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基本信息

項(xiàng)目名稱：
膠原蛋白改性聚乙烯的研究
小類：
能源化工
簡介：
項(xiàng)目制備了聚乙烯/膠原蛋白共混改性復(fù)合材料，采用反應(yīng)增容的方法提高聚乙烯與膠原蛋白的相容性，以馬來酸酐（PE-g-MAH）、乙烯與丙烯酸的共聚物(EAA)作為反應(yīng)增容劑，探討了PE-g-MAH、EAA的增容機(jī)理、材料的制備工藝對材料性能的影響。所制得的復(fù)合材料與純PE相比熔融點(diǎn)降低，拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長率變小，熱穩(wěn)定性提高。本研究為制備膠原蛋白改性PE等生物質(zhì)材料提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
詳細(xì)介紹：
聚乙烯是一種極重要的高聚物，是五大通用塑料之一，是目前我國生產(chǎn)的塑料中產(chǎn)量最大的品種，其主要用于制造塑料制品。但是較低的表面極性，導(dǎo)致其在粘結(jié)、印刷、生物相容性等方面的應(yīng)用受到限制，因此常采用與極性組分共混的方法，改善其表面性質(zhì)，可以制備聚乙烯改性的新型材料。隨著改性技術(shù)的發(fā)展，它們已在眾多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的金屬、玻璃、陶瓷、木材等材料，合成塑料薄膜、軟袋、塑料容器使包裝行業(yè)發(fā)生了一次深刻的革命，但由于合成的材料在自然環(huán)境中難以分解，造成的二次污染，已成為世界性公害，所以需要對聚乙烯的性能進(jìn)行該良，將成為今后的研究熱點(diǎn)。 目前已有明膠與聚乙烯的共混改性材料，共混改性材料中融入了明膠的獨(dú)特性能與優(yōu)異的生物相容性后，開發(fā)出力學(xué)性能、物化性能良好，并具有多種生物、生理功能的新型醫(yī)用材料，能在臨床醫(yī)學(xué)、組織工程、創(chuàng)傷敷料、藥物控制釋放體系等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 本項(xiàng)目主要研究膠原蛋白改性聚乙烯的研究，膠原蛋白或稱膠原，是很多脊椎動物和無脊椎動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，屬于結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，是皮膚、骨、軟骨、血管和牙齒的主要纖維成分，存在于所有的器官中。膠原具有其他合成材料無法比擬的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，膠原作為天然的生物資源，可以廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、組織工程、化妝品等領(lǐng)域。膠原蛋白是一種纖維狀蛋白質(zhì)，具有獨(dú)特的棒狀螺旋結(jié)構(gòu)，物理機(jī)械性能非常優(yōu)越，與一般植物蛋白比較，強(qiáng)度較高。PE與膠原蛋白共混改性使新材料具有膠原蛋白和PE的許多優(yōu)越性能，但由于二者的相容性差，難以得到力學(xué)性能好的改性產(chǎn)物。反應(yīng)增容作為一種新型的增容技術(shù)，聚烯烴與天然高分子材料改性中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了比較理想的效果，本項(xiàng)目采用反應(yīng)增容的技術(shù)，以PE-g-MAH（聚乙烯接枝馬來酸酐）或EAA（乙烯丙烯酸共聚物）為反應(yīng)增容劑對PE/膠原蛋白共混材料進(jìn)行了研究，通過DSC、TGA、拉力實(shí)驗(yàn)、紅外光譜等手段對共混材料的相容性進(jìn)行表征。

作品圖片

  • 膠原蛋白改性聚乙烯的研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的： 項(xiàng)目選擇聚乙烯作為與膠原蛋白共混改性的研究對象，采用反應(yīng)增容的方法提高聚乙烯與膠原蛋白的相容性，在共混材料中融入了膠原蛋白的獨(dú)特性能后，有望開發(fā)出力學(xué)性能良好，并具有多種生物、生理功能的新型醫(yī)用材料，同時(shí)為膠原蛋白的應(yīng)用開辟了一條新的途徑，同時(shí)也可以解決了皮革廢棄物的再利用問題。 基本思路和創(chuàng)新點(diǎn)： 膠原蛋白和聚乙烯的相容性差，因此要制備膠原蛋白/聚乙烯的共混材料，首先要解決的是相容性的問題。本項(xiàng)目借鑒了聚合物合金的增容基礎(chǔ)理論和技術(shù)，首次提出了以PE-g-MAH和EAA作為反應(yīng)增容劑，通過反應(yīng)增容熔融共混法制備聚乙烯與膠原蛋白共混材料。 關(guān)鍵技術(shù)： 項(xiàng)目對增容劑的用量、膠原蛋白用量分別進(jìn)行研究，共混材料的相容和力學(xué)性能等指標(biāo)采用TGA、DSC、SANS萬能拉力試驗(yàn)等手段對產(chǎn)物進(jìn)行表征?？梢酝茰y，在熔融共混過程中，PE-g-MAH的酸酐與膠原蛋白中的活潑氨基發(fā)生了酰胺化反應(yīng)，形成接枝共聚物；而在EAA/膠原蛋白熔融共混過程中，EAA中的羧基與膠原蛋白中的活潑氨基發(fā)生了酰胺化反應(yīng)，形成了接枝共聚物。所制得的三元體系具有較好的相容性。 主要技術(shù)指標(biāo)： 通過電鏡分析可知，在沒有使用增容劑的情況下，微觀結(jié)構(gòu)下膠原蛋白和PE易發(fā)生自身團(tuán)聚，兩者的相容效果不甚理想。當(dāng)使用了增容劑后，膠原蛋白與PE的復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)均勻分散，相容性明顯改善。另外，通過DSC、TGA等實(shí)驗(yàn)分析知改性后的PE熔融點(diǎn)降低，拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長率變小，熱穩(wěn)定性提高。

科學(xué)性、先進(jìn)性

高分子/明膠復(fù)合材料的制備和應(yīng)用技術(shù)早已引起人們的關(guān)注，特別是膠原蛋白的活躍生物功能—它們與機(jī)體的生長、衰老和疾病的密切相關(guān)特性，被細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)揭示出以來。由于明膠源于母體膠原蛋白，共混改性材料中融入了明膠的獨(dú)特性能與優(yōu)異的生物相容性后，就有望開發(fā)出力學(xué)性能、物化性能良好，并具有多種生物、生理功能的新型醫(yī)用材料，能在臨床醫(yī)學(xué)、組織工程、創(chuàng)傷敷料、藥物控制釋放體系等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但是，由于明膠與高分子材料的相容性差，所以未能得到力學(xué)性能好的明膠與聚合物復(fù)合材料。因此，至今尚無此類工業(yè)化產(chǎn)品問世。 本項(xiàng)目首次提出采用反應(yīng)增容的方法對合成高分子與膠原蛋白進(jìn)行共混改性，以制備生物功能化共混材料的創(chuàng)新思路；所采用的增容劑既含有所需的反應(yīng)基團(tuán)又含有能引入與膠原蛋白組成共混材料的聚合物分子鏈；設(shè)計(jì)要制備的三類反應(yīng)增容共混材料：PE-g-MAH增容PE/膠原蛋白，EAA增容PE/膠原蛋白，均未見有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。采用這類生物功能化的新材料有望開發(fā)出新型醫(yī)用制品獲得應(yīng)用，具有很好的發(fā)展前景。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

本項(xiàng)目選擇選擇具有良好理化性能的聚乙烯作為與膠原蛋白共混改性的研究對象，采用反應(yīng)增容的方法提高聚乙烯與膠原蛋白的相容性，在共混材料中融入了膠原蛋白的獨(dú)特性能與優(yōu)異的生物相容性后，有望開發(fā)出力學(xué)性能、物化性能良好，并具有多種生物、生理功能的新型醫(yī)用材料。 項(xiàng)目的研究為膠原蛋白的應(yīng)用開辟了一條新的途徑，同時(shí)也可以解決了皮革廢棄物的再利用問題。將反應(yīng)增容原理運(yùn)用到皮革廢棄物粉末填充聚乙烯的共混體系中，制備相應(yīng)的改性復(fù)合材料。 目前高分子材料的應(yīng)用非常廣泛，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，要求材料具有一定的生物功能化，而聚乙烯的應(yīng)用非常廣泛，目前對聚乙烯和膠原蛋白的共混研究較少，通過本項(xiàng)目的研究，可以制備膠原蛋白/聚乙烯共混材料，該復(fù)合材料具有生物功能化作用，具有高度生物相容性、生理無毒性和生物可降解的優(yōu)越性，可以用作生物活性物質(zhì)載體、生物降解材料、合成革、薄膜以及紡織皮輥等，市場前景非常廣泛。另外制備皮革廢棄物粉末/聚乙烯共混材料，可以加大對皮革廢棄物的資源化再生利用，市場前景也非常大。

同類課題研究水平概述

目前關(guān)于用膠原蛋白或皮革廢棄物作為填充物，制備相應(yīng)的膠原蛋白（皮革廢棄物）/聚乙烯生物功能化復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)理及相關(guān)工藝路線未見文獻(xiàn)報(bào)道，但是對于明膠/聚合物復(fù)合材料的研制及應(yīng)用已逐步成為一個研究熱點(diǎn)，由于明膠是膠原蛋白的變性水解產(chǎn)物，與膠原蛋白有相似的氨基酸組成和類似的肽鏈結(jié)構(gòu)，因此研究明膠與聚合物復(fù)合材料的作用機(jī)理以及合成工藝條件對研究膠原蛋白/聚乙烯的生物功能化復(fù)合材料有重要的借鑒意義。目前關(guān)于明膠和聚合物的共混主要有以下兩種方法： 1、聚合物和明膠物理共混技術(shù)研究 對于合成高分子與明膠復(fù)合材料的研究及應(yīng)用，人們已經(jīng)開展了不少有益的探索性工作。最初，這類復(fù)合材料是由粉碎后的皮革微細(xì)粉末與合成高分子材料直接共混制成。進(jìn)入上世紀(jì)八十年代，國外發(fā)達(dá)國家，尤其是日本，對聚合物/明膠復(fù)合材料進(jìn)行了比較深入的研究，進(jìn)而形成了一些專利。 在專利文獻(xiàn)中，以Nishibori,Sadao專利最多，其發(fā)明主要涉及采用熱塑性塑料如PVC、PE、ABS、PU、PC、PA等與明膠進(jìn)行共混制備復(fù)合材料；英國Silbiger，Jakub等的發(fā)明專利涉及的是明膠與聚合物的復(fù)合材料。 2、明膠的改性和聚合物/改性明膠共混體系的研究 日本專利JP 0616952發(fā)明了一種改性明膠及其與聚合物的共混材料；日本專利JP 06009885介紹了一種熱塑性塑料/改性明膠復(fù)合物的制備方法。 從以上文獻(xiàn)報(bào)道可以看出，要提高膠原蛋白的親油性，改善膠原蛋白與合成高分子材料的相容性可以采用兩種方法：1.在膠原蛋白分子上引入雙鍵，再與乙烯基單體共聚制備接枝膠原蛋白，它們與合成高分子材料就有較好的相容性，共混材料的力學(xué)性能提高，但制備接枝膠原蛋白共聚物的工藝相對比較復(fù)雜。2.直接用膠原蛋白與合成高分子材料，通過自由基引發(fā)劑作用，制備接枝膠原蛋白共聚物，這是一種提高膠原蛋白與合成高分子材料相容性的較為簡便的方法，但這方面的研究工作相對較少，還有待于進(jìn)一步深入開展。 綜上所述，要開發(fā)膠原蛋白/聚乙烯生物功能化復(fù)合材料，首先要解決共混體系相容性差的難題，但這方面研究報(bào)導(dǎo)極為罕見。因此，這就有必要了解和借鑒聚合物合金的增容基礎(chǔ)理論和技術(shù)，特別是反應(yīng)增容。
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