基本信息
- 项目名称：
- 胶原蛋白改性聚乙烯的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 项目制备了聚乙烯/胶原蛋白共混改性复合材料，采用反应增容的方法提高聚乙烯与胶原蛋白的相容性，以马来酸酐（PE-g-MAH）、乙烯与丙烯酸的共聚物(EAA)作为反应增容剂，探讨了PE-g-MAH、EAA的增容机理、材料的制备工艺对材料性能的影响。所制得的复合材料与纯PE相比熔融点降低，拉伸强度增大，断裂伸长率变小，热稳定性提高。本研究为制备胶原蛋白改性PE等生物质材料提供基础数据和理论依据。
- 详细介绍：
- 聚乙烯是一种极重要的高聚物，是五大通用塑料之一，是目前我国生产的塑料中产量最大的品种，其主要用于制造塑料制品。但是较低的表面极性，导致其在粘结、印刷、生物相容性等方面的应用受到限制，因此常采用与极性组分共混的方法，改善其表面性质，可以制备聚乙烯改性的新型材料。随着改性技术的发展，它们已在众多领域取代了传统的金属、玻璃、陶瓷、木材等材料，合成塑料薄膜、软袋、塑料容器使包装行业发生了一次深刻的革命，但由于合成的材料在自然环境中难以分解，造成的二次污染，已成为世界性公害，所以需要对聚乙烯的性能进行该良，将成为今后的研究热点。 目前已有明胶与聚乙烯的共混改性材料，共混改性材料中融入了明胶的独特性能与优异的生物相容性后，开发出力学性能、物化性能良好，并具有多种生物、生理功能的新型医用材料，能在临床医学、组织工程、创伤敷料、药物控制释放体系等领域获得应用。 本项目主要研究胶原蛋白改性聚乙烯的研究，胶原蛋白或称胶原，是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，属于结构蛋白质，是皮肤、骨、软骨、血管和牙齿的主要纤维成分，存在于所有的器官中。胶原具有其他合成材料无法比拟的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，胶原作为天然的生物资源，可以广泛应用于食品、医药、组织工程、化妆品等领域。胶原蛋白是一种纤维状蛋白质，具有独特的棒状螺旋结构，物理机械性能非常优越，与一般植物蛋白比较，强度较高。PE与胶原蛋白共混改性使新材料具有胶原蛋白和PE的许多优越性能，但由于二者的相容性差，难以得到力学性能好的改性产物。反应增容作为一种新型的增容技术，聚烯烃与天然高分子材料改性中得到了广泛的应用，并取得了比较理想的效果，本项目采用反应增容的技术，以PE-g-MAH（聚乙烯接枝马来酸酐）或EAA（乙烯丙烯酸共聚物）为反应增容剂对PE/胶原蛋白共混材料进行了研究，通过DSC、TGA、拉力实验、红外光谱等手段对共混材料的相容性进行表征。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 项目选择聚乙烯作为与胶原蛋白共混改性的研究对象，采用反应增容的方法提高聚乙烯与胶原蛋白的相容性，在共混材料中融入了胶原蛋白的独特性能后，有望开发出力学性能良好，并具有多种生物、生理功能的新型医用材料，同时为胶原蛋白的应用开辟了一条新的途径，同时也可以解决了皮革废弃物的再利用问题。 基本思路和创新点： 胶原蛋白和聚乙烯的相容性差，因此要制备胶原蛋白/聚乙烯的共混材料，首先要解决的是相容性的问题。本项目借鉴了聚合物合金的增容基础理论和技术，首次提出了以PE-g-MAH和EAA作为反应增容剂，通过反应增容熔融共混法制备聚乙烯与胶原蛋白共混材料。 关键技术： 项目对增容剂的用量、胶原蛋白用量分别进行研究，共混材料的相容和力学性能等指标采用TGA、DSC、SANS万能拉力试验等手段对产物进行表征。可以推测，在熔融共混过程中，PE-g-MAH的酸酐与胶原蛋白中的活泼氨基发生了酰胺化反应，形成接枝共聚物；而在EAA/胶原蛋白熔融共混过程中，EAA中的羧基与胶原蛋白中的活泼氨基发生了酰胺化反应，形成了接枝共聚物。所制得的三元体系具有较好的相容性。 主要技术指标： 通过电镜分析可知，在没有使用增容剂的情况下，微观结构下胶原蛋白和PE易发生自身团聚，两者的相容效果不甚理想。当使用了增容剂后，胶原蛋白与PE的复合材料微观结构均匀分散，相容性明显改善。另外，通过DSC、TGA等实验分析知改性后的PE熔融点降低，拉伸强度增大，断裂伸长率变小，热稳定性提高。
科学性、先进性
- 高分子/明胶复合材料的制备和应用技术早已引起人们的关注，特别是胶原蛋白的活跃生物功能—它们与机体的生长、衰老和疾病的密切相关特性，被细胞生物学和分子生物学揭示出以来。由于明胶源于母体胶原蛋白，共混改性材料中融入了明胶的独特性能与优异的生物相容性后，就有望开发出力学性能、物化性能良好，并具有多种生物、生理功能的新型医用材料，能在临床医学、组织工程、创伤敷料、药物控制释放体系等领域获得应用。但是，由于明胶与高分子材料的相容性差，所以未能得到力学性能好的明胶与聚合物复合材料。因此，至今尚无此类工业化产品问世。 本项目首次提出采用反应增容的方法对合成高分子与胶原蛋白进行共混改性，以制备生物功能化共混材料的创新思路；所采用的增容剂既含有所需的反应基团又含有能引入与胶原蛋白组成共混材料的聚合物分子链；设计要制备的三类反应增容共混材料：PE-g-MAH增容PE/胶原蛋白，EAA增容PE/胶原蛋白，均未见有文献报导。采用这类生物功能化的新材料有望开发出新型医用制品获得应用，具有很好的发展前景。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目选择选择具有良好理化性能的聚乙烯作为与胶原蛋白共混改性的研究对象，采用反应增容的方法提高聚乙烯与胶原蛋白的相容性，在共混材料中融入了胶原蛋白的独特性能与优异的生物相容性后，有望开发出力学性能、物化性能良好，并具有多种生物、生理功能的新型医用材料。 项目的研究为胶原蛋白的应用开辟了一条新的途径，同时也可以解决了皮革废弃物的再利用问题。将反应增容原理运用到皮革废弃物粉末填充聚乙烯的共混体系中，制备相应的改性复合材料。 目前高分子材料的应用非常广泛，随着材料科学的发展，要求材料具有一定的生物功能化，而聚乙烯的应用非常广泛，目前对聚乙烯和胶原蛋白的共混研究较少，通过本项目的研究，可以制备胶原蛋白/聚乙烯共混材料，该复合材料具有生物功能化作用，具有高度生物相容性、生理无毒性和生物可降解的优越性，可以用作生物活性物质载体、生物降解材料、合成革、薄膜以及纺织皮辊等，市场前景非常广泛。另外制备皮革废弃物粉末/聚乙烯共混材料，可以加大对皮革废弃物的资源化再生利用，市场前景也非常大。
同类课题研究水平概述
- 目前关于用胶原蛋白或皮革废弃物作为填充物，制备相应的胶原蛋白（皮革废弃物）/聚乙烯生物功能化复合材料的反应机理及相关工艺路线未见文献报道，但是对于明胶/聚合物复合材料的研制及应用已逐步成为一个研究热点，由于明胶是胶原蛋白的变性水解产物，与胶原蛋白有相似的氨基酸组成和类似的肽链结构，因此研究明胶与聚合物复合材料的作用机理以及合成工艺条件对研究胶原蛋白/聚乙烯的生物功能化复合材料有重要的借鉴意义。目前关于明胶和聚合物的共混主要有以下两种方法： 1、聚合物和明胶物理共混技术研究 对于合成高分子与明胶复合材料的研究及应用，人们已经开展了不少有益的探索性工作。最初，这类复合材料是由粉碎后的皮革微细粉末与合成高分子材料直接共混制成。进入上世纪八十年代，国外发达国家，尤其是日本，对聚合物/明胶复合材料进行了比较深入的研究，进而形成了一些专利。 在专利文献中，以Nishibori,Sadao专利最多，其发明主要涉及采用热塑性塑料如PVC、PE、ABS、PU、PC、PA等与明胶进行共混制备复合材料；英国Silbiger，Jakub等的发明专利涉及的是明胶与聚合物的复合材料。 2、明胶的改性和聚合物/改性明胶共混体系的研究 日本专利JP 0616952发明了一种改性明胶及其与聚合物的共混材料；日本专利JP 06009885介绍了一种热塑性塑料/改性明胶复合物的制备方法。 从以上文献报道可以看出，要提高胶原蛋白的亲油性，改善胶原蛋白与合成高分子材料的相容性可以采用两种方法：1.在胶原蛋白分子上引入双键，再与乙烯基单体共聚制备接枝胶原蛋白，它们与合成高分子材料就有较好的相容性，共混材料的力学性能提高，但制备接枝胶原蛋白共聚物的工艺相对比较复杂。2.直接用胶原蛋白与合成高分子材料，通过自由基引发剂作用，制备接枝胶原蛋白共聚物，这是一种提高胶原蛋白与合成高分子材料相容性的较为简便的方法，但这方面的研究工作相对较少，还有待于进一步深入开展。 综上所述，要开发胶原蛋白/聚乙烯生物功能化复合材料，首先要解决共混体系相容性差的难题，但这方面研究报导极为罕见。因此，这就有必要了解和借鉴聚合物合金的增容基础理论和技术，特别是反应增容。
