專利名稱：一種大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可生物降解的改性大豆蛋白質材料——大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料及其制備方法和用途，屬于高分子材料領域，也屬于環境科學技術領域。
背景技術：
蒙脫土是一種層狀硅酸鹽，能夠提高材料的力學性能和熱穩定性，已經作為增強填料廣泛應用于高分子材料領域。蒙脫土可通過溶液插層、熔融插層和原位聚合插層等方法以插層和剝離等形態分散到聚合物基體中(Ray，S.S.；Okamoto，M.；Prog.Polym.Sci.，2003，28，1539-1641.)。用于聚合物納米復合材料的蒙脫土在與聚合物復合之前通常需要經過有機插層劑的修飾，也就是說需要大量的有機溶劑和較為復雜的工藝，成本太高且容易造成環境污染。土壤學和生物學的研究結果表明蛋白質與蒙脫土具有很高的親和性，蛋白質能夠進入未經有機插層劑修飾的蒙脫土。
大豆蛋白質是大豆榨油之后的副產品，價格低廉，目前主要用于食品領域。近年來，由于石油資源的日益緊張，持續上漲的原油價格以及石油基的高分子材料所造成的環境污染問題，基于可再生資源的天然高分子材料的研究開發和應用得到人們的廣泛重視。以大豆分離蛋白質為原料的新興“工業蛋白質塑料工業”方興未艾，其研究的重點主要集中在通過物理和化學改性制備有實際用途的大豆蛋白質材料(Kumar，R.；Choudhary，V.；Varma，I.K.；Mattiason，B.，Ind.Crops Prod.，2002，16，155-172.)。但是，純大豆蛋白質流動性差、熔點高，難以適應傳統的加工工藝，且其制備出的材料脆性大，幾乎沒有實際應用價值(Zhang，J.；Mungara，P.；Jane，J.Polymer，2001，42，2569.)。為了克服這些缺點，通常在大豆蛋白質中添加甘油或水等增塑劑以提高其加工性能和拉伸性能。增塑劑的加入緩解了大豆蛋白質的缺點的同時也大大降低其材料的拉伸強度和耐水性。因此，大豆蛋白質物理和化學改性成為大豆蛋白質材料開發和應用的重要課題。
發明內容
為充分利用大豆蛋白質、蒙脫土二者的優點，本發明提供了一種蒙脫土改性的大豆蛋白質材料——大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料及其制備方法和用途，這種材料具有良好的力學性能、熱性能以及抗紫外線功能，制備工藝簡單、過程環保、生產成本低廉，產品性能優良，材料可生物降解。
本發明所采用的技術方案為這種材料的基本組成是質量百分比為1～24wt％蒙脫土和76～99wt％大豆蛋白質。
該材料還可添加25～40wt％[甘油質量/(甘油+大豆蛋白質質量)]的甘油。
制備大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的具體步驟如下將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，配成濃度為1wt％至10wt％的蒙脫土水溶液和濃度為1wt％至8wt％的大豆蛋白質水溶液；按蒙脫土質量與大豆蛋白質質量之比為1∶99至24∶76的比例將兩懸浮液攪拌混合，兩溶液混合進行溶液插層的溫度為20~80℃，時間為0.5~4h。混合物溶液經離心得到的粘稠狀黃色固體用丙酮洗滌，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。然后按照大豆蛋白質質量∶甘油質量為75∶25至60∶40的比例并通過單螺桿擠出機將該復合物與甘油混合。混合時螺桿轉速為30~120rpm，單螺桿擠出機從進料口到擠出模口的三段溫度分別為60~100、90~120和110~140℃。最后在120~150℃、5~25MPa下熱壓4～10min得到蒙脫土改性的大豆蛋白質塑料片材。
本發明利用蛋白質與蒙脫土之間的高親和性，首次使用蒙脫土為大豆蛋白質材料的增強填料，制備具有納米結構的可生物降解的高性能材料，其科技含量高，具有明顯的創新性。本發明采用水為介質進行溶液插層，所用的蒙脫土無需經過有機插層劑的修飾就能夠使蒙脫土片層以插層或剝離型納米結構均勻分散在大豆蛋白質基質中，工藝簡單，生產成本低，且使用的是無污染的水體系。而且本發明采用先溶液插層再熔融插層的先進工藝，在用單螺桿擠出機混合塑化的過程中，蒙脫土與蛋白質進一步均勻混合，層間距進一步擴大，有利于蒙脫土納米片層的進一步無規分布，使材料的拉伸強度提高1倍左右，而楊氏模量提高2倍，降解溫度提高30℃。
由于這種材料生產成本低廉、產品性能優良、材料可生物降解，在可降解的塑用品和用具、一次性餐具、食品包裝等領域具有廣闊的應用前景，有利于提高大豆蛋白質的產品附加值，緩解石油危機和環境污染問題。與此同時，該材料在紫外光區域具有良好的吸收性能，而在可見光區域具有高的透過性，可用于光學選擇，制備具有抗紫外要求的器其。
附圖為蒙脫土含量為8wt％的大豆蛋白質納米復合材料結構的透射電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
實施例1將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，蒙脫土水溶液的濃度為2wt％，大豆蛋白質水溶液的濃度為5wt％。然后將兩溶液混合進行溶液插層，蒙脫土質量∶大豆蛋白質質量為8∶92，反應溫度為25℃，時間為2h。離心得到的粘稠狀黃色固體用丙酮洗滌，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。通過單螺桿擠出機，按照甘油/大豆蛋白質質量比為3∶7的比例混合甘油和大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。擠出機螺桿轉速100rpm，單螺桿擠出機從進料口到擠出模口的三段溫度設置80、100和120℃。最后在140℃，20MPa下熱壓10min得到蒙脫土改性的大豆蛋白質塑料片材，編號為MS-1。其結構由透射電子顯微鏡拍攝并示于附圖1中。
實施例2將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，蒙脫土水溶液的濃度為3wt％，大豆蛋白質水溶液的濃度為4wt％。然后將兩溶液混合進行溶液插層，蒙脫土質量∶大豆蛋白質質量為16∶84，反應溫度為60℃，時間為4h。離心得到的粘稠狀黃色固體用丙酮洗滌，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。通過單螺桿擠出機，按照甘油/大豆蛋白質質量比為3∶7的比例混合甘油和大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。擠出機螺桿轉速60rpm，單螺桿擠出機從進料口到擠出模口的三段溫度設置90、110和140℃。最后在140℃，20MPa下熱壓8min得到蒙脫土改性的大豆蛋白質塑料片材，編號為MS-2。
實施例3將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，蒙脫土水溶液的濃度為4wt％，大豆蛋白質水溶液的濃度為3wt％。然后將兩溶液混合進行溶液插層，蒙脫土質量∶大豆蛋白質質量為20∶80，反應溫度為60℃，時間為4h。離心得到的粘稠狀黃色固體用丙酮洗滌，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。通過單螺桿擠出機，按照甘油/大豆蛋白質質量比為4∶6的比例混合甘油和大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。擠出機螺桿轉速30rpm，單螺桿擠出機從進料口到擠出模口的三段溫度設置90、110和140℃。最后在140℃，20MPa下熱壓8min得到蒙脫土改性的大豆蛋白質塑料片材，編號為MS-3。
由電子拉力試驗機測得的塑料片材的拉伸強度(σb)、斷裂伸長率(εb)和楊氏模量(E)以及由紫外-可見光譜儀測得的在波長為300nm和800nm處的透光率匯集于附表1中。由表中數據可見，大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料具有良好的力學性能和光學選擇性，即可以屏蔽紫外光而且對白光有良好的透過性，其性能明顯優于未加蒙脫土的蛋白質塑料。
附表1大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的力學性能和透光性能
權利要求
1.一種大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料，其特征是它的基本組成為質量百分比為1～24wt％蒙脫土和76～99wt％大豆蛋白質。
2.根據權利要求1所述的大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料，其特征在于材料中添加有甘油，甘油質量/(甘油+大豆蛋白質質量)為25～40wt％。
3.權利要求1所述大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征在于采用如下步驟先將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，并按蒙脫土質量∶大豆蛋白質質量為1∶99至24∶76的比例將兩懸浮液攪拌混合，離心得到的粘稠狀黃色固體，用丙酮洗滌，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物。
4.根據權利要求3所述的大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征為在所得大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物中按照大豆蛋白質質量∶甘油質量為75∶25至60∶40的比例加入甘油，使其和大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物混合，并通過單螺桿擠出機混合，最后在120~150℃、5~25MPa下熱壓4～10min得到蒙脫土改性的大豆蛋白質塑料片材，即大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料。
5.根據權利要求3所述的大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征為其中配制的蒙脫土水溶液的濃度為1wt％至10wt％，大豆蛋白質水溶液的濃度為1wt％至8wt％；兩溶液混合進行溶液插層的溫度為20～80℃，時間為0.5～4h。
6.根據權利要求3所述的大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的制備方法，其特征為使甘油與大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物混合時，大豆蛋白質質量∶甘油質量為75∶25至60∶40，單螺桿擠出機的螺桿轉速在30~120rpm之間，單螺桿擠出機從進料口到擠出模口的三段溫度設置于60～100℃、90～120℃和110～140℃。
7.權利要求1所述的大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料的用途，其特征在于用于光學選擇和用作生物可降解材料。
全文摘要
本發明涉及一種大豆蛋白質/蒙脫土納米復合材料及其制備方法和用途，這種材料的基本組成為1～24wt％蒙脫土和76～99wt％大豆蛋白質，還可添加一定比例的甘油。其制備方法為按所需比例將蒙脫土與大豆蛋白質分別分散在水中，然后將兩懸浮液攪拌共混，干燥得到大豆蛋白質/蒙脫土納米復合物，加入一定量的甘油后通過擠出機混合，最后熱壓得到塑料片材。該材料不僅生產方法簡單、工藝環保，而且這種含蒙脫土的大豆蛋白質塑料具有良好的力學性能、熱性能、紫外光吸收和透過性能，與單純的甘油增塑大豆蛋白塑料相比，拉伸強度、楊氏模量、熱降解溫度都有顯著提高。因此該納米復合材料是一種具有發展潛力的新型可生物降解綠色材料，可用于光學選擇和用作生物可降解材料。
文檔編號C08K3/00GK1817967SQ200610018519
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月10日 優先權日2006年3月10日
發明者張俐娜, 陳譜 申請人:武漢大學