壳聚糖膜的制备及性能测定

赵丽丽，解则安，李露，于世涛

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042)

壳聚糖是一种天然高分子生物质资源，属于氨基多糖，是至今为止唯一发现的带阳离子性质的碱性多糖，广泛存在于自然界中的虾、蟹等节肢动物、软体动物、环节动物以及真菌细胞中，具有原料丰富、再生迅速、环境和生物相容性好、可生物降解等优点。壳聚糖在体内降解成寡聚糖后，可进一步水解，通过代谢转化成糖蛋白，并以多种方式代谢并排泄［1-2］。壳聚糖作为天然高分子膜材料，已在食品保鲜［3］、增稠［4］及可食用膜［5］等方面有广泛应用。近年来，在止血材料、组织修复材料、药物载体等方面也得到了众多的研究和应用［6-7］。但是目前对壳聚糖膜在机械强度方面的成膜工艺考察不够详尽，机械强度仅为41.98 MPa［8］，拉伸效果也不尽理想，因此，本文详细探讨了HAc 条件下壳聚糖的成膜工艺，以及获得最大拉伸强度壳聚糖膜的制备条件。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

壳聚糖(黏均分子量117 万，批号20131109，脱乙酰度≥95%);冰醋酸、氢氧化钠均为分析纯。

1.2 壳聚糖膜的制备

将壳聚糖溶解在HAc 溶液中得到壳聚糖原液，将原液流延于直径为90 mm 的培养皿上，自然流延成膜，在40 ℃烘箱中(干燥温度过高会造成干燥后的膜成糊状，过低会增加成膜的干燥时间，所以选择温度比较适宜的40 ℃)烘至全干。配制一定浓度的NaOH 溶液加入培养皿中浸泡，得到成型的壳聚糖湿膜。揭膜并用清水洗至中性，自然晾干得到干燥完全的膜。

1.3 性能测试及结构表征

1.3.1 膜的拉伸强度及断裂伸长率的测定选取干净平整的膜试样，用万能材料试验机测定膜的拉伸强度及断裂伸长率。测定条件为:拉伸速率100 mm/min，间距 30 mm，测定环境温度(23 ±1)℃，相对湿度为(50 ±2)%。

①将膜干燥至恒重，用纸张厚度测定仪分别测定膜的5 个不同位置处的厚度，然后取平均值，则为干态膜的平均厚度;②用标准切纸刀将膜裁剪成15 mm 宽度，长度＞30 mm 的长方形膜;③准确称量该特定长度下的膜的质量及计算膜的面积，计算得到膜面积比重，单位为g/m2;④在万能材料试验机上输入膜的单位面积比重后，记录膜的断裂强力(F)、断裂伸长率(R)等数据。

拉伸强度(σ)［9］计算按以下公式:

σ=F/(b×d)

式中 F——断裂强力，N;

b——膜有效宽度，mm;

本试验的试件为圆柱体试件，尺寸为Φ100 mm×200 mm。根据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》[13](GB/T 50082—2009)(以下简称《标准》)，将混凝土试件置于标准养护箱中养护28 d后再进行试验。

d——膜厚度，mm。

1.3.2 壳聚糖膜的结构表征采用红外光谱仪表征壳聚糖的结构组成，测试光谱范围4 000 ～500 cm－1，分辨率≤0.05 cm－1。

采用旋转极X 射线粉末衍射仪测定壳聚糖膜的结晶性，扫描角度(2θ)为5 ～100 °，扫描速度为2. 4 (°)/min。靶型:Cu，管流管压为40 kV 和40 mA，滤波片为Ni。

采用扫描电镜观察膜的表面及截面形貌。干膜表面及截面喷镀金钯合金，加速电压为20 kV。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖膜机械性能的影响因素考察

2.1.1 HAc 浓度按照1.2 节的方法制备壳聚糖膜，将壳聚糖溶解于不同浓度的HAc 溶液中，配成壳聚糖浓度为1.0%的溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脱膜，洗净晾干，测定壳聚糖膜的机械性能。

表1 HAc 浓度对壳聚糖膜的影响Table 1 The effect of HAc concentration on chitosan membrane

由表1 可知，随着HAc 浓度的增加，膜的断裂强度也随之增加，当HAc 浓度达到3%时，膜的断裂强度达到最大。但当HAc 浓度继续增加时，断裂强度反而下降。因为当HAc 浓度较低时，溶解壳聚糖需要的时间长，壳聚糖可能发生缓慢降解，分子链被破坏，所以壳聚糖膜的机械强度低;当HAc 浓度较高时，碱液与HAc 中和的过程中HAc 分子大量从膜表面溢出，壳聚糖分子结构疏松，导致膜的机械强度下降。所以选择3%的HAc 溶液作为溶剂溶解壳聚糖。

2.1.2 原料浓度按照1.2 节的方法，将3%的HAc 溶液溶解壳聚糖，配成一定浓度梯度的壳聚糖HAc 溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脱膜，洗净晾干，测定壳聚糖膜的机械性能。由表2 可知，随着壳聚糖浓度的增高，膜的断裂强度增强，在1.5%的浓度下得到的膜断裂强度最大。但当壳聚糖浓度继续增加时，膜的断裂强度反而下降。这是因为壳聚糖膜分子的排列随浓度有一定的变化，在低浓度时分子排列较规整，浓度稍大分子排列杂乱，影响了成膜机械强度的大小。而且如果浓度过小，壳聚糖溶液流动性大，薄膜厚度也不均匀，且不易成膜和揭膜;但是浓度过大，壳聚糖溶液粘稠，不易脱泡，涂层厚且不均匀［10］。因此1.5%的原料浓度可以得到机械性能较好的壳聚糖膜。

表2 原料浓度对壳聚糖膜的影响Table 2 The effect of raw materials concentration on chitosan membrane

2.1.3 NaOH 浓度按照1.2 节的方法，配制3%的HAc 溶液溶解壳聚糖，配成1.5%的壳聚糖HAc溶液，在40 ℃下烘干成膜，在不同浓度的NaOH 溶液中浸泡3 h 脱膜，洗净晾干，测定壳聚糖膜的机械性能。

表3 NaOH 浓度对壳聚糖膜的影响Table 3 The effect of NaOH concentration on chitosan membrane

由表3 可知，在NaOH 浓度为6%得到的壳聚糖膜的断裂强度最大。在NaOH 溶液中浸泡的过程，即是干燥后膜内残留的HAc 分子与碱液相互中和的过程。如果浓度过小，两者接触不充分，造成取膜困难;浓度过大会导致HAc 分子中和过快，造成壳聚糖膜的韧性不够。所以选择6% NaOH 溶液作为温性碱液浸泡壳聚糖膜。

2.1.4 碱液浸泡时间按照1.2 节的方法，配制3%的HAc 溶液溶解壳聚糖，配成1.5%的壳聚糖HAc 溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡不同时间脱膜，洗净晾干，测定壳聚糖膜的机械性能。由表4 可知，壳聚糖膜在原料浓度、HAc 浓度与NaOH 溶液浓度一致的前提下，在浸泡3 h 时可以得到断裂强度最大的壳聚糖膜。因为浸泡时间不够的话，壳聚糖膜中的HAc 分子与碱液中和不完全，膜难以取下，揭膜过程中容易撕裂;而如果浸泡时间太长，NaOH 会对壳聚糖膜有一定的侵蚀作用，导致膜性能的下降。因此，选择浸泡3 h 作为在碱液中的浸泡时间。

表4 碱液浸泡时间对壳聚糖膜的影响Table 4 The effect of soaking time on chitosan membrane

2.1.5 甘油浓度虽然用纯的壳聚糖做出的膜机械强度较好，但是膜的断裂伸长率不高，因此加入增塑剂甘油，它可以有效的降低壳聚糖分子间的作用力，而且可以增加薄膜的柔韧性，减少脆性，防止膜开裂［11］。因此按照2.1.4 节的方法，在壳聚糖溶液中加入一定浓度梯度的甘油，在碱液中浸泡3 h 得膜，测定壳聚糖膜的机械性能。

表5 甘油浓度对壳聚糖膜的影响Table 5 The effect of glycerine concentration on chitosan membrane

由表5 可知，随着甘油加入量的增大，壳聚糖膜的拉伸强度呈现下降趋势，但其断裂伸长率先增大后趋于平缓，但是断裂强度下降的幅度要比断裂伸长率的增长幅度缓慢，综合两方面因素考虑，选取甘油和壳聚糖相对配比为8%，壳聚糖膜的拉伸强度和断裂伸长率都表现得较为理想。

得到的最佳工艺:以3% 的HAc 溶液溶解1.5%的壳聚糖原料，加入甘油(N=m甘油/m壳聚糖)为8%，得到成膜原液后，转移到玻璃培养皿中流延成膜，在40 ℃烘箱中完全烘干，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后温水冲洗至中性，干燥得膜。得到壳聚糖膜的拉伸强度为88.74 MPa，断裂伸长率为14.3%，并对其进行结构表征。

2.2 壳聚糖膜的结构表征分析

2.2.1 红外分析图1 为壳聚糖膜的红外光谱图。

图1 壳聚糖膜的红外光谱图Fig.1 Chitosan membranes infrared spectra

由图1 可知，3 433.1 cm－1处的宽峰是υ(N─H)与υ(O─H)重叠而成的多重吸收峰，这个宽峰说明这些氨基和羟基存在着强弱不同的分子内和分子间氢键。2 922.0 cm－1是─CH3反对称伸缩振动吸收峰。2 970.2 cm－1和2 885.4 cm－1为υ(C─H)的吸收谱带，这两个峰的吸收强度都较强，峰形较陡，说明该壳聚糖样品的脱乙酰度较高。1 645 cm－1为υ(C O)的特征谱带，1 090 cm－1为υ(C─O)(二级醇羟基)的特征谱带，1 035 cm－1为υ(C─O)(一级醇羟基)的特征谱带，894 cm－1是多糖的β-构型糖苷键的特征峰。与壳聚糖原料的红外谱图基本一致［12］，因此，在溶解过程中壳聚糖分子的基本骨架未发生改变。

2.2.2 X-射线衍射分析图2 为壳聚糖膜的X-射线衍射峰。

由图2 可知，壳聚糖分子内及分子间都存在较强的氢键作用，分子结构较规整，因而呈现出较强的结晶性和较高的致密性。壳聚糖膜在2θ =10，20°都出现两个主要的衍射峰，说明壳聚糖膜具有晶体结构，且结晶形式与文献报道壳聚糖膜的结晶性一致［13］。

图2 壳聚糖膜的X-射线衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction patterns of chitosan membrane

2.2.3 扫描电镜分析

由图3、图4 可知，壳聚糖膜表面平整、致密，较光滑，稍微有颗粒状突起，膜中壳聚糖和甘油形成了错综复杂的离子交联网络结构，且进一步放大观察也证实复合膜中各组分之间并没有产生相分离，且有很好的相容性。

图3 壳聚糖膜表面Fig.3 Surface of chitosan membrane

图4 壳聚糖膜截面Fig.4 Cross section of chitosan membrane

3 结论

(1)壳聚糖的成膜性能受HAc 浓度、壳聚糖浓度、NaOH 浓度、碱液浸泡时间、甘油浓度的影响。通过优化，得到了制作壳聚糖膜的最佳工艺。即以3%的醋酸溶液溶解1.5%的壳聚糖原料，加入甘油(N=m甘油/m壳聚糖)8%，得到成膜原液后，转移到玻璃培养皿中流延成膜，在40 ℃烘箱中完全烘干，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后温水冲洗至中性，干燥得膜。得到壳聚糖膜的拉伸强度为88.74 MPa，断裂伸长率为14.3%。

(2)IR 谱图分析说明在溶解过程中壳聚糖分子的基本骨架未发生改变，XRD 谱图分析证明壳聚糖膜具有晶体结构，且结晶形式与文献报道壳聚糖膜的结晶性一致，SEM 分析证实复合膜中各组分之间并没有产生相分离，且有很好的相容性。

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