魔芋纤维发泡海绵制作工艺改进及其性能研究

范良思，梅春秋

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205）

0 引言

魔芋为天南星科(Araceae)魔芋属植物，其块茎中含有的大量的葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)，是继淀粉和纤维素之后，另一种较为丰富的可再生天然高分子资源.KGM是理想的膳食纤维，具有可生物降解、亲水、可凝胶化等特性，以KGM为原料制取纤维发泡海绵，在食品、保健、医药、化工、环保及石油钻探等领域都有重要用途[1].制成的海绵状生物敷料，在伤口敷料和组织工程等领域得到广泛应用[2-3].本文中介绍以魔芋胶为原料获取魔芋纤维发泡海绵[4-5]的实验制作及测试方法，利用正交试验揭示不同实验条件对魔芋纤维发泡海绵理化性能的影响，并对有关制作工艺的改进加以探讨.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器试剂：魔芋胶，清江魔芋制品有限公司K3.发泡剂：NaHCO3.交联剂：Na2CO3.增塑剂、增韧剂、浸润剂皆为A.R.市售.95%乙醇，市售，食用级.

仪器：电子天平，蒸柜，光学显微镜，数码相机，冰箱等.

1.2 魔芋纤维发泡海绵的制作实验过程如下：

1）取100mL蒸馏水，配成含有适量交联剂、发泡剂、增塑剂的溶液.

2）称取适量魔芋胶粉，溶解于步骤1）中配置好的溶液中，充分搅拌，使其尽量分散.

3）继续搅拌，使魔芋胶溶液保持较为均匀的状态，待溶液溶胀至半凝胶状态，将其转移至模具中.

4）将模具放入蒸柜中升温，使其魔芋溶液发泡，定型.

5）取出已发泡魔芋纤维发泡海绵，自然冷却至室温，观察其性状，拍照记录，并于-15～-20℃冷冻24 h.

6）取出已经冷冻的发泡体，自然融解后漂洗，除去未反应完全的原料.重复步骤5）、6）2～3次.

7）60℃恒温烘干，保存，或在发泡体烘干后低温保存.

8）理化性质测试.

1.3 固定实验条件根据定性实验结果，固定本实验中部分实验

条件如下：1）增韧剂用量为2 g/L溶液；2）浸润剂用量为4 g/L溶液；3）增塑剂用量为10 g/L溶液.4)温度100～110℃.

1.4 确定实验工艺参数通过定性实验，发现当1 L溶液中魔芋胶低于约60 g时，凝胶强度极差，无法发泡；交联剂在1 L溶液中高于约5 g会导致发泡效果较差；发泡剂的适宜用量在2～4 g/L之间.实验工艺参数如表1所示.

表1 实验工艺参数表

1.5 魔芋纤维发泡海绵的性能测试

1.5.1 膨胀率 实验过程中，分别测量魔芋纤维发泡前后的体积V0和V1，计算其发泡膨胀率：

1.5.2 泡孔大小与分布 样品制成后测量其发泡孔径，并用显微镜观察泡孔分布情况.

1.5.3 吸水性能 将样品剪成一个约2 cm×2 cm×1 cm的立方体，尽量挤干水分，置于75%乙醇中过夜，取出后于25℃真空干燥至恒重，称其质量，然后浸润在水中使其充分吸水，再称量其吸水后的质量.计算样品的吸水率： 吸水率/%=（吸水后质量-恒重质量）/恒重质量×100.

1.5.4 生物降解实验 采用土壤掩埋法：采集适宜的土壤于30℃的恒温箱中保存3个月，期间保持其含水量约为60%左右.取适量发泡海绵样品烘干粉碎，通过20目分样筛后再烘干至恒重.从中称取所需试样量，加入10%的PVC粉末后溶于四氢呋喃溶液并搅拌均匀，在玻璃板上让其流延成膜，并于50℃下烘干.将所得烘干的样品剪成1 cm×5 cm的条状，再烘干至恒重，记下质量m1.在一烧杯内加入足量的土壤，将条状样品垂直埋于土壤中，于30℃的恒温箱中放置一定时间.每隔3天取出一个样品，浸于75%的酒精溶液中漂洗，再用蒸馏水洗净，用滤纸吸干后，于60℃烘干至恒重，记下质量m2.样品降解率按下式计算：

式中：c为PVC粉末的质量分数.

2 结果与讨论

2.1 产品展示图1～2所示产品发泡体积膨胀较大，内部空隙直径约2～3mm，没有大的发泡孔，且发泡孔分布均匀，未见有发泡不良部分.

图1 100 g魔芋胶-3.2 g发泡剂-4 g交联剂

图2 80 g魔芋胶-2.4 g发泡剂-4 g交联剂

图3是以100 g魔芋胶、2 g发泡剂、4 g交联剂为原料，在大模具中薄涂所制得的发泡海绵薄片，观察其表面可以发现魔芋纤维海绵的发泡是较为均匀致密的，且没有较大的破孔.说明其发泡条件稳定，具有可控性.

图3 100 g魔芋胶-2 g发泡剂-4 g交联剂海绵薄片

2.2 膨胀率

2.2.1 实验条件对膨胀率的影响 不同魔芋胶与发泡剂用量对魔芋纤维发泡海绵膨胀率有明显影响，而交联剂选取的实验区间对膨胀率并没有明显影响，故取交联剂用量为4 g/L溶液时测得的膨胀率作为讨论对象.具体数据如表2所示.

表2 不同魔芋胶与发泡剂用量下的膨胀率 %

2.2.2 讨论 从表2中可以看出，不同魔芋胶与发泡剂用量下的膨胀率约在130%～210%之间变化：随着魔芋胶用量的增加，魔芋纤维发泡海绵膨胀率呈上升趋势，这是由于魔芋胶溶液在发泡前的粘稠度与强度增大，而使其在发泡时气泡开孔较慢，体系中气泡量及泡孔总体积增加的缘故；随着发泡剂用量的增加，魔芋纤维发泡海绵膨胀率增加明显，这是由于魔芋胶溶液发泡时发气量显著增加，发泡过程愈加强烈的结果.

2.3 孔径大小与分布

2.3.1 实验条件对泡孔大小与分布情况的影响 交联剂用量为4 g/L溶液时发泡较为均匀，泡孔半径分布范围亦相对较窄，实际测试数据如表3所示.

表3 不同魔芋胶与发泡剂用量下泡孔半径分布 mm

表4 不同魔芋胶与发泡剂用量下的产品吸水率 %

2.3.2 讨论 在该实验条件下制得魔芋纤维发泡海绵泡孔半径大致在0.75～1.50mm之间，并且随着魔芋胶与发泡剂的增加呈变大的趋势.交联剂的用量在4 g/L时所有样品发泡均较好，这与溶液的pH值有关.交联剂用量较少时溶液pH值较小，魔芋纤维交联速度变慢，强度降低，发泡时泡孔较易组合形成大空洞；用量太高则导致溶液pH值较大，使发泡剂分解变慢，同时使魔芋纤维交联速度加快，强度增大，发泡孔径不稳定，从而造成魔芋纤维的发泡不完全.

2.4 吸水性能

2.4.1 实验条件对吸水率的影响 选定交联剂用量为4 g/L时在实验不同条件下对所得产品吸水率的测试值如表4所示.

2.4.2 讨论 由表中可以看出：制得魔芋纤维发泡海绵吸水率范围约在6%～19%之间，随着发泡剂用量的增加而明显增加；当魔芋胶用量增加时，吸水率亦呈上升趋势，但不明显.

2.5 土壤降解实验在土壤掩埋法的实验条件下，每隔3天取出一个样品，处理后得到魔芋发泡海绵的降解率与时间关系如图4.由图中可以看出，掩埋后的前期，样品的降解速率较慢，并且随着掩埋时间的增加，降解速率升高.开始样品色泽变暗，表面粗糙，到后期样品破碎.可见，所制得的魔芋纤维发泡海绵具有良好的生物降解性.

图4 魔芋纤维发泡海绵生物降解性能

2.6 工艺细节改进

2.6.1 魔芋胶溶解操作改进 实验中发现，由于魔芋胶具有极强的吸水性以及溶胀性能，把魔芋胶直接溶于水溶液中会导致其分散不匀，产生团状不溶物，而且形成凝胶速度极快，无法很好地转移入模具中，影响产物外观及性能.

由于魔芋胶在乙醇水溶液中溶解性较差，溶解度随乙醇浓度增加而减少，故实验前应先用乙醇水溶液将魔芋胶预溶解，使其在乙醇水溶液中充分分散，预溶胀后再与交联发泡溶液混合，以制得混合均匀、分散良好的魔芋胶凝胶.

实验同时发现，魔芋胶在浓度为15%～20%的乙醇水溶液中溶解时可以保持流动状态，乙醇浓度越高越明显；在浓度为10%～15%以下的乙醇水溶液中会如在水中一般溶胀至凝胶状.故实验采取以20%乙醇溶液预溶解魔芋胶后，以1：1的比例与交联发泡溶液混合，该体系中乙醇浓度约为10%，应尽量以降低此浓度为原则进行试验.另外，当以20%乙醇溶液对魔芋胶进行预溶解操作时，预溶解时间越长，在之后的发泡溶液体系中溶胀速度越快，因此，可通过改变预溶解时间来克服上述魔芋胶溶液向模具中转移时所遇到的问题.

2.6.2 魔芋纤维发泡海绵的表面处理 实验中发现某些产品个体会在发泡体表层产生巨大的空洞，甚至会产生一层与内部海绵分离的“皮”.此层外皮产生的原因主要是发泡体发泡时表面失水过快，使表面强度大于内部强度，使开孔发泡所产生的气体无法从表面传输，在表皮下方积聚，形成大孔或形成表皮.采用对发泡体进行模具加盖处理，减缓其表面失水速度，可有效避免表层大气孔的产生.

2.6.3 模具的影响 同一魔芋纤维发泡溶液在不同形状模具中有较大的区别，在方形模具中由于底部发泡产生的气体无法及时排出，极易造成发泡体底部产生空洞，使发泡体中心向外突起，而圆形模具产生此种情况最少.因此，魔芋纤维发泡模具在设计时应该充分考虑发泡气体的逸散问题，防止其积聚而使产品变形.

3 结论

以魔芋胶80～100 g、发泡剂2～4 g、交联剂4 g、增韧剂2 g、浸润剂4 g、增塑剂10 g加入1 L水中搅拌均匀后升温至100～110℃，保温1.5 h所制得的魔芋纤维发泡海绵具有良好的强度、吸水性能和生物降解性.产品的体积、密度和强度可以通过不同的实验条件进行调整，且制备工艺较为简单，生产过程无污染，产品属环境友好型材料，符合当今时代的环保主题.

[1]陈欣，林丹黎.魔芋葡甘聚糖的性质、功能及应用[J].重庆工学院学报:自然科学，2009，23(7)：36-39.

[2]丁晔，张文清，金鑫荣.壳聚糖复合海绵材料的制备及性能[J].中国医药工业杂志，2008，39(7):517-519.

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[4]李翠珍，胡开堂，余志伟.海绵状纤维素制品的研究进展[J].林产化学与工业，2003，23(3):93-96.

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