甲壳素纳米晶须/壳聚糖共混溶液的制备及其流变行为

闫伟霞， 盛励斌， 吉亚丽

(东华大学 a. 分析测试中心； b. 纤维材料改性国家重点实验室；c. 材料科学与工程学院，上海201620)

甲壳素纳米晶须/壳聚糖共混溶液的制备及其流变行为

闫伟霞a， 盛励斌b, c， 吉亚丽b, c

(东华大学 a. 分析测试中心； b. 纤维材料改性国家重点实验室；c. 材料科学与工程学院，上海201620)

甲壳素纳米晶须(CW)是一种高强、高模、具有生物相容性和生物降解性的纳米增强填料.将CW与壳聚糖的乙酸溶液共混，研究其对壳聚糖溶液流动行为的影响.研究结果表明，随着CW的加入，壳聚糖溶液的表观黏度增大，但随着剪切速率的增大，这种影响消失.CW与壳聚糖分子间产生了氢键相互作用，增大了壳聚糖分子链移动的阻力，松弛时间变长，储能模量与损耗模量交点向低频方向移动，溶液更易表现出弹性特征.

甲壳素纳米晶须； 壳聚糖； 静态流变； 动态流变

甲壳素是除蛋白质外最丰富的含氮天然高分子，是仅次于纤维素的第二大可再生资源.其脱乙酰化产物壳聚糖，具有良好的生物相容性、生物降解性，以及抗菌、止血和促进伤口愈合等优异性能，广泛应用于生物医药、食品卫生、日用化学品等领域[1-6].然而，壳聚糖的力学性能较差，严重限制了其应用.甲壳素纳米晶须(CW)是甲壳素通过酸解、酶解等方式得到的一种长度在几百至几千纳米、直径为几纳米至几十纳米的棒状或针状的纳米粒子，其除保持了甲壳素的生物相容性和生物降解性外，还具有高强、高模的特点，是一类新型的生物基纳米增强填料[7-11].利用CW作为增强填料与壳聚糖共混，以期提高壳聚糖的力学性能，同时保持壳聚糖生物相容性和生物降解性的优点，并试图通过湿法纺丝制备高强度壳聚糖纤维.因此，本文主要研究CW与壳聚糖共混溶液的流变行为，为湿法纺丝制备CW/壳聚糖共混纤维提供必要的参考.

1　实验部分

1.1主要原料与试剂

甲壳素来源于虾壳，由Sigma-Aldrich公司提供；其他试剂均为市售分析纯.

1.2CW的制备

称取1 g甲壳素，重复以下操作3次：置于30 mL浓度为3 mol/L的盐酸溶液中，于沸腾温度下搅拌回流6 h，离心分离除去上层清液，得到沉淀物.最终得到的沉淀物用去离子水反复离心洗涤至pH值为3～4.超声处理后，在去离子水中透析3 d，期间更换去离水数次，直至透析袋内外溶液pH值为7.将透析好的分散液过滤除去杂质，冷冻干燥，得到CW粉末.

1.3测试与表征

极稀的CW水分散液经干燥后，分别在美国Veeco NanoScope Ⅳ型原子力显微镜(AFM)和日本JEOL 2100F型透射电子显微镜(TEM)上进行形貌观察.采用JEOL JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)对延流膜的断面形貌进行观察，实验前，利用低温喷金对薄膜进行处理.

固定CW的浓度，改变分散液的pH值，在英国马尔文公司Zetasizer Nano ZS纳米粒度-电位分析仪中进行Zeta电位测试.

配制一定浓度的CW/壳聚糖共混溶液，然后滴在载玻片上，用Leica DM750P型偏光显微镜进行观测，所用放大倍数分别为40和100倍.

在美国TA公司的ARES-RFS型高级旋转流变仪中进行稳态和动态流变行为测试.

2　结果与讨论

2.1CW的形貌

甲壳素中的无定型区和低有序区被酸水解后，留下结晶度很高的棒状或针状的纳米粒子，称为甲壳素纳米晶须，如图1所示.

(a) AFM照片

(b) TEM照片图1　CW的AFM照片和TEM照片(标尺为500 nm)Fig.1　AFM and TEM photographs of chitin nanowhiskers (scale bar = 500 nm)

甲壳素来源不同，晶须制备条件不同，都会对CW尺寸产生影响.由图1(a)的AFM照片可以看出，水解得到的晶须呈棒状形态.由图1(b)的TEM照片分析可知，晶须平均长度为280 nm，平均直径为17 nm，长径比约为16.

2.2CW的分散性

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，是颗粒之间相互排斥或吸引强度的度量.Zeta电位越高，表明颗粒带电越多，体系越稳定.当Zeta电位大于30 mV时，表明胶体粒子的分散性较好且稳定.由于CW表面存在氨基，在一定pH值条件下氨基质子化而带有正电荷，通过测量不同pH值条件下CW水分散液的Zeta电位，可判断其达到良好分散的最佳pH值条件.图2是质量分数为1%的CW水分散液在不同pH值时的Zeta电位值.由图2可知，在pH值为2～6时，分散液的Zeta电位值都大于30 mV，即具有较好的分散稳定性.由于质量分数为3%的乙酸溶液的pH值为3～4，所以可以确定用质量分数为3%的乙酸溶液配制CW与壳聚糖的共混溶液时不会影响CW的分散.

图2　质量分数为1%的CW水分散液的Zeta电位值与pH值的关系Fig.2　The relationship between Zeta potential and pH value of CW dispersion (the mass ratio is 1%)

配制壳聚糖/乙酸水溶液与CW共混，其中壳聚糖的质量分数为3.8 %，CW添加量是壳聚糖质量的10.0%(以下简称CW含量为10.0%).图3所示为共混溶液的偏光显微镜照片，亮点代表CW，可见CW在壳聚糖溶液中分散较均匀.图4所示为CW含量为2.5%的共混溶液延流成膜的断面形貌，白色亮点代表CW，可见CW均匀地分散在壳聚糖基体当中.

图3　CW/壳聚糖共混溶液的偏光显微镜照片Fig.3　The cross-polarizing optical microphotograph of CW/chitosan solution

图4　CW/壳聚糖薄膜断面SEM照片Fig.4　SEM picture of the cross-section of CW/ chitosan cast film

2.3CW/壳聚糖溶液稳态流变行为

从图5(b)可以看出，在低剪切速率区，随着温度的升高表观黏度曲线下移，但随着剪切速率的增大，温度对表观黏度曲线的影响减弱.在加工成型时，改变温度或剪切速率可以调节壳聚糖溶体的黏度，使黏度保持在一个有利于纺丝成型的范围内.

(a) CW含量(t=30 ℃)

(b) 温度(CW含量为5.0%)图5　CW含量及温度对表观黏度的影响Fig.5　The effect of CW content and temperature on the apparent viscosity

2.4CW添加量对黏流活化能的影响

黏流活化能(Eη)是聚合物流体流动过程中，流动单元克服位垒，由原位置跳跃到附近“空穴”所需的最小能量，反映了聚合物流体流动的难易程度.Eη越高，黏度对温度的变化越敏感.

CW/壳聚糖共混溶液在不同剪切速率下的Eη如表1所示.由表1可知，Eη随剪切速率的增大而降低.这是由于剪切力的增大使大分子链之间的缠结和氢键作用减弱，大分子链的取向增加，大分子的移动变得相对容易，因而流动所需能量也降低.而且，随着CW含量的增加，Eη出现了下降的趋势，说明CW的加入，减小了溶液对温度的依赖性.

表1　CW/壳聚糖共混溶液在不同剪切速率的黏流活化能Table 1　The viscous flow activation energy of CW/chitosan solution at different shear rate

2.5CW/壳聚糖溶液动态流变行为

当温度为30 ℃时，壳聚糖溶液随CW含量变化的储能模量G′、损耗模量G″及损耗角正切tanδ与角频率ω的关系曲线如图6所示.由图6可知，在整个角频率范围内，G′和G″随着角频率的增加而上升，且G′比G″增加得快，tanδ值降低.最终在高频区G′-ω和G″-ω曲线相交于Gc(G′=G″)，之后G′>G″，说明随着角频率的增大，储能模量增加较快，溶液的弹性响应逐渐增强.

(a) 0%

(b) 2.5%

(c) 5.0%

图6　G′、G″和tanδ与频率ω的关系(t=30 ℃)Fig.6　The relationship betweenωandG′,G″， tanδ(t=30 ℃)

G′可表征溶液的弹性响应，G″可表征溶液的黏性响应，二者交点位置通常用来说明体系弹性特征与黏性特征的转变.表2是Gc及其对应的角频率ωc的统计.由表2可知，在相同温度条件下，随CW的增加，ωc向低频方向移动，对应的模量Gc相应减小.依据Maxwell黏弹模型，G′与G″交点处的角频率与松弛时间成反比，即ωc越小，链段松弛所用时间越长，分子链缠结程度越高，或分子间作用力越强.这也说明了CW与壳聚糖分子间可能产生了氢键作用，使溶液更易趋于弹性.在CW含量相同时，随着温度的升高，ωc向高频方向移动，相应的模量Gc也随之增大，说明温度升高，溶液中壳聚糖分子链活动能力增强，松弛时间变短.

表2　在不同CW含量和温度条件下G′和G″的交点角频率和交点模量Table 2　The intersection point ofG′ andG″ at different CW content and temperature

(a)G′

(b)G″

(c)η*

3　结　语

通过盐酸水解商业甲壳素可得到长径比约为16的CW.实验表明，CW能均匀地分散于乙酸水溶液及壳聚糖的乙酸水溶液中.对CW/壳聚糖共混溶液的流变行为研究表明，随着CW含量的增加，溶液的表观黏度增大，且在低剪切速率区黏度先上升后下降，随着剪切速率的增大，各曲线趋于一致.CW的加入减小了溶液对温度的依赖性，使黏流活化能Eη出现下降的趋势.动态流变实验表明，随着角频率的增大，储能模量G′和损耗模量G″均增大，tanδ值降低，材料的弹性响应逐渐增强.在低频区，G′G″，溶液表现出弹性行为.CW的加入，增大了分子链的阻力，松弛时间变长，G′和G″的交点向低频方向移动.随着温度的升高，溶液中壳聚糖分子链的松弛时间变短，G′和G″的交点向高频方向移动.

[1] 郑晓广,沈新元,杨庆．甲壳素及其衍生物在保健领域中的应用[J]．河南师范大学学报:自然科学版,1999,27(3)：46-50.

[2] 蒋挺大.甲壳素[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[3] 沈新元,吉亚丽,郯志清,等.甲壳素类生物医学纤维的制备技术及应用[J].材料导报,2008, 22(6):1-5.

[4] RINAUDO M. Chitin and chitosan: Properties and applications[J]. Progress in Polymer Science, 2006, 31(7): 603-632.

[5] SUGINTA W, KHUNKAEWLA P, SCHULTE A. Electrochemical biosensor applications of polysaccharides chitin and chitosan[J]. Chemical Review, 2013, 113: 5458-5479.

[6] JANA S, FLORCZYK S J, LEUNG M, et al. High-strength pristine porous chitosan scaffolds for tissue engineering[J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22: 6291-6299.

[7] LI J, REVOL J F, MARCHESSAULT R H. Rheological properties of aqueous suspensions of chitin crystallites[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1996, 183(2): 365-373.

[8] MORIN A, DUFRESNE A. Nanocomposites of chitin whiskers from Riftia tubes and poly(caprolactone) [J]. Macromolecules, 2002, 35(6): 2190-2199.

[9] FAN Y, SAITO T, ISOGAI A. Chitin nanocrystals prepared by TEMPO-mediated oxidation of α-chitin[J]. Biomacromolecules, 2008, 9(1): 192-198.

[10] IFUKU S, NOGI M, ABE K, et al. Preparation of chitin nanofibers with a uniform width as alpha-chitin from crab shells[J]. Biomacromolecules, 2009, 10(6): 1584-1588.

[11] KADOKAWA J, TAKEGAWA A, MINE S, et al. Preparation of chitin nanowhiskers using an ionic liquid and their composite materials with poly(vinyl alcohol) [J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 84: 1408-1412.

[12] MUZZARELLI R A A. New techniques for optimization of surface area and porosity in nanochitins and nanochitosans[J]. Advances in Polymer Science, 2011, 247: 167-186.

Preparation and Rheological Behavior of Chitin Nanowhisker/Chitosan Blend Solution

YANWei-xiaa,SHENGLi-binb, c,JIYa-lib, c

(a. Research Center of Analysis and Measurement; b. State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials; c. College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Chitin nanowhisker (CW) is reinforcing nanofiller possessing high strength, high modulus, and good biocompatibility and biodegradability. CWs were introduced into chitosan/acetic acid aqueous solution, and the effects of CWs on the rheological behavior of chitosan solution were investigated. The results showed that the loading of CWs increased the apparent viscosity of chitosan solution, but it disappeared at a higher shear rate. CWs could form hydrogen bonds with chitosan chains, which provided crosslinking points and restricted the chain movement of chitosan, leading to a longer relaxation time. Thus, the intersection point of storage modulus and loss modulus moved to lower frequency, indicating the loading of CWs caused more elastic characteristic to chitosan solution.

chitin nanowhisker; chitosan; steady rheology; dynamic rheology

1671-0444(2015)03-0277-05

2014-03-17

国家自然科学基金资助项目(51303024);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

闫伟霞(1977—),女,河北张家口人,助理研究员,硕士,研究方向为高分子流变学.E-mail: yanywx@dhu.edu.cn

吉亚丽(联系人),女,副研究员,E-mail: jiyali@dhu.edu.cn

TB 34

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