双醛羧甲基壳聚糖-SiO2杂化材料改性胶原研究

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(1. 福建工程学院 生态环境与城市建设学院， 福建 福州 350118； 2. 福建农林大学 材料工程学院， 福建 福州 350002)

羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物，通过对羧甲基壳聚糖进行深度氧化可获得具有醛基的改性羧甲基壳聚糖。双醛羧甲基壳聚糖中的醛基，可直接与皮革中胶原的氨基、亚氨基等发生反应而产生鞣制效应。然而，胶原分子中氨基与双醛羧甲基壳聚糖的醛基反应活性较高，反应速度快，鞣制时容易发生皮表面过度交联而内部交联弱的现象，因此需要降低双醛羧甲基壳聚糖中醛基的含量，使反应更为温和。

纳米SiO2粒子表面原子处于严重的缺位状态，因此其活性极高，很容易与蛋白质分子链的活性基团键合，从而赋予皮革高的湿热稳定性能和特殊的物理、化学特性[1-2]。同时，纳米SiO2鞣废革屑中不含铬，不需要进行脱铬处理，回收后的蛋白不含任何重金属成分。

本研究将双醛羧甲基壳聚糖与SiO2-NH2进行杂化反应，获得改性双醛羧甲基壳聚糖，将此改性剂与胶原反应，以提高胶原的热稳定性。此改性剂用于制革，可以避免铬对环境造成的污染，且鞣制废液可生物降解，符合环保要求。

1 实验原料及试验方法

1.1 实验试剂

实验试剂：羧甲基壳聚糖、盐酸、高碘酸钠、乙二醇、叔丁醇、乙醇、冰乙酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(AEAPTS)、盐酸羟胺、甲醇、氢氧化钠、百里香酚蓝，均为分析纯；I型牛皮胶原， 99%。

1.2 样品制备

1.2.1 双醛羧甲基壳聚糖(DAC)的制备

称取25 g羧甲基壳聚糖溶于500 mL去离子水中，加入25 g高碘酸钠，调整pH为3.5，在温度为40 ℃的条件下，避光搅拌4 h。氧化反应完成后，向样品中加入乙二醇溶液，体积为5 mL，并且在常温的条件下搅拌0.5 h。用叔丁醇离心洗涤3次，然后真空冷冻干燥24 h，研磨后得粉末状双醛羧甲基壳聚糖(DAC)。

1.2.2 SiO2-NH2的制备

将50 mL四乙基硅氧烷溶解于250 mL、体积比为50%的乙醇-水溶液中，搅拌一段时间后加入2.5 mL冰乙酸，在75 ℃下搅拌15 min；然后将5 mL的N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(AEAPTS)逐滴缓慢加入上述溶液中。出现凝胶后冷却15 min，真空冷冻干燥24 h，研磨后得粉末状SiO2—NH2。

1.2.3 制备不同配比的改性双醛羧甲基壳聚糖(DAC-SiO2)

称量4份质量为3 g的双醛羧甲基壳聚糖分别加入到50 mL、50%(体积比)的乙醇-水溶液中，然后依次称取0.06、0.3、0.6、1.5 g的SiO2—NH2分别加入到上述溶液中，即SiO2—NH2与双醛羧甲基壳聚糖的质量比分别为1/50、1/10、1/5及1/2；在65 ℃下搅拌反应24 h；反应后用去离子水离心洗涤3次，洗净后进行真空冷冻干燥，得到一系列不同杂化程度的改性双醛羧甲基壳聚糖。

1.2.4 制备DAC-SiO2交联的改性胶原

分别称取4种不同配比的DAC-SiO2，质量均为2.4 mg，并分别加入到6 mg/mL胶原溶液(20 mL)中，室温下搅拌反应12 h，最终得到不同配比DAC-SiO2交联的胶原溶液，真空冷冻干燥后保存于干燥器内。胶原及不同杂化改性剂交联的胶原分别命名为COL、COL(1/50)、COL(1/10)、COL(1/5)及COL(1/2)。

1.3 改性双醛羧甲基壳聚糖的醛基取代度测定

根据文献[3]，用盐酸羟胺水溶液与醛基定量反应生成肟，释放出的盐酸用标准氢氧化钠水溶液滴定，反应式如下：

—CHO+NH2OH·HCl → —CHNOH+HCl +H2O

锥形瓶中加入20 mg/mL的盐酸羟胺甲醇溶液，体积为100 mL，随后滴加9滴百里香酚蓝指示剂；加入0.1 g羧甲基壳聚糖(空白样)，反应约1.5 min后，由0.03 mol/L的氢氧化钠甲醇溶液滴定至锥形瓶内，溶液显示蓝色，且在15～20 s内不褪色。同样的方法依次测定双醛羧甲基壳聚糖和配比为1/50、1/10、1/5、1/2的改性双醛羧甲基壳聚糖所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积。醛基含量计算方法如下：

式中，醛基含量为100个葡萄糖单元所含的醛基个数，%；162为一个葡萄糖单元的相对分子质量；c1为氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；v1为双醛羧甲基壳聚糖或不同杂化程度的改性双醛羧甲基壳聚糖消耗氢氧化钠标准溶液的体积，mL；v2为空白样羧甲基壳聚糖消耗氢氧化钠标准溶液的体积，mL；m1为试样质量，g。

1.4 天然胶原和改性胶原的热失重测定(TG)

称取约2 mg 的样品于坩埚内，在氮气保护下，利用热重分析仪(TG 209 F3, NETZSCH)分别测试样品COL、COL(1/50)、COL(1/10)、COL(1/5)及COL(1/2)质量随温度的变化情况；测试温度范围为35～600 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.5 红外吸收光谱测定(FTIR)

利用KBr压片法制备样品。用红外光谱仪(iS50, thermo)进行检测，检测光谱范围为4 000～400 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1，每个样品累计扫描32次并扣除背景干扰。

1.6 热稳定性测试(DSC)

称取约2 mg 的样品于坩埚内，在氮气保护下，利用差示扫描量热仪(DSC 214, NETZSCH)分别测试样品COL、COL(1/50)、COL(1/10)、COL(1/5)及COL(1/2)的热变性温度；测试温度范围为40～120 ℃，升温速率为5 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 SiO2—NH2用量对CMCS醛基取代度影响

二氧化硅粒子的粒径小，且其表面含有大量缺位原子，因此与羧甲基壳聚糖等大分子的结合能力非常强[4]。由表1可知，SiO2—NH2与双醛羧甲基壳聚糖的配比为1/50时，SiO2对双醛羧甲基壳聚糖中醛基取代度达到了63.2%；继续增加SiO2的比例至1/10时，醛基取代度迅速增加到75.4%；此时继续增加SiO2的含量时，醛基取代度增加较少，并未接近100%，这可能是受到双醛羧甲基壳聚糖分子中空间位阻的影响。

表1不同DAC-SiO2配比下DAC醛基取代度

Tab.1AldehydesubstitutedcontentofDACunderdifferentDAC-SiO2ratios

不同SiO2/DAC配比的样品1/501/101/51/2醛基取代度/%61．275．478．581．7

2.2 红外吸收光谱分析

图1 红外吸收光谱Fig.1 IR spectra of samples

图1中不同配比的SiO2—NH2改性胶原与天然胶原特征吸收峰振动情况基本一致，由此可知，DAC-SiO2杂化材料对胶原改性并未破坏其天然结构。

2.3 热重分析

图2 TG扫描图Fig.2 TG of samples

图3 DTG分析图Fig.3 DTG of samples

由图2、3可知，天然胶原及用不同杂化程度的DAC-SiO2交联的胶原的热失重分为两个阶段，第一阶段是因失去自由水重量减少；第二阶段是天然胶原和不同配比的DAC-SiO2杂化材料的热分解温度，由表3可知，样品COL、COL(1/50)、COL(1/10)、COL(1/5)和COL(1/2)的最大热分解温度(tm)分别为312.9、314.6、320.3、317.7和318.0 ℃，即随着DAC中加入SiO2比例的增大，tm总体呈先上升后下降的趋势；结合醛基取代度结果可推测，SiO2—NH2与DAC质量比超过1/10时，醛基取代度增加缓慢，这时由于DAC-SiO2分子上活性醛基较少，且由于空间位阻较大，胶原分子链上的氨基不易于DAC-SiO2分子上的醛基结合，因此SiO2—NH2与DAC质量比超过1/10时，改性胶原的热稳定性反而有所下降。

不同配比的SiO2—NH2改性胶原的Tm均比天然胶原的tm高，这可能是由于接入SiO2后，改性胶原可部分表现出无机材料的特性，因而热稳定性得到提高[6]。

表2最大热分解温度tm

Tab.2Themaximumthermaldecompositiontemper-ature(tm)

样品COLCOL(1/50)COL(1/10)COL(1/5)COL(1/2)tm312．9314．6320．3317．7318．0

2.4 稳定性测试(DSC)

胶原分子由3条肽链按右手螺旋缠绕而成，其特殊结构在热变性后不可逆[7-8]。由图4可知，天然胶原的热变性温度是68.7 ℃，而改性胶原的热变性温度均高于天然胶原；而随着杂化改性剂中硅含量增加，改性胶原的热变性温度先上升后降低，这与TG结果完全吻合。由此可知：DAC-SiO2中的醛基与胶原分子上的氨基发生了希夫碱反应生成共价键，使分子间产生交联，从而使胶原分子的热变性温度(td)升高[9]；但随着硅含量的升高，SiO2对DAC中醛基的取代度也越高，使得胶原分子与DAC-SiO2的交联程度降低，导致Td降低。

图4 DSC扫描图Fig.4 DSC of samples

3 结论

提出了双醛羧甲基壳聚糖-纳米SiO2无铬鞣剂的杂化制备方法，即以双醛羧甲基壳聚糖和SiO2—NH2为原料，通过两者的杂化反应得到胶原交联改性剂，并考察了不同比例的SiO2—NH2与双醛羧甲基壳聚糖(DAC-SiO2)对胶原性能的影响。结果表明，改性剂DAC-SiO2不会破坏天然胶原的分子结构，且能够提高胶原分子的热稳定性。该研究可为无铬鞣技术提供新的思路，相关理论研究成果有助于促进制革产业的清洁化、绿色化发展。

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