据粗略估计,我国每年家禽加工业以及羽绒制造业所产生的羽毛副产物在100万t以上,这些副产物中的角蛋白含量高达80%~90%［１］。令人遗憾的是,这笔丰富的可再生蛋白质资源常常被人们忽略而当作垃圾处理。如果这笔角蛋白资源在通过接枝聚合改性后用作热塑性材料,既可获得大量具有较高附加值的改性角蛋白塑料,又可避免传统方法中焚烧或填埋羽毛废弃物时给环境带来的破坏［２］。

目前,材料学界已有人将羽毛蛋白原料的百富策略白菜网范围扩展至热塑性高分子领域,但主要都是将羽毛或羽毛蛋白同大量的增塑剂(如甘油、山梨醇)通过物理共混热压而成［３］。需指出的是,通过与大量的增塑剂混合,虽可以制得热塑性较好的羽毛膜材,但该膜材存在的普遍问题是伸长有余,强度不足。 同时在热塑性材料的使用过程中,原本通过机械外力作用混入羽毛中的增塑剂小分子会随着时间的推移逐渐从材料内部渗透出来,这种增塑剂与膜材基质两相分离的现象会给羽毛膜材的使用性能带来不利影响,尤其会降低膜材的韧性。

为解决与增塑剂物理共混所产生的问题,我们在前期研究中［４］采用接枝聚合的方法对羽毛蛋白进行化学改性,将甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体接枝到羽毛角蛋白的分子链上,制备出具有热塑性的接枝改性羽毛蛋白材料,降低了制备热塑性羽毛蛋白时增塑剂的用量,提高了热塑性羽毛蛋白材料的使用性能。然而,到目前为止,在对羽毛蛋白进行接枝改性过程中的一些基本问题尚需要进一步研究探讨。如在进行接枝聚合反应时,乙烯基单体种类的选择问题等。本研究将不同种类的丙烯酸酯单体接枝到天然羽毛角蛋白的分子链上,制备出具有不同结构接枝支链的改性羽毛角蛋白产品,对改性羽毛角蛋白的分子结构与其熔融性能、共聚物膜材的拉伸性能之间的联系进行了研究,以期解决天然羽毛蛋白热塑性能较差、使用范围狭窄的问题,扩大生物基塑料的原料来源。

天然羽毛角蛋白,实验室碱水解法自制;过硫酸钾、亚硫酸氢钠、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、丙烯酸丁酯(BA),均为分析纯。

取5g天然羽毛角蛋白粉置于四颈烧瓶中,加入适量蒸馏水。将四颈烧瓶放置于恒温水浴锅中。使用机械搅拌器将角蛋白悬浊液搅拌均匀,当烧瓶内温度达到60℃时,向瓶内滴加醋酸溶液以调节pH值到3.5左右。此时,向瓶内通入氮气30min以上,将空气完全排出。在氮气环境下用3个滴液漏斗分别向烧瓶中同时滴加氧化剂K２S２O８溶液,还原剂NaHSO３溶液以及丙烯酸酯接枝单体,控制总浴比为1∶7,整个反应体系中K２S２O８浓度为0.078mol/L,K２S２O８与NaHSO３的摩尔比为2∶3,丙烯酸酯接枝单体浓度为40%(w/w,丙烯酸酯/羽毛角蛋白)。在氮气保护下反应3.5h后,加入4%的终止剂对苯二酚(w/w,对苯二酚/羽毛角蛋白),关闭氮气,继续搅拌15min。接枝完成后,将接枝角蛋白悬浊液抽滤,冷冻干燥后装袋储存。

滤液中残留单体含量的测定原理、操作及计算方法参见文献[4]。

精确称取约5g接枝产物,用滤纸包好置于索氏抽提器中,用丙酮抽提24h,将萃取后的剩余物烘干至恒重,准确称量,并计算均聚物含量。

单体转化率是指转化成聚合物的单体量占投入单体总量的质量百分率;接枝率是表示接枝到羽毛蛋白分子链上的合成聚合物与羽毛蛋白的质量百分比,其计算方法如公式(1)和(2)所示。

向已经去除均聚物的接枝角蛋白粉末中混入20%(wt,质量分数,下同)的甘油作为增塑剂。将大约10g的接枝角蛋白样品用铝箔纸包覆,在平板硫化机上热压成膜,热压温度为130℃,压强为10MPa,时间为150s。

将接枝角蛋白膜置于20℃,相对湿度65%的环境中平衡24h,再分别裁成条状(80mm×15mm),每种角蛋白膜条状试样数量为10根。用游标卡尺测出每根试样的厚度,使用万能强力仪对样品的最大拉伸断裂强力及伸长率进行测试(拉伸速度100mm/min,夹持距离50mm)。

所制备角蛋白试样的熔融峰由DSC扫描获取而得,测试仪器为德国Netzsch公司生产的DSC 200F3差热扫描仪。测试前样品均已冷冻干燥至绝干,整个测试过程在氮气保护下进行,升温范围40~180℃,升温速率20℃/min。

利用核磁共振的H谱对角蛋白进行结构表征,用以验证聚丙烯酸酯支链是否被成功接枝到羽毛角蛋白的分子链上。 测试仪器为瑞士Bruker公司制造的AVAMCE Ⅲ 400MHz核磁共振波谱仪,溶解角蛋白的有机溶剂为DMSO,角蛋白试样浓度为5%。

图1(a)和图1(b)分别为天然羽毛角蛋白和接枝BMA的改性羽毛角蛋白的１ H-NMR谱图。同图1(a)对比可知,除了原有的化学位移峰仍然存在之外,图1(b)中在约4.0ppm处出现了一个新的化学位移峰,此峰对应的正是丁酯(—COOC４H９)上的质子峰,这与Yao等［５］的研究结果相一致。接枝羽毛角蛋白谱图中新质子峰的出现证明了PBMA支链已被接枝到羽毛角蛋白的分子链上。

图2为天然羽毛角蛋白和接枝不同丙烯酸酯单体的改性羽毛角蛋白的DSC热分析谱图。由图可知,天然羽毛角蛋白未出现熔融峰,说明其热塑性很差,而接枝了丙烯酸酯的改性羽毛角蛋白均出现了明显的熔融峰,这与我们前期研究中得到的结论［４］相吻合,证明在羽毛角蛋白上接枝丙烯酸酯单体是赋予羽毛角蛋白热塑性的有效方法。其中,接枝MMA、 EMA和BMA的改性角蛋白的熔点十分接近,均在130℃ 附近,而接枝了BA的改性角蛋白的熔点约为105℃。可见,α-甲基的存在有利于提高接枝羽毛角蛋白的熔点。其原因在于, 丙烯酸酯类单体在酯基相同的情况下,α-甲基的引入会使丙烯酸酯分子链节运动空间障碍明显增大,使其聚合物形成短小分支,分子链的刚性增加,熔融熵减小,从而熔点得以升高［６］。

图3显示了丙烯酸酯单体结构对改性羽毛角蛋白接枝率和单体转化率的影响。随着丙烯酸酯酯基碳链长度的增加, 接枝角蛋白的接枝率和单体转化率均呈现逐步下降的趋势。 同时,丙烯酸酯分子链上α-甲基的引入也会降低接枝角蛋白的接枝参数。

丙烯酸酯酯基的碳链长度越大,其空间位阻效应越显著, 因此接枝到羽毛角蛋白分子链上形成支链的难度也越大,接枝率随之降低。单体转化率是指接枝支链与均聚物的质量之和与投入单体总质量的百分比。丙烯酸酯单体进行均聚反应的能力基本相同,因此在均聚物生成量相近的情况下,接枝率越低,丙烯酸酯的单体转化率也就越低。同理,在酯基相同的情况下,MMA的接枝参数要比相应的丙烯酸酯低。

图4反映了丙烯酸酯单体结构对热塑性接枝羽毛角蛋白膜材拉伸断裂强度的影响。天然羽毛角蛋白因热塑性很差, 故在热压条件下,蛋白质会发生热裂解而无法成膜;接枝改性赋予了羽毛角蛋白良好的热塑性,故接枝羽毛角蛋白可以形成具有不同力学性能的生物基塑料膜。随着丙烯酸酯酯基碳链长度的增加,角蛋白膜的断裂强度呈现逐步增加的趋势,而丙烯酸酯分子链上α-甲基的引入亦可提高接枝角蛋白膜的拉伸断裂强度。

如图3所示,在接枝单体浓度相等的情况下,改性角蛋白的接枝率随丙烯酸酯单体酯基碳链长度的增加呈现逐步降低的趋势,如MMA的接枝率比BMA高出了14%。换言之,丙烯酸酯酯基的碳链越短,改性角蛋白接枝支链的量越大,共聚物分子链支化程度越高,分子间的距离会增加,分子间的作用力会减小,因而共聚物的拉伸断裂强度会降低［６］。从图4可以看出,就拉伸断裂强度而言,BMA>EMA>MMA。

一般而言,在丙烯酸酯分子侧基上引入α-甲基会使聚合物形成短小分支,减少大分子的柔顺性,提高其刚性,故接枝BMA的改性角蛋白膜的拉伸断裂强度高于接枝BA的改性角蛋白膜。此外,本研究在制备角蛋白膜时采用的热压温度均为130℃,与接枝了MMA、EMA、BMA的改性角蛋白的熔点相近,但却比接枝BA的改性角蛋白的熔点高了约20℃,这可能导致热压成膜时部分改性角蛋白大分子发生降解,从而降低接枝BA的改性角蛋白膜的拉伸断裂强度。

图5描绘了丙烯酸酯单体结构对热塑性接枝羽毛角蛋白膜断裂伸长率的影响。随着丙烯酸酯酯基碳链长度的增加,角蛋白膜的伸长率开始未出现明显变化,而后出现较大幅度的提高。

前文已阐明,丙烯酸酯酯基的碳链越长,改性羽毛角蛋白的接枝率越低,共聚物分子链支化程度就越低。支化度的降低,一方面提高了共聚物的拉伸断裂强度,另一方面增大了分子链间的作用力,减弱了链段运动能力,不利于提高共聚物的延伸度。然而,观察图5可知,EMA的断裂伸长几乎等同于MMA,并未出现下降。其原因在于丙烯酸酯酯基中的烷基(如甲基、乙基、丁基)都是非极性基团,柔顺性强,呈线型伸展。这些酯类聚合物的玻璃化温度会随着酯基碳链的增长而降低,分子链段运动能力随之增强,有利于提高聚合物的延伸度［７］。因此,当酯基的长度增加不大时,丙烯酸酯酯基中烷基柔顺性的提高给角蛋白膜延伸度带来的有利影响会被支化度降低带来的不利影响所抵消。当酯基增加到一定的长度时(如烷基为丁基时),酯基中烷基柔顺性的提高给膜材断裂伸长带来的有利影响将会逐渐占据主导作用,故接枝BMA的改性角蛋白膜的断裂伸长率显著高于接枝EMA的改性角蛋白膜。

此外,如前文所述,在丙烯酸酯分子侧基上引入α-甲基会提高聚合物的刚性,一定程度上会降低共聚物膜材的延伸度。 然而,因制膜时热压温度比接枝BA的改性角蛋白的熔点高, 导致热压成膜时部分角蛋白发生降解,所制备的蛋白膜变得较脆硬,这就使得接枝BA的改性角蛋白膜的断裂伸长率反而低于接枝BMA的改性角蛋白膜。

(1)将丙烯酸酯单体与羽毛角蛋白进行接枝聚合反应是赋予角蛋白热塑性的有效方法之一,丙烯酸酯单体侧基上α-甲基的引入会显著提高羽毛角蛋白-丙烯酸酯接枝共聚物的熔点。

(2)随着丙烯酸酯单体酯基碳链长度的增加,改性羽毛角蛋白的接枝率逐渐降低,且丙烯酸酯单体侧基上α-甲基的存在会使羽毛角蛋白的接枝率下降。

(3)在接枝改性的过程中,当单体浓度一定时,丙烯酸酯单体酯基碳链长度的适当增加能够提升热塑性接枝羽毛角蛋白膜的拉伸断裂强度及伸长率,而侧基上α-甲基的存在能够提高改性角蛋白膜的断裂强度。综合考虑所选羽毛角蛋白-丙烯酸酯接枝共聚物的热学及拉伸断裂性能,选择BMA作为接枝单体较为适宜。