CN100532461C - 谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法。谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料，其特征在于，它包含谷朊粉100重量份、纳米二氧化硅粒子2～20重量份、甘油5～43重量份。其制备方法是，以谷朊粉的氨水溶液为介质，加正硅酸乙酯，水解生成纳米二氧化硅粒子，加入甘油增塑剂，干燥后模压成型，获得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料。本发明所涉及的主要原料谷朊粉属于可再生农业资源，为小麦淀粉工业加工副产品，来源广泛。本发明所涉及的谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的制备方法与工艺流程简单，制备过程不产生有毒有害物质，易于推广实施，在可降解蛋白质塑料及其复合材料领域具有广阔的应用前景。

Description

谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法。

背景技术

当前世界塑料总产量超过1.7亿吨，已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各个领域。随着石油资源的日益紧缺以及合成高分子材料所造成的环境污染的日益严重，以可再生、可降解植物资源作为化工原料制备环境友好的生物降解塑料或可食性包装膜材料，在学术界和工业界受到高度重视，已成为高分子材料科学与加工工程的前沿领域之一。小麦储藏蛋白含有40～50％的醇溶蛋白与35～45％的谷蛋白，具有优良的成膜与可塑性加工特性。小麦储藏蛋白的工业品为谷朊粉(蛋白质含量70～85％)，全球产量约50万吨/年，平均价格8.4万元/吨，生物降解塑料与新复合材料方面极具发展潜力。

谷物蛋白质是淀粉工业的副产品，目前主要用作饲料添加剂，部分用于食品改良剂或生产风味肽、氨基酸。采用谷物蛋白质制备可降解塑料是提高其附加值、缓解白色污染的有效途径之一。谷物蛋白质塑料的力学性能较差，需经紫外辐照、γ-射线辐照、酶处理或化学交联等来提高材料的刚性、耐热性与耐水性。纳米粒子填充改性是提高蛋白质材料力学性能的另一途径。如中国专利申请号200610018534.2“大豆蛋白纳米复合塑料及其制备方法”公开了采用纳米二氧化硅与大豆蛋白复合，提高大豆蛋白塑料力学性能的方法，将大豆蛋白与二氧化硅分散于水中，冷冻干燥后在密炼机中与甘油混合，然后模压成型。中国专利申请号200610018518.3“大豆蛋白质/氢氧化铝纳米复合材料及其制备方法和用途”公开了采用纳米氢氧化铝提高大豆蛋白质材料强度与刚性的方法，将大豆蛋白质分散于氯化铝水溶液中，采用氨水与氯化铝反应形成凝胶状复合物，经干燥后得到可挤出加工的大豆蛋白质/氢氧化铝纳米复合物。然而，小麦蛋白质含有粘性醇溶蛋白与巨大分子量的谷蛋白，一旦水化即形成高粘性的胶团状物，即使在浓度较低的情况下也很难形成稳定的蛋白质悬浮液。因而，采用悬液法制备谷类蛋白质纳米复合材料时，难以保证纳米粒子在复合材料中的均匀分散。

发明内容

本发明的目的是提供一种谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法。

谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的组成为谷朊粉100重量份、纳米二氧化硅粒子2～20重量份、甘油5～43重量份。

谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的制备方法：在搅拌条件下，首先将正硅酸乙酯加入到重量百分比浓度为5～10％的谷朊粉和重量百分比浓度为10～20％的氨的水溶液中进行反应，反应温度为30～60℃，反应时间为1～3h，正硅酸乙酯重量为谷朊粉重量的7～69％，然后加入甘油，甘油重量为谷朊粉重量的5～43％，浇注于塑料板上，在30～60℃温度下干燥3～5天，在80～140℃温度下热压10～30min，得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料。

本发明的优点是：

1)以谷朊粉的氨水溶液为反应介质，使正硅酸乙酯在氨水的催化下水解而生成纳米二氧化硅粒子，由于二氧化硅粒子表面的羟基呈负电荷或弱酸性，与蛋白质胺基间存在静电或氢键相互作用，可将蛋白质分子吸附到二氧化硅粒子表面，有效抑制了二氧化硅粒子的团聚；

2)正硅酸乙酯水解副产物是乙醇，乙醇与水可在30～60℃干燥而挥发，无需特别除去。

具体实施方式

谷朊粉也称活性小麦面筋，是以小麦面粉为原料深加工提取的一种天然植物蛋白质。合适的谷朊粉可以从蛋白质含量≥75％(干基)的商业产品中选择，如可从上海旺味食品有限公司购买谷朊粉。

本发明采用氨水溶解谷类蛋白质，配制高浓度的蛋白质溶液；以谷朊粉溶液为反应介质，滴加正硅酸乙酯乙醇溶液，原位水解制备纳米级纳米二氧化硅粒子，并生成乙醇副产物。乙醇与水可在30～60℃干燥除去，将溶液浇注在塑料板上的目的是加速乙醇与水的挥发。甘油可直接加入溶液中。可以将干燥后的膜直接模压成型，获得薄膜状的谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料；也可以将干燥后的膜剪碎，置于模具中压制成不同形状的制品。

以下结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1：

1)称取10g谷朊粉加入90g浓度为10％的氨水中，配成蛋白质浓度为10％的溶液；

2)称取10g正硅酸乙酯加入90g无水乙醇中，配成正硅酸乙酯浓度为10％的溶液；

3)在搅拌条件下，将7g步骤2)所得正硅酸乙酯溶液加入步骤1)所得谷朊粉溶液中，在60℃反应1h，加入4.3g甘油，将溶液浇注于聚苯乙烯板上在60℃干燥3天，得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合物；

4)将步骤3)所得膜剪碎，置于GB/T1040-92塑料拉伸性能测试标准模具中，采用平板硫化机在140℃与5MPa压力下热压10min，冷却、脱模后获得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料。

实施例2～5：

浓度为10％的正硅酸乙酯乙醇溶液的用量分别为14g、21g、28g、35g，其余条件同实施例1。

实施例6：

1)称取10g谷朊粉加入90g浓度为20％的氨水中，配成蛋白质浓度为5％的溶液；

2)称取6.9g正硅酸乙酯加入27.6g无水乙醇中，配成正硅酸乙酯浓度为20％的溶液；

3)在搅拌条件下，将步骤2)所得正硅酸乙酯溶液加入步骤1)所得谷朊粉溶液中，滴加完毕后在30℃反应3h，加入0.5g甘油，将溶液浇注于聚乙烯板上在30℃干燥5天，得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合物；

4)将步骤3)所得膜剪碎采用平板硫化机在80℃与5MPa压力下热压30min，冷却后获得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料。

对比实施例1：

采用7g乙醇代替7g正硅酸乙酯溶液，其余条件同实施例1。

下表给出对比实施例1与实施例1～5所得获得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料在相对湿度75％时的吸水率与力学性能。

表1相对湿度75％时谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的吸水率与力学性能

 

	二氧化硅含量/％	吸水率/％	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/％	模量/MPa
						对比实施例1	0	22.4±0.5	3.5±0.1	154±12	21.8±1.6
实施例1	2	21.7±0.2	4.4±0.2	184±40	22.8±3.0
						实施例2	4	21.3±0.3	4.3±0.3	161±19	25.6±2
实施例3	6	20.9±0.1	4.3±0.2	168±18	25.7±0.5
						实施例4	8	19.8±0.3	6.7±0.4	138±11	49.3±4.2
实施例5	10	18.8±0.2	5.9±0.1	76±21	55.2±7.8

本发明提供了一种谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料及其制备方法。本发明所涉及的主要原料谷朊粉属于可再生农业资源，为小麦淀粉工业加工副产品，价格低廉；本发明所涉及的谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的制备方法与工艺流程简单，易于推广实施。

Claims (2)

1.一种谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料，其特征在于，它的组成为谷朊粉100重量份、纳米二氧化硅粒子2～20重量份、甘油5～43重量份。

2.一种如权利要求1所述的谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料的制备方法，其特征在于，在搅拌条件下，将正硅酸乙酯加入到重量百分比浓度为5～10％的谷朊粉和重量百分比浓度为10～20％的氨的水溶液中进行反应，反应温度为30～60℃，反应时间为1～3h，正硅酸乙酯重量为谷朊粉重量的7～69％，然后加入甘油，甘油重量为谷朊粉重量的5～43％，将反应液浇注于塑料板上，在30～60℃温度下干燥3～5天，在80～140℃温度下热压10～30min，得谷朊粉/纳米二氧化硅原位复合材料。