聚β羟基丁酸酯（精选4篇）
聚β羟基丁酸酯 篇1
聚-β-羟基丁酸酯 (PHB) 是微生物在碳、氮营养失衡的情况下, 作为碳源和能源贮存而合成的热塑性聚酯, 在细胞内呈颗粒状存在。由于PHB具有相对较低的溶解性和相对较大的摩尔质量, 故可以在细菌胞内大量存储而不影响胞内外的渗透压。随着碳氮比的增加, 细胞内PHB的含量也会随之增加[1]。
1 PHB的特性
PHB是高度结晶的晶体成α螺旋结构, 熔点180℃, 结晶度的范围在55%~80%, 其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯 (PP) 很相似, 例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等, 而且还具有如下特点:密度大, 光学活性好, 透氧性低, 抗紫外线辐射强, 可生物降解, 生物组织相容性好, 压电性和抗凝血性好等, 广泛应用于医药、微电、生物化工等领域[2,3,4]。
1.1 具有良好的生物可降解性
生物可降解塑料就是一种在使用过程中能保持与不降解的通用塑料相似的力学强度和材料性能, 而使用后可以在自然环境中微生物的作用下, 经过一段时间被降解成CO2和H2O等无毒副产物的一种聚合物, 它在消费后能进入生态循环系统, 自然降解, 不留残毒。从环境保护和碳循环方面来看, PHB比其他降解材料具有环保优势, 具有优异的阻隔性能, 能有效地阻挡气体的侵入, 用作食品包装材料时, CO2和O2只能缓慢地扩散, 无需添加抗氧剂, 因而在食品包装领域具有较好的发展前景;PHB与其它无机填充物或化学合成材料相配合, 通过热处理或共聚可改变其结晶与非结晶结构, 使其抗冲击性和耐溶性得到改善, 获得机械性能优良的制品[5], 如直接用于脂肪族聚酯塑料, 与其它化合物共聚, 生产性能优良的塑料;与聚酰胺 (尼龙) 进行酯交换反应, 制得聚酰胺酯共聚物 (CPAE) ;与通用塑料 (PE、PP、PS、PVC) 共混, 制得生物崩坏型塑料等等[6]。另外, 通过PHB合金生产技术的研究, 将有可能生产可降解餐具, 替代目前使用的纸质餐具, 这既可减少白色污染, 又减少了对森林资源的破坏, 可以从根本上解决塑料废弃物污染环境的问题, 因此最为人们所看好, 其市场前景广阔[7]。
1.2 具有生物相容性
PHB可在人体内自然降解, 其最终降解产物为3-羟基丁酸, 在人体血液中是一种普通的代谢物, 不会给人体带来任何毒性作用。还具有无刺激性、无免疫原性、无热原反应等特点。PHB的这些性质使其成为生物医学中的应用性研究中的一种新的支架材料, 与生物组织并不产生免疫排异反应, 使其可以作为手术缝合线、外科棉绷带、骨折固定材料等[8]。
1.3 具有压电性
这种特性导致聚合物具有压电性, 可制成压力传感器、声学仪器和点火器等压电制品, 还可用作换能元件及固定板、骨折固定材料和骨骼加固材料等[9]。
1.4 PHB的单体手性碳
PHB应用的另一个重要领域是其单体的应用。它的每一个结构单元都有一个手性碳, 可用于色谱分析, 以分离光学异构体。水解后得到的β-羟基丁酸单元体可作为有机物合成的原料, 制备手性衍生物, 和常规药物相比, 手性药物更安全、有效、使用剂量也更小, 可被广泛用于化学药品合成的结构元件, 例如抗生素、维生素、芳香素和信息素等[10]。
2 PHB鉴定检测方法及其研究进展
1925年, 法国微生物学家Maurice Lemoigne在巨大芽孢杆菌中发现PHB[11]。通过不断的了解和研究, PHB的优良性能在许多领域中都具有明显的优势, 但由于生产成本高并没有被大规模的工业化生产, 因此, 我们仍需要对PHB进行更深入的研究。鉴定检测PHB是研究生产中的一个重要环节, 最早是通过染色法和重量分析法[12]来定性定量分析细胞内的PHB, 之后逐步发展到更为准确的光谱、色谱技术[13]如UV、IR、GC、HPLC。PHB的检测技术在不断地提高, 方法也在不断的创新和改进, 从而获得更加简单、安全、快速、有效的鉴定检测方法。
2.1 染色法
最早采用苏丹黑、尼罗蓝、尼罗红对PHB进行初步的定性分析, 是一种快速的检测胞内PHB的方法, 但由于染色的工作量大, 荧光反应不灵敏而限制了它的使用范围。染色法分为苏丹黑染色法、尼罗蓝玻片染色法、尼罗红玻片染色法、尼罗蓝平板染色法, 前三种方法需要对每一株菌落进行染色, 第四种方法是将尼罗蓝加入培养基中, 随着细菌的增长尼罗蓝能透过细胞壁和PHB发生特异性结合产生荧光反应, 在365 nm紫外灯下观察, 菌落呈橙色。
2010年, 薛林贵等[14]对产PHB菌株Bacillus P-9的三种筛选方法进行了比较研究, 结果表明苏丹黑染色法和尼罗蓝玻片染色法在筛选高产PHB的Bacillus P-9菌株中都可以使用。苏丹黑染色法操作步骤繁琐, 专一性差, 但所需的药品和试验设备比较便宜, 可以在大多数实验室中进行。尼罗蓝玻片染色法操作步骤简便, 专一性强, 灵敏度相对较强, 适合于对PHB产生菌进行初筛, 但所需的药品和试验设备比较昂贵;尼罗蓝平板染色法比较直观、简便、快速, 但对Bacillus P-9有毒性, 当尼罗蓝的浓度大于0.8μg/m L时会影响细胞的生长, 不适合于对Bacillus P-9菌株产PHB情况的判断。
2010年, 崔志芳等[15]首次采用尼罗蓝平板染色法结合苏丹黑染色初筛具有产PHB能力的细菌, 由于苏丹黑染色初筛的工作量大, 所以先通过尼罗蓝平板染色获得产PHB菌种, 再通过苏丹黑染色进行进一步验证, 既提高了结果的准确性又减少了工作量。
2.2 重量分析法
重量分析法是对最终获得的PHB进行定量计算。该方法是在1925年, 由M.lemoigne[11]创立的, 首先将PHB溶于热的氯仿, 然后通过抽提、离心、去掉其他细胞组分, 用醇类溶剂沉淀, 离心去上清液, 可以得到PHB。
2012年, Jimmy A等[16]对此方法进行了改进, 将离心后获得的细胞冷冻干燥后再用清水、丙酮、乙醇、乙醚各洗涤两次, 然后用氯仿进行索氏抽提24 h。含有PHB的氯仿溶液通过蒸发浓缩, 加入冰甲醇沉淀PHB, 最终通过离心分离出沉淀。改进后提高了沉淀中PHB的纯度。
但重量法测定时需要的活性污泥量大, 处理过程复杂, 影响因素较多, 所以重量分析法并不常用。
2.3 紫外分光光度法
紫外分光光度法是对PHB进行定量分析较常用的方法。1925年, Law[17]最早采用该方法法对PHB进行定量分析。首先将破壁后的干菌体溶解于热的氯仿中, 然后加热70℃以上除去氯仿, 最后加入浓硫酸100℃下加热10 min, 在235 nm处测OD值。
PHB和浓硫酸在100℃下加热可以定量地转化为巴豆酸 (反-2-丁烯酸) , 巴豆酸在235 nm处有一个最大吸收峰值, 而其他脂类在相同条件下的吸收峰值和PHB区别很大, 因此可以排除其他脂类的干扰, 且该方法绘制的标准曲线适用于所有产PHB的细胞。但该方法的缺点是样品处理过程繁琐, 耗时长, 并具有一定的危险性, 同时会受到一些非脂类物质干扰。
2007年, 李小玲等[20]采用次氯酸钠和氯仿混合液替代单一的氯仿溶液溶解干菌体, 次氯酸钠可以有效地溶解细胞壁, 释放出的PHB可以迅速的溶解到氯仿中, 防止PHB被次氯酸钠降解。最终确定次氯酸钠的百分数为13%, 反应温度为45℃, 反应时间为2.8 h, Na Cl O∶CHCl3 (V/V) 为1.3, PHB的提取率提高了25%。
由于氯仿极易挥发, 在光照下遇空气会被逐渐氧化生成剧毒的光气, 因此许多人对此方法进行了改进, 以降低危险性。2012年, 徐厚平等[18]结合周琴[19]的方法采用氯仿-乙醇 (V∶V=2∶1) 溶液溶解干菌体, 乙醇能和氯仿产生的光气发生反应, 从而大大地降低了毒性, 也为PHB的鉴定检测提供了一个更安全环保的方法。
2.4 高效液相色谱
高效液相色谱法是对PHB聚合物的聚合度、分子量及单体排列顺序等进行分析的方法。利用这一方法可制备不同分子量及聚合度的PHB纯品, 并为测定PHB分子量打下基础, 同时, 也可在PHB的降解机制研究中应用, 通过以不同聚合度的寡聚物为标准, 根据保留时间就可以测定聚合物的聚合度[21]。
2003年, 王海宾等[22]以己二酸作为内标物尝试用高效液相色谱对PHB进行定量分析, 通过多次试验确定H2SO4洗脱液浓度为0.5 mmol/L, 流速为0.8 m L/min, 紫外吸收波长为210 nm, 进样量20μL。在这种条件下, 出峰情况较为理想, 所需操作时间为50 min。2013年, 徐玉婷等[23]结合Martin Koller[24]的试验再次应用了该方法对PHB进行定性定量分析, 省略了内标物的添加。但该方法使用较少。
2.5 气相色谱
气相色谱法是对PHB进行定性和定量分析的最常用的方法。PHB能在浓硫酸的作用下解聚, 脱水成巴豆酸, 巴豆酸可进一步转化为巴豆酸甲酯, 从而进行气相色谱测定。
1988年, Comeau等[25]将最早的填充柱改为毛细管柱, 并且在样品酯化后又加入了1 m L蒸馏水用来除去酸和细胞碎片, 避免了溶剂峰对样品峰的影响。1999年, Fukai等[26]发现PHB可以在在微碱条件下不易降解, 之后Braunegg[26]发现在微酸条件下PHB可降解为3-羟基丁酸, 进一步甲酯化后即可通过气相色谱检出。2013年, G.Sathiyanarayanan[27]用氦气代替氮气作为载气定性分析PHB。由于氦气的气体粘度比氮气小, 传质阻力小, 因此柱效高, 所得的峰形更加理想。运用气相色谱检测PHB的技术越来越成熟, 虽然样品的酯化时间较长, 但样品分析速度快且需要的样品量少, 因此该方法常用于PHB的鉴定检测。
2.6 核磁共振
核磁共振法是通过对结构的分析对PHB进行定性。结合1H-MR和13C-NMR, 可以准确地区分出某一化合物或混合物中不同的结构单元及其摩尔比, 通过分析单体的结合方式, 确定是否为共聚物。根据单体中的各种官能团如C=O、CH、CH2、CH3吸收峰出现的位置鉴定是否为PHB, 通常C=O的峰值在169.16 ppm, CH在67.64 ppm, CH2在40.82 ppm, CH3在19.79 ppm[17]。
Huijberts等[28]在27℃, 125 Hz下扫描16514获得13C-NMR光谱, 脉冲时间为2 s。通过C=O、CH、CH2、CH3吸收峰频率的分析, 最终确定了PHB的产生。在近期的研究过程中, 核磁共振法经常用于PHB的结构分析。该方法在不破坏细胞的情况下就可以进行分析, 有利于对发酵时间的控制, 但仪器设备昂贵, 分析过程也比较复杂[29]。
2.7 傅里叶变换红外光谱法
傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 是通过各官能团的谱带位置对PHB进行定性和半定量分析。可在细胞水平上直接对细菌内PHB进行定性和半定量分析。是一种可进行无损检测的、快速准确地获得被分析物质结构信息的分子光谱技术[30]。
洪葵等[31]使用Perkin Elmer FT-IR红外光谱仪, DTGS检测器, 扫描32次, 扫描速度0.5 cm/s, 分辨率4 cm-1, 使用光束聚焦器, 检测PHB。根据PHB的特征基团C=O可以明显的跟其他细胞成分区分开来, 结果显示产PHB的细胞在1 180, 1 130, 1 100, 1 056和976 cm-1处有较强谱带, 在823及517 cm-1处有弱谱带;用固体平板的菌落或斜面菌苔以及发酵液直接检测, 也能得到同样的结果。因此, 该法可用于PHB菌种筛选和发酵过程的快速分析, 对合成特殊官能团PHB的研究尤其方。吴琼等[32]应用傅立叶变换红外快速无损检验技术进行PHB高分子研究, 并作为寻找能合成PHB的微生物菌种方法, 选育出一些可以在简单便宜的底物 (如废糖蜜、葡萄糖) 中合成出长链PHB和共混PHB的菌株。
此外仍有许多种方法如黏度法[33]、流式细胞光度法[34]、X射线法、电镜法、偏光显微镜法可以对PHB的结构、结晶形态进行分析[35,36]。
3 结语
随着对PHB研究的不断深入, 鉴定检测PHB的方法也更加简便、快捷、安全、有效。结合近期的研究成果, 尼罗蓝平板染色法结合苏丹黑染色法更适用于对产PHB菌种的初筛, 复筛的定性分析, 定量分析采用气相色谱法更加合适。但是, 在鉴定检测过程中, 仍然存在荧光反应不灵敏, 酯化时间较长等缺陷。
摘要：聚-β-羟基丁酸酯 (PHB) 是微生物在碳、氮营养失衡的情况下, 作为碳源和能源贮存而合成的热塑性聚酯。PHB生产的高分子材料具有低透氧性、生物可降解性和抗凝血性等独特性能, 使其广泛应用于医药、微电、生物化工等领域。本文对近期国内外PHB检测方法的研究现状及其特性进行了综述, 分析了其存在的问题及发展前景。
关键词：聚-β-羟基丁酸酯 (PHB) ,特性,鉴定,检测
聚β羟基丁酸酯 篇2
聚-β-羟基丁酸酯(PHB)是一种由细菌发酵产生的热塑性聚酯[9],具有良好的生物降解性和生物相容性。但其存在易结晶、疏水性强和降解时间长[10]等缺点。本研究设计用PHB改性PMLA,以期改善聚苹果酸的性能。以苯甲酸四乙铵为引发剂,通过阴离 子开环引 发β-苹果酸苄 基内酯(MLABe)和β-丁内酯 (BL)开环共聚,得到一定 分子量的P(MLABe-co-BL)共聚物,氢化苄基 后得到两 亲性的P(MLA-co-BL)共聚物,为后续作为药物载体和组织工程支架材料等生物医学研究和应用方面奠定基础。
1 实验
1.1 原料与仪器
硫酸、正己烷、氯仿、二氧六环、四氢呋喃、苯甲醇(分析纯),购自国药集团上海化学试剂有限公司。亚硝酸钠、溴化钠、氢氧化钠、无水硫酸 镁等购自 天津市登 封化学试 剂厂。苯甲酸四乙基铵参考文献[11]的方法,实验室自制。β-丁内酯[β-Butyrolactone]购自Sigma-Aldrich公司,为分析纯 试剂,实验前没有纯化处理。L-天冬氨酸购自上海楷洋生物技术有限公司;三氟乙酸酐购自济南万兴达化工有限公司,为分析纯试剂。采用FT-IR8400S红外光谱仪(日本岛津公司)对合成样品进行红外表征,分析条件为共聚物溶于氯仿,用毛细管吸入少量滴到KBr片上,挥干测定。采用核磁共振波谱仪(美国Bruker公司,400 MHz,1 H-NMR和13 C-NMR)确定合成样品的结构。采用凝胶渗透色谱仪(GPC美国Wa-ters公司AllianceGPCV-2000)测定样品的分子量,测定条件为单分散聚苯乙烯标定,35℃。采用差示扫描量热仪(DSC,法国SETARAM Instrumentation)测定合成样品的玻璃转化温度,测定条件为将50mg样品在氮气下以1℃/min从0℃加热到50℃测定。采用粒度分析仪(美国Beckman Coulter公司Delsa Nano C Particle Analyzer)测定样品的Zeta电位(mV),测试条件为样品溶于蒸 馏水中形 成1 mg/mL的溶液。
1.2 单体和共聚物的合成
1.2.1 β-苹果酸苄基内酯单体的合成
参考文献[12]的方法,以L-天冬氨酸为原料,经重氮化反应生成溴代丁二酸;将得到的溴代丁二酸溶于无水四氢呋喃中,在三氟乙酸酐的作用下脱水得到溴代丁二酸酐;再把得到的溴代丁二酸酐溶于无水四氢呋喃中,与苯甲醇45℃油浴反应12h;减压蒸馏除去溶剂后用2mol/L的氢氧化钠调节pH至7.2,加入与溶液相当量的二氯甲烷,45℃油浴反应24h,分离,水洗和硅胶柱(规格:3,粒度:300~400目的柱层层析硅胶填充)分离纯化得到纯度较高的β-苹果酸苄基内酯(图1),产率为39%±0.8%,1 H-NMR(400MHz,CDCl3):δ7.3~7.45 (5H),δ3.8~4.1、5.24 (2H),δ5.1~5.2(1H)。
1.2.2 聚-β-羟基丁酸酯(PHB)的合成
参考文献[13,14]的方法,按所需的单体与引发剂的物质的量比(M/I=1000)投料,先把引发剂苯甲酸四乙铵乙醇溶液(86mg/mL)加入到圆底烧瓶中,抽真空形成白色固体,保持真空状态,取一定量的BL加入到引发剂中,抽真空、充氮气重复3次抽走空气,充分混匀后,保持真空60℃下聚合;聚合完成后加入一定量的氯仿溶解,然后加入大量的正己烷沉降,真空干燥,得到苄基共聚物。
1.2.3 聚(β-苹果酸苄基酯-co-β-羟基丁酸酯)(P(MLABe-co-BL))的合成
同上,取一定比例的MLABe和BL加入到另一圆底烧瓶中,抽真空、充氮气重复3次抽走空气,充分混匀后,在氮气保护下用带长针头的注射器吸取注入到真空状态下的引发剂瓶中,再抽真空、通氮气重复3次后,保持真空60℃下聚合;聚合完成后加入一定量的氯仿溶解,然后加入大量的正己烷沉降,真空干燥,得到苄基共聚物(图2)。
1.2.4 P(MLABe-co-BL)的氢化
P(MLABe-co-BL)溶于二氧六环后,加入催化剂10%的钯-碳,常温常压搅拌下氢化脱苄基。反应12h后滤除钯-碳,浓缩滤液,用大量乙醚沉淀,得到两亲性共聚物P(MLA-co-BL),真空干燥(图2)。
2 结果与讨论
2.1 β-苹果酸苄基内酯单体的结构分析
图3(a)是β-苹果酸苄基内酯的1 H-NMR(CDCl3)图谱,其中,δ7.3~7.45(C6H5,5H)为苯环特征峰;δ5.24(CH2,2H)为苄基亚甲基峰;δ5.1~5.2(CH,1H)为内酯环中次甲基特征峰;δ3.6~4.1(CH2,2H)为内酯环中亚甲基峰。图3(b)是β-苹果酸苄基内酯的IR(KBr,cm-1)图谱,其中,1845cm-1处为内酯上的C=O特征伸缩振动峰,1743cm-1处为苄基酯上的C=O特征伸缩振动峰,1000~1300cm-1处为内酯中C-O-C的对称伸缩振动峰,与文献[12]的报道一致。
2.2 PHB聚合物的结构分析
本实验首次以苯甲酸四乙铵为引发剂引发BL开环聚合,采用FT-IR、1 H-NMR、13 C-NMR表征所得 聚合物PHB的化学结构(图4)。FT-IR(KBr,cm-1)图中,1740cm-1为C=O的特征伸缩振动峰,1186cm-1为C-O-C的特征伸缩振动峰。图4(a)是PHB的1 H-NMR(400 MHz,CDCl3)图谱,其中,δ5.07(CH,1H)为次甲基特征峰;δ2.1~2.5(CH2,2H)为亚甲基特征峰;δ1.1(CH3,3H)为甲基特征峰。图4(b)是PHB的13C-NMR(400 MHz,CDCl3)图谱,其中,δ78为溶剂CDCl3峰,4个主峰δ169、δ67.6、δ40.3和δ19.7分别对应羰基碳、次甲基碳、亚甲基碳和甲基碳的化学位移。
2.3 P(MLABe-co-BL)共聚物的聚合分析
由表1可知,聚合单体含量不同,聚合物组成有明显差别,分子量都在104以上。MLABe组分越多,聚合所需时间越短,数均分子量(Mn)和重均分子量(Mw)也逐渐增大(除c组外),表明MLABe的竞聚率可能比BL的大,反应初期形成PMLABe-PMLABe嵌段,在聚合过程中酯交换作用使各单元序列重新分布,可能形成渐变型嵌段共聚物向无规共聚物转化,最后趋向于无规共聚物,加入BL的比例越多,聚合时间就越长。图5中亚甲基、次甲基的变化也说明不同投料比聚合反应中聚合物各部分间的相互作用的变化结果。各组对比发现,当MLABe和BL的比例为75/25(物质的量比)时,聚合时间短且共聚产物分子量适中,分布宽度窄,优于文献[15]报道值。c组分子量比其他组都小、PDI较大,说明两组分投料比相当时形成的共聚物无规度最大,可能形成无规共聚物,但不易反应,聚合时间较长。
注:a:根据(nMLABe+nBL/n引 =1000,nMLABe/n总 +nBL/n总 =100%,V =m/ρ计算各物质加入的体积,ρMLABe=1.635g·mL-1,ρBL=1.056g·mL-1,MMLABe=206g·mol-1,MBL=86g·mol-1;b:聚合完成所需时间;c:GPC苯乙烯标定,THF为溶剂,35℃测定分子量和分子量分布宽度
图5是表1中各组的核磁共振氢谱。从图5中可以看出,δ7.26处氢谱吸收峰很强,是苯环和溶剂CDCl3的吸收峰,δ5.6(CH,1H)是共聚物链上次甲基特征峰,δ5.0(CH2,2H)是苄基上亚甲基峰,δ2.5~3.1(CH2,2H)是聚合物链上亚甲基峰,δ1.6(CH3,3H)是甲基特征峰,而图5(a)在1.6处没有氢化学位移,是因为MLABe和BL的比例为100/0(物质的量比),聚苹果酸苄基酯(PMLABe)不含甲基。图5(e)在δ7.26处有氢化学位移,认为是CHCl3的峰,因为MLABe和BL的比例为0/100(物质的量比),聚合形成PHB,不含苄基,在δ7.26处没有苯环峰。共聚后由于各组分间的相互作用,使得亚甲基裂分和位移有所影响,在不同组分中亚甲基的位置有很小的移动。
2.4 微观机理分析
Guillaume课题组以金属有机催化剂引发开环聚合,为阳离子引发机理[16],而本实验采用阴离子引发剂苯甲酸四乙铵,BL和MLABe发生阴离子开环聚合。聚合反应过程为:C6H5COO-对β-甲基的碳原子进行亲核进攻,发生烷-氧键开裂,阴离子增长链段和引发剂都是亲核试剂,在聚合反应中,它能不断地对β-内酯环进攻而发生开环(图6),一旦引发产生阴离子,就发生链增长,最后形成聚合物。
表1中c组PDI为1.43,大于其他任一组分,这一结果表明β-苹果酸苄基内酯与β-丁内酯共聚过程中酯交换反应剧烈。反应初期形成嵌段共聚物,酯交换作用使各单元序列重新分布,序列长度变短,没有达到完全无规化但趋向无规化,最终所得共聚物应 为无规化 共聚物。从共 聚物的羰 基13C-NMR峰(图7(a))可以看出聚合的渐变过程,从左往右分别为δ168.7(BL-BL)、δ168.3(BL-MLABe)、δ168.2(MLABe-BL)、δ168.1(MLABe-MLABe),表明此共聚物应为无规共聚,与文献 [15]报道一致。另 外,红外光谱 (图7(b))和示差扫描量热法(DSC)测试结果(图8)也支持这一结论,若红外光谱羰基裂分为两重峰和玻璃转化温度(Tg)为2个值,则说明为嵌段共聚物,但测试结果表明:FT-IR(KBr,cm-1)中羰基为1751.24cm-1无裂分,玻璃转化温度只有一个值,为Tg=27.9℃,因此红外中羰基峰的裂分情况和示差扫描量热法的测试结果也表明此共聚应为无规共聚。
2.5 两亲性共聚物的结构分析
图9 (a)为P(MLABe-co-BL)氢化苄基 后的1 H-NMR谱,其中,δ1.1(CH3,3H)为甲基特征峰,δ3.0(CH2,2H)为亚甲基特征峰,δ5.5(CH,1H)为次甲基特征峰,δ7.1(C6H5)处没有苯环的氢化学位移,说明苄基氢化后形成了羧基,生成了两亲性的共聚P(MLA-co-BL),此共聚物悬挂基团为羧基和甲基,因此相比PMLA,其亲水性降低。图9(b)为氢化前后两种共聚物的FT-IR谱,其中,1742~1747cm-1处为羰基的特征峰,P(MLABe-co-BL)谱图中位于700~800cm-1间的苯环上的C-H弯曲振动在P(MLA-co-BL)的红外谱图中已消失,说明P(MLABe-co-BL)上的苄基已被完全脱去。
共聚物P(MLABe-co-BL)的Zeta电位(表2)为-(4.94±0.0402)mV,比PMLA的-(28.07±0.0259)mV大得多。PMLA作为药物控释载体材料、组织工程材料等,在生物材料方面有广泛的应用,但本课题组前期的工作中发现其负电性太强,不利于入胞,本实验通过对PMLA的改性,能够很好地改善PMLA负电性太强的缺点,为后续载药入胞奠定基础。
3 结论
聚β羟基丁酸酯 篇3
生物可降解材料作为最可能解决塑料废弃物问题的途径而成为国内外研究的热点, 引发种种可降解塑料不断问世。脂肪族聚酯生物可降解材料由于其热塑性、生物可降解性、生物相容性和经济性等特点而受到广泛关注。但是单一的生物可降解聚合物在实际使用过程中总存在或多或少的缺陷。聚己内酯 (PCL) 是一种半结晶性聚合物, 具有优良的柔顺性、加工性和生物相容性, 但熔点较低, 耐热性差, 降解过程缓慢等制约了其应用范围[1,2,3,4,5]。聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) (P (3HB-co-4HB) ) 是聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 家族中的一员, 具有较好的生物降解性和生物相容性, 但存在热稳定性差和结晶速度慢等不足[6,7,8]。
随着纳米技术的发展, 无机纳米粒子由于界面效应强, 可以细化晶粒, 突破高分子基体的介电阈值与黏弹性, 特别是能够“在分子水平上”与基体树脂进行理想复合, 可显著增加聚合物的功能性, 在传统塑料改性方面获得了快速发展[9]。nano-SiO2是一种无毒、无味、无污染的无定形白色粉末, 其分子状态呈三维链状结构, 由于nano-SiO2表面具有大量的羟基, 可与聚酯分子链结构中的酯基形成氢键作用, 从而可影响聚合物材料的性质[10,11,12]。本实验利用异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂对nano-SiO2进行改性处理, 然后利用改性过的nano-SiO2对PCL/P (3HB-co-4HB) 基体进行熔融共混改性, 目的是在提高PCL/P (3HB-co-4HB) 基体刚性强度的基础上, 增加体系的韧性, 以扩大其应用范围。
1 实验
1.1 材料与试剂
PCL, 平均分子量为10万, 深圳市光华伟业实业有限公司;P (3HB-co-4HB) , 注塑级, 深圳市易生新材料有限公司;异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂, 商品牌号HY-201, 分子结构式如图1所示, 杭州杰西卡化工有限公司。
1.2 实验设备
双螺杆挤出机, SHJ-25, 南京富亚橡塑机械有限公司;动态力学分析仪 (DMA) , 美国TA公司;悬臂梁冲击试验机, UJ-40, 承德试验机厂;扫描电子显微镜, JEOL JSM-5610。
1.3 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2的制备
首先将nano-SiO2、PCL、PCL/P (3HB-co-4HB) 在80℃真空干燥箱中干燥24h, 然后称取5g nano-SiO2和钛酸酯偶联剂, 并按质量比5∶1进行调配, 得到改性nano-SiO2。再将PCL、P (3HB-co-4HB) 与改性nano-SiO2按照60/40/0、60/40/2、60/40/4、60/40/6、60/40/8的质量配比混合均匀, 经双螺杆挤出机熔融挤出, 制得PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2纳米复合材料, 经塑料注射成型机制备成试样。
1.4 测试与表征
依照GB/T1040-2006测试拉伸性能, 拉伸速率为3mm/min, 每组3个样, 取平均值;依照GB/T1843-2008标准测试悬臂梁冲击强度, 在UJ-40型悬臂梁冲击试验机上测试, 每组3个样, 冲击速率为5 m/s;在DMA上进行蠕变性能测试, 采用双悬臂模式, 测试温度为45℃, 应力105 Pa, 蠕变时间为20min;试样喷金后, 利用日本JSM-5610型扫描电子显微镜扫描, 观察冲击断面的表面形态及断裂行为;最后分别取1mg改性前后的样品加入KBr研磨制成压片, 在日本岛津FTIR-800S上测定红外光谱 (FIIR) 。
2 结果与讨论
2.1 nano-SiO2FTIR光谱分析
nano-SiO2和改性后nano-SiO2的FTIR光谱图见图2。图2 (a) 在3424cm-1处的宽峰是nano-SiO2表面羟基-OH反对称伸缩振动峰, 1638cm-1处有1个H-O-H弯曲振动峰, 955cm-1处为Si-OH弯曲振动伸缩峰, 1104cm-1处强而宽的吸收带是Si-O-Si反对称伸缩振动, 在815cm-1和453cm-1处的峰为Si-O对称伸缩振动和弯曲振动[8]。从改性后nano-SiO2的谱图 (图2 (b) ) 可以看出, 在2938cm-1处出现了较强的-CH3伸缩振动;1465cm-1处出现了C=O强伸缩振动峰, 1200cm-1处出现了C-O伸缩振动峰, 证明有酯基存在, 而453cm-1处的弯曲振动峰移动到了501cm-1处, 说明钛酸酯偶联剂与nano-SiO2表面发生了作用。
2.2 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料力学性能分析
从图3可以看出, 当nano-SiO2添加量达到4%时, 复合材料的抗冲击强度达到最大, 之后随着nano-SiO2含量的增加而减小。造成这种现象的原因可能是改性后的nano-SiO2表面极性下降, 表面自由能大大降低, 能通过钛酸酯偶联剂与PCL/P (3HB-co-4HB) 基体之间有一定的相互作用。有文献报道过nano-SiO2表面大量的羟基与聚酯分子结构中的酯基发生氢键的相互作用, 发生界面效应。也可能是改性后的nano-SiO2在聚合物基质中分散较均匀, 相容性较好, 起到了桥梁的作用, 使基体与粒子成为一个整体, 然后通过分子链传递能量并减缓应力集中, 并引发周围基体产生屈服而耗散冲击能量, 终止裂纹的扩散, 使复合材料体系韧性提高[7,8,9,10,11,12,13]。
表1列出了不同nano-SiO2含量下PCL/P (3HB-co-4HB) 复合材料的拉伸性能测试结果, 其中σ为抗拉强度, E为弹性模量, ε为断裂伸长率。由表1可以看出, 随着nanoSiO2含量的增加, 共混复合材料的抗拉强度、弹性模量和断裂伸长率呈先上升后下降的趋势, 其中当nano-SiO2为4%时达到最大;当nano-SiO2含量进一步增加至8%以上时, 可能由于大量nano-SiO2的加入会造成粒子产生一定的团聚, 不均匀地分散在材料基体中, 出现“海岛”现象, 基体分子链段间作用力干扰、无机粒子与基体的线胀系数间差异增大, 导致应力集中, 从而使复合材料的韧性和抗拉强度均有所下降, 冲击性能也有所下降[14]。
2.3 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料断面SEM分析
图4为改性nano-SiO2含量分别为0%、2%、4%、8%的复合材料试样冲击断面的SEM照片。
从图4 (a) 中可以明显看到, PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2共混复合体系的冲击断面表面形态为片层结构, 整体较为平滑, 并伴随有部分“拉丝”产生, 表明PCL/P (3HB-co-4HB) 共混体系的相容性不是很好, 但也还具有一定的韧性和强度。当添加2%的改性nano-SiO2后 (如图4 (b) 所示) , 复合材料的冲击断面的皱褶和拉丝现象明显增多, 表面nano-SiO2能较好地融入聚合物基体中, 当复合材料受到外力冲击时, 具有更好的韧性和强度。当改性nanoSiO2添加量为4%时 (如图4 (c) 所示) , 可以看到“拉丝”增多并有“韧窝”产生, 体现出较多的韧性断裂特征, 表明复合体系的相容性明显改善, 韧性进一步增强。当改性nano-SiO2加入量达到8%后 (如图4 (d) 所示) , 基体表面附有大量的nano-SiO2粒子, 产生团聚、分散不均匀现象, 与前述力学分析结论吻合。由此可见, 添加适量的改性nano-SiO2能在一定程度上提高PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的韧性和强度, 但随着改性nano-SiO2含量的增加, 复合体系的韧性先提高后降低, 与冲击强度实验的结果相对应。
2.4 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料蠕变分析
蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用下, 材料的形变随时间延长而逐渐增大的现象, 能反映出材料的尺寸稳定性和长期负载能力, 在生产研究和实际应用中具有重要的参考价值[9,10,11,12,13,14,15]。影响蠕变的外界条件主要有温度和外力两个因素, 温度越高, 聚合物的蠕变越明显, 这是因为伴随着温度的升高, 聚合物的分子热运动能力提高、自由体积增大, 聚合物分子链的松弛时间缩短;同样外力越大, 蠕变随着外力的增大而急剧增大, 甚至可能发生蠕变断裂, 这是因为在外力作用下, 聚合物分子之间的运动位垒降低, 缩短了分子运动的松弛时间, 从而加剧蠕变[16,17,18]。
为了观察到比较明显的蠕变现象, 图5列出了添加不同含量改性nano-SiO2后复合材料的蠕变曲线。由图5可见, 在前5min, 复合材料的蠕变速率迅速增大, 之后复合材料的蠕变速率减小, 进入减速蠕变阶段;10min后蠕变速率变化很小, 应变基本呈线性增加, 进入稳态蠕变阶段, 直至蠕变趋于平衡状态。随着加入改性nano-SiO2含量的提高, 复合材料的应变先明显减小然后增大, 最大应变由最初的1.53%降低到1.08%左右, 一方面可能是由于改性nano-SiO2的加入增强了PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的强度, 提高了复合材料体系的抗形变能力;另一方面可能是由于改性nano-SiO2的加入在复合材料体系中起到了成核剂作用, 提高了P (3HB-co-4HB) 的结晶效率, 有助于维持材料的形状。当nano-SiO2加入量为4%时, 基体的应变先是快速增大, 然后逐渐趋于稳定, 最大应变仅为1.08%, 这可能是因为适量偶联剂的加入使nano-SiO2分布均匀, 并与PCL/P (3HB-co-4HB) 基体形成稳定的网络结构, 使样品稳定性增强。但随着偶联剂的增多, 蠕变现象加剧, 影响样品的尺寸稳定性。
3 结论
异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂改性后nano-SiO2的FT-IR光谱分析图中吸收峰的变化表明钛酸酯偶联剂与nano-SiO2发生了强烈的键合作用;nano-SiO2的加入对PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的表面结构、力学性能等产生了较大影响。随着改性nano-SiO2含量的增加, 共混复合材料的力学性能有一定程度的提高, 当改性nano-SiO2的含量达到4%时, 缺口冲击强度达到最大, 拉伸强度较大, 同时还兼有较高的韧性;从SEM图中可以看出, 适量添加的改性nano-SiO2可以均匀地分散在基体树脂中, 增强了复合材料的韧性;当改性nano-SiO2添加量达到8%时, 会产生纳米粒子团聚现象, 共混复合材料的抗冲击强度、拉伸强度和韧性反而下降。
摘要：利用异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂改性纳米二氧化硅, 采用熔融共混挤出法制备聚己内酯 (PCL) /聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) (P (3HB-co-4HB) ) /改性纳米二氧化硅 (nano-SiO2) 复合降解材料;利用红外光谱 (FIIR) 、万能拉力机、扫描电镜 (SEM) 、动态力学分析仪 (DMA) 等研究了改性nano-SiO2对复合材料的表面结构、力学性能等性能的影响。结果表明:改性nano-SiO2含量为4%时, 复合降解材料的力学性能有明显的改善;少量添加的改性nano-SiO2可以均匀分散在PCL/P (3HB-co-4HB) 基体树脂中, 但当加入量过大时, 容易发生团聚现象。
关键词：聚己内酯,聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) ,纳米二氧化硅,结构与性能,共混
参考文献
聚β羟基丁酸酯 篇4
关键词：P (3HB-co-4HB) ,结晶形态,增塑剂,力学性能
聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 是通过发酵技术获得的脂肪族聚酯, 它不仅具有与通用塑料聚丙烯相似的物理特性, 还具有生物降解性和生物相容性, 无论是在医学上作长效药物缓释载体, 还是在环保方面替代非降解塑料减少环境污染, 都有广阔的应用前景[1]。
生物合成法制备的聚3-羟基丁酸酯 (PHB) 是一种手性高分子材料, 其分子结构具有高度的规整性, 可以在一定的结晶温度范围内长成环带球晶, 而且其消光花样十分清晰[2], 徐军等[3,4]研究PHB环带球晶形貌时, 还观察到球晶上消光环带和同心环线共存。随着P (3HB-co-4HB) 合成成本的降低, 它的应用引起人们的关注。因此, 对其球晶形态以及影响其结晶性能、力学性能因素等问题进行深入的研究是有实际意义的。
本文采用溶剂成膜法制备P (3HB-co-4HB) 薄膜样品, 选取3种不同的增塑剂 (DOP、甘油、环氧大豆油) , 通过偏光显微镜观察球晶形态及生长过程。研究温度、增塑剂等对样品结晶性能的影响。通过电子拉力机研究增塑剂对其力学性能的影响。
1 实验部分
(1) 实验原料P (3HB-co-4HB) (4HB摩尔含量为5%) 天津国韵生物科技有限公司;氯仿 (分析纯) 天津市北方天医化学试剂厂;无水乙醇 (分析纯) 天津市江天化工技术有限公司;增塑剂DOP、甘油、环氧大豆油 (ESO) 均为市售。
(2) 实验仪器偏光显微镜 (附带数码相机) XPR-500D上海蔡康光学仪器有限公司;电子拉力试验机ZWK1320-2新三思材料检测仪器有限公司;电磁平板硫化仪XLB-DC株洲时代机电设备有限公司;45吨成型压力机SL-45国营青岛化工机械厂;电热真空干燥箱DZG-403天津市天宇实验仪器公司。
(3) 原料的提纯及样品的制备 (1) 原料提纯。将P (3HB-co-4HB) -5分别溶解于三氯甲烷和无水乙醇中, 经过搅拌, 除去有机杂质。再将样品溶于氯仿溶剂中, 电磁搅拌2-3h, 待聚合物完全溶解后, 倒至培养皿中, 放置1-2d, 溶剂挥发成膜。 (2) 样品的制备。采用熔融模压法在150℃下, 将P (3HB-co-4HB) -5样品置于45吨成型压力机上预热3min, 加压力120MPa, 在此压力下5min, 然后在25吨平板硫化仪上冷压3min后取出, 制得厚度为1mm的片材。
2 测试与表征
(1) 偏光显微镜 (POM) 分析采用偏光显微镜, 将纯的以及添加增塑剂的P (3HB-co-4HB) -5样品置于盖玻片 (上下两层) 内, 加热至190℃, 停留2min, 迅速放到指定结晶温度进行等温结晶, 结晶2h取样, 观察结晶速率及形态。
(2) 力学性能的测试将被测样品在恒温恒湿箱存放24h后进行力学性能测试。用电子拉力机参照GB/T1040-1992测定拉伸强度, 形变速率为50mm/min。
3 结果与讨论
3.1 结晶温度对结晶形态的影响
P (3HB-co-4HB) -5呈现明显球晶, 球晶中存在明暗相间的消光环带和同心环线。同心环线只出现在较高温度, 结晶温度低时消失。
3.2 增塑剂对结晶形态的影响
如图1所示, 加入增塑剂后, 球晶尺寸变小, 晶界面不明显, 其中ESO效果最好。这是由于DOP和ESO与P (3HB-co-4HB) 的结构相似, 可产生溶剂化作用和增大分子间距的两种作用, 既能插入到聚合物的无定形区域, 又能插入结晶区域, 使得球晶间界面消失, 晶粒尺寸减小。而甘油与P (3HB-co-4HB) 相容性较差, 只能插入到聚合物的无定形区域, 虽然有效降低了球晶尺寸, 但球晶界面清晰。
3.3 增塑剂种类对力学性能的影响
加入10wt%不同增塑剂对P (3HB-co-4HB) -5断裂伸长率和拉伸强度的影响见下表。从表中发现, 不同增塑剂均可使断裂伸长率增加, 其中DOP效果最大。拉伸强度随增塑剂的加入而降低, 其中ESO最明显。这可能是由于ESO作为优良的增塑剂, 相当于溶剂作用, 导致大分子间距增加, 作用力明显减弱, 拉伸强度下降。
3.4 增塑剂含量对力学性能的影响
如图所示, 拉伸强度随增塑剂的增加总体下降趋势, 而断裂伸长率则随增塑剂含量的增加而提高。
ESO和甘油能明显降低拉伸强度, ESO的效果比较明显。比较曲线可以发现, 甘油使拉伸强度下降的趋势是先缓慢后加快, 再变缓慢;ESO则与甘油相反, 两曲线的转折点均是5wt%和10wt%, 这说明, 增塑剂可降低聚合物的拉伸强度。
增塑剂可以提高聚合物的断裂伸长率, 不同增塑剂的效果不同。DOP比ESO和甘油的增幅效果要好, ESO效果最不明显。这是因为, 增塑剂的加入一方面降低了聚合物的结晶度, 有利于提高韧性;另外由于增塑剂的加入, 可部分削弱聚合物的分子间力, 在拉伸过程中, 分子链的柔顺性得以发挥, 拉伸强度降低, 而断裂伸长率提高。
4 结语
(1) P (3HB-co-4HB) -5的球晶存在消光环带和同心环线共存的现象, 消光环环间距随着结晶温度升高而增大, 当温度升高到一定程度, 环带变得不规整。
(2) 增塑剂DOP、ESO、甘油的加入 (10wt%) 使聚合物球晶尺寸变小, 消光环带消失, 断裂伸长率增大, 拉伸强度下降, 其中加入DOP后断裂伸长率最大, 拉伸强度降低的最小, 效果较好。随着增塑剂含量的增加, 断裂伸长率增大, 而拉伸强度降低。
参考文献
[1]张素蕴, 丛川波, 徐日炜等. (3-羟基丁酸酯) - (4-羟基丁酸酯) 共聚物的物理性能[J].北京化工大学学报, 2007, 34 (2) :84-87.
[2]张雪勤, 杨琥, 王治流等.高聚物环带球晶的研究进展[J].高分子通报, 2006, (2) :1-9.
[3]徐军, 郭宝华, 张增民等.聚羟基丁酸酯环带球晶的形貌研究[J].高等学校化学学报.2002, 26:1216.