和碳碳雙鍵。

圖7 膠原蛋白和乙烯基膠原蛋白微球的紅外譜圖

圖8是膠原蛋白微球和乙烯基膠原蛋白微球的固體核磁氫譜。對(duì)比這兩者的峰形可以看到，膠原蛋白微球在3×10-6處的峰應(yīng)該歸屬于膠原蛋白中賴(lài)氨酸上的氨基上氫的共振吸收峰[19]，而經(jīng)過(guò)改性以后，得到的乙烯基膠原蛋白微球在此處的峰消失了，這一點(diǎn)說(shuō)明甲基丙烯酸酐與膠原蛋白中的賴(lài)氨酸的氨基發(fā)生了反應(yīng)。同時(shí)，乙烯基膠原蛋白微球在(4.9～6.8)×10-6處有一個(gè)寬信號(hào)峰，推測(cè)這個(gè)吸收峰應(yīng)該歸屬碳碳雙鍵(-C=C-)上氫的核磁共振吸收峰[20]。因此，也證明改性膠原蛋白微球上被成功的引入了-C=C-。

圖8 膠原蛋白微球和乙烯基膠原蛋白微球的固體核磁氫譜

乳化交聯(lián)法制備的乙烯基膠原蛋白微球的形貌及粒徑如圖9所示，(a)和(b)顯示的是微球在干燥狀態(tài)下的SEM圖片，圖中微球形貌規(guī)整，具有完整的球形，表面光滑，且微球之間沒(méi)有出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。如圖9(c)所示，粒徑分析儀測(cè)定微球的平均粒徑是21.204 μm，分布范圍較窄，較多分布在20～40 μm。如圖9(d)所示，乙烯基膠原蛋白微球在水溶液中的形貌，微球在水溶液中顆粒飽滿(mǎn)，粒粒分明。

圖9 乙烯基膠原蛋白微球的形貌及粒徑

2.3 乙烯基膠原蛋白微球在尼龍上的應(yīng)用

2.3.1 Nylon-CMAs的形貌及結(jié)構(gòu)表征

圖10為Nylon 和Nylon-CMAs的掃描電鏡圖。圖10(a)為Nylon的微觀形貌圖，尼龍纖維束呈規(guī)則編制分布，纖維上光滑無(wú)異物。圖10(b)是Nylon-CMAs的微觀形貌圖，可以看到乙烯基膠原蛋白微球呈無(wú)規(guī)則狀態(tài)分布在尼龍表面上。

圖10 Nylon 和Nylon-CMAs的SEM

用傅里葉紅外光譜儀表征了Nylon 和Nylon-SH的官能團(tuán)(如圖11所示)。由圖可得，3 296 cm-1處的出峰為胺基的吸收峰，2 933、2 860 cm-1處的出峰為亞甲基的吸收峰。尼龍中存在酰胺基團(tuán)(1 638 cm-1，C=O伸縮振動(dòng)，酰胺Ⅰ的吸收峰；1 542 cm-1處有N-H變形振動(dòng)，酰胺Ⅱ的吸收峰)[21]。與Nylon相比，Nylon-SH在1 020 cm-1處有新的出峰，該峰為Si-O-Si的振動(dòng)峰，證明-SH修飾到尼龍上。

圖11 Nylon 和Nylon-SH的紅外譜圖

圖12是尼龍經(jīng)改性前后的平均接觸角數(shù)值和對(duì)應(yīng)圖片。接觸角的數(shù)值大小可以反應(yīng)樣品的親疏水性能，數(shù)值越小代表樣品越親水。Nylon、Nylon-OH、Nylon-SH和Nylon-CMAs的接觸角分別為120.6°±5°、82.0°±8°、93.4°±4°、72.6°±5°，Nylon-CMAs的接觸角數(shù)值最低。說(shuō)明乙烯基膠原蛋白的引入使尼龍從疏水織物改性為親水性織物。

圖12 Nylon, Nylon-OH,Nylon-SH和Nylon-CMAs 的接觸角

2.3.2 Nylon-CMAs的濕熱穩(wěn)定性

制備復(fù)合基材的最后一步需要超聲處理以除去基材上未反應(yīng)的乙烯基膠原蛋白微球。在此過(guò)程中，Nylon-Cs上的膠原蛋白微球涂附在Nylon上，屬于物理復(fù)合，所以超聲過(guò)程中微球全部脫落，基材的質(zhì)量未變化。而Nylon-CMAs因?yàn)橐蚁┗z原蛋白微球修飾到基材上，超聲后微球仍然在基材上，所以基材的質(zhì)量明顯增加(圖13)。將Nylon-Cs和Nylon-CMAs 用100 ℃沸水高溫分別煮30 min后，乙烯基膠原蛋白微球仍然接枝在尼龍上，僅有少量微球脫落。說(shuō)明乙烯基膠原蛋白微球成功修飾到尼龍上，且濕熱穩(wěn)定性良好。

圖13 (a)Nylon-Cs和(b)Nylon-CMAs水煮前后的質(zhì)量變化以及對(duì)應(yīng)實(shí)物圖

3 結(jié) 論

乳化交聯(lián)法制備的乙烯基膠原蛋白微球球形完整，表面光滑。當(dāng)乙烯基膠原蛋白濃度為15%，轉(zhuǎn)速為800 r/min，交聯(lián)劑用量為0.8 mL，水油比為1∶5，乳化劑用量為2%，粒徑分布較窄，平均粒徑在21.204 μm。將乙烯基膠原蛋白微球應(yīng)用到尼龍上可以有效改善尼龍的親水性能，將尼龍從原來(lái)的疏水織物(120.6°±5°)改性成親水織物(72.6°±5°)，且制備的Nylon-CMAs具有較好的耐濕熱穩(wěn)定性能。