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小麦蛋白质的流变行为和力学性能研究

张其斌

   废弃塑料对环境造成的“白色污染”日益严重,已经危及人类健康、生存和可持续发展。生物可降解材料的研究、开发和产业化,成为21世纪的重要课题之一。由于来源丰富,小麦蛋白质作为可再生资源制备生物可降解的环境友好材料,成为新兴的备受关注课题。 本文以小麦谷朊粉(贮藏蛋白)为主要原料,制备谷朊粉/甘油、谷朊粉/淀粉/甘油、谷朊粉/富谷蛋白组分/甘油、谷朊粉/纤维素/甘油等蛋白质复合物,深入研究了增塑剂含量、模压温度、酸碱性、填料等对增塑小麦蛋白质或小麦蛋白质塑料(复合材料)的流变行为与力学性能的影响,并考察了碱性谷蛋白水性醇溶液的流变行为。 采用高温模压法制备了甘油增塑小麦蛋白质塑料。发现,增塑剂甘油显著影响蛋白质塑料的力学性能。随增塑剂含量增高断裂强度与杨氏模量降低,断裂伸长率增大。蛋白质塑料的吸水性主要取决于甘油含量,随增塑剂含量增高吸水平衡时间与平衡吸水率提高。 研究了酸、碱对小麦蛋白质塑料的流变行为与单/双轴力学性能的影响。结果表明,常温下,酸、碱均促进蛋白质交联反应,使储能模量(G )与损耗模量(G″)增大。与碱性试样相比较,酸性试样初期交联速率较高,tanδ随酸含量增大而降低,随碱含量增大而升高;特征松弛时间(τ_c)随酸含量增大而向短时区域移动,随碱含量增大而向长时区域移动,表明加入酸使体系弹性增大为主,加入碱使体系黏性增大为主。此外,还发现酸可略微提高80℃模压体系的杨氏模量(E_U)与断裂强度(σ_(br)),而碱可显著提高80℃模压体系E_U与σ_(br)。加入酸可降低110℃模压体系的交联密度,使E_U与σ_(br)略有降低,而含量低于1wt%的碱可显著提高使E_U与σ_(br);碱含量过大时,蛋白质降解导致E_U与σ_(br)减小。模压温度从80℃升到110℃,谷朊粉塑料E_U、σ_(br)与ε_(br)均所有提高。 采用热压法和冷压法制备了谷朊粉/淀粉/甘油塑料。结果表明,G 与G″均随淀粉含量增高而增大。复合体系在升温过程中出现橡胶平台,但淀粉仅起填料作用不发生凝胶化。淀粉的加入却使大应变下拉伸应力显著降低。另一方面,含水量显著影响复合材料的力学性能。过量水分在淀粉粒子与蛋白质网络间起着润滑作用,降低分子间作用力,致使其强度下降。 从谷朊粉分离得到富谷蛋白组分。研究了谷朊粉/富谷蛋白组/甘油共混体系的流变行为和力学性能。结果表明,随富谷蛋白组分含量增大,混体系G 、G″与E_B增大,tanδ降低,在低频区域逐渐出现“第二平台”,特征松弛时间(τ_c)缩短,且交联速率和交联密度均显著增大。含醇溶蛋白时,试样先后出现应变软化与应变硬化行为,而不含醇溶蛋白的试样未出现应变软化行为,在应变硬化行为过程中发生破裂。随富谷蛋白组分含量增加,高温模压试样E_U增大,σ_(br)与ε_(br)降低,表明醇溶蛋白对小麦蛋白质塑料大变形能力有着决定性作用。 采用热压法制备了谷朊粉/甲基纤维素/甘油复合材料料,研究了其流变行为与力学性能。结果表明,随纤维素含量增高,G 、G″、E_U与σ_(br)增大,tanδ与ε_(br)降低,玻璃化温度(T_g)升高,而随甲基纤维素含量增高,模压交联材料的G 与G″在低频区逐渐呈现“第二平台”,且tanδ出现峰值,表明纤维素-蛋白质相互作用使纤维素起到物理交联的作用。 用碱性乙醇溶液制备了谷蛋白溶液,其流变行为结果表明,48mgml~(-1)碱性谷蛋白溶液常温下呈现弱非牛顿流体行为,其零切黏度为η_0=0.0237Pa·s,无限剪切黏度η_∞=0.0125Pa·s,剪切变稀指数n=0.931。随浓度降低,溶液牛顿流体特性增强。热处理温度显著影响谷蛋白溶液的稳态流变特性。热处理温度从30℃升高至90℃时,溶液黏度降低,剪切变稀现象减弱。加入Na~+后,溶液黏度降低,剪切变稀现象减弱。Ca~(2+)显著影响谷蛋白溶液的稳态与动态流变特性。Ca~(2+)浓度为0.2M时,溶液黏度、屈服应力与低频区域的平台模量最大。……   
[关键词]:小麦蛋白质;流变行为;双轴拉伸力学性能;单轴拉伸力学性能
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2008年