CN113214658B - 一种高强度、高导热大豆蛋白膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度、高导热大豆蛋白膜及其制备方法，大豆蛋白膜由以下重量份的原料制成：主剂5份、交联剂1份、增强剂0.1‑0.5份、分散介质水95份，交联剂为三羟甲基丙烷三缩水甘油醚，增强剂为氮化硼纳米片。制备方法包括增强剂和大豆蛋白膜的制备两个步骤。本发明的优点在于：同时满足了手机壳材料对导热和机械性能的要求，使大豆蛋白膜材料获得了优异的导热性能，拓宽了其应用范围；同时还具有透明性、生物降解性、抗冲击性能、耐低温和热稳定性等多种功能；此外，大豆蛋白膜材料可以很容易折叠成飞机形状后恢复到其原始形状，而不会造成任何明显的损坏。本发明的制备工艺简单，原料易得，易于实施。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别是一种高强度、高导热大豆蛋白膜及其制备方法。
背景技术
随着社会的现代化发展，价格昂贵的手机逐渐成为人们日常生活中的必需品。为了避免这种必需品成为消耗品，对手机起保护作用的价格低廉的手机壳的需求也在不断增长。然而，这些手机壳的丢弃会对环境造成一定的影响，据统计，全球每年生产的塑料手机壳多达20多亿个，预计到2025年，将产生超过120亿吨的塑料手机壳废料。此外，硅胶手机壳的散热性能不良，也容易导致手机出现机身过热甚至爆炸的风险。因此，为了减轻对环境的压力和避免手机爆炸风险，利用生物质资源开发可增强散热的手机壳，对促进国民经济的可持续发展至关重要。
目前，直接利用可持续生物资源构建的材料往往力学性能不足或制造工艺复杂。相比之下，仿生设计已成为改善结构材料性能的一种很有前途的策略。大量研究发现通过仿生设计，“砖和砂浆”结构材料的力学性能可以显著提高。然而，目前制备珍珠层结构的方法通常是使用昂贵的填料和聚合物，即氧化石墨烯和聚对苯撑苯并二噁唑纤维纤维。大豆分离蛋白是一种可持续的，可降解的、具有生物相容性的天然高分子材料，被认为是石油基聚合物的理想替代品。但是，纯蛋白的机械性能不足，这限制了它们在高性能新兴材料领域的发展。研究发现将有机/无机纳米填料(例如石墨烯，碳纳米管，金属纳米线，硅酸盐，陶瓷填料等)与大豆蛋白复合，增强机械性能的同时还能提供耐高温性和高热扩散性。但是材料强化的同时通常伴随着塑性或韧性的急剧下降，难以实现高强度和高韧性的共存。此外，由于纳米粒子的高表面能，它们也容易发生团聚，造成粒子间距过近，使得微裂纹转变为大裂纹，导致复合材料强度和韧性均下降。因此，开发一种天然高分子基的高强度、高导热材料仍然是一种挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高导热大豆蛋白膜及其制备方法以解决现有技术中的不足，其制备工艺简单，原料易得，易于实施。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高强度、高导热大豆蛋白膜及其制备方法，包括以下原料制备而成：主剂、交联剂、增强剂、分散介质水，所述主剂为大豆分离蛋白粉。
进一步地，所述增强剂为氮化硼纳米片。
进一步地，所述交联剂为三羟甲基丙烷三缩水甘油醚。
进一步地，所述分散介质水选用普通自来水或蒸馏水。
进一步地，所述大豆分离蛋白粉蛋白含量不低于90％，粒径均大于200目。
进一步地，所述大豆蛋白膜由以下重量份原料制备而成：主剂5份、交联剂1份、增强剂0.1-0.5份、分散介质水95份。
根据上述的高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照质量配比称量各组分配备原料；
步骤2：将大豆分离蛋白粉分散于氮化硼纳米片分散液中，搅拌；
步骤3：将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤2所得的溶液中；
步骤4：将步骤3所得的溶液升温后搅拌，然后超声辅助分散；
步骤5：将步骤4所得的溶液倒入模具中，干燥得预成品；
步骤6：对预成品进行调湿，最终获得所述大豆蛋白膜。
进一步地，所述步骤2中的氮化硼纳米片分散液的制备步骤为：
步骤2.1：将氮化硼纳米粒子分散在去离子水中，充分搅拌24h获得均匀混合物；
步骤2.2：将步骤(2.1)中的混合物进行0.5h的超声波处理后，过滤悬浮液以去除未剥离的氮化硼纳米粒子，得到浓度为0.1％-0.5％氮化硼纳米片分散液。
进一步地，所述步骤2具体包括：将大豆分离蛋白粉分散于氮化硼纳米片分散液中，室温下搅拌30分钟；
所述步骤3具体包括：将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤2所得的溶液中，调节pH值为10；
所述步骤4具体包括：将步骤3所得的溶液水浴升温至85℃搅拌30分钟，然后超声辅助分散30分钟；
所述步骤5具体包括：将步骤4所得的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入45℃的真空干燥箱中干燥12小时，即得预成品；
所述步骤6具体包括：将预成品放入相对湿度为45％-50％的干燥器中进行调湿，最终获得所述大豆蛋白膜。
一种手机壳，所述手机壳由上述的大豆蛋白膜制备得到。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的制备工艺简单，原料易得，易于实施；
(2)相比于现有的大部分多功能智能材料，本发明的材料选用大豆分离蛋白为基质，具有生物相容性好、生物可降解、可再生性强、原料来源广、价格低廉等特点，可以很好地解决石油资源紧缺问题以及合成材料对生物体和环境造成的负面影响等问题；
(3)本发明利用仿生设计有效改善大豆蛋白膜材料的性能，其中拉伸强度可高达36.4MPa，同时具有良好的热导率(2.40W·m-1·K-1)，超过各种石油基塑料的性能(通常表现出1.9到21MPa的拉伸强度和0.55到2.13W·m-1·K-1的热导率)；
(4)本发明制备的大豆蛋白膜材料还具有透明性、生物降解性、抗冲击性能、耐低温和热稳定性等多种功能；此外，大豆蛋白膜材料可以很容易折叠成飞机形状后恢复到其原始形状，而不会造成任何明显的损坏；
(5)本发明制备的超韧、多功能大豆蛋白膜材料有助于拓宽大豆蛋白材料的应用领域。
附图说明
图1是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜力学性能稳定性变化图。
图2是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜与不同手机外壳材料拉伸强度比较图。
图3是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜与不同手机外壳材料热导率比较图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换，均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规操作方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从市面购买得到。
一种高强度、高导热大豆蛋白膜，由以下重量份的原料组成：大豆分离蛋白5份、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚1份、氮化硼纳米片0.1-0.5份、分散介质水95份。
本发明一个较佳实施例中，所述分散介质水选择普通自来水或蒸馏水。
本发明一个较佳实施例中，所述大豆分离蛋白粉蛋白含量不低于90％，粒径均大于200目，购自山东禹王生态食业有限公司。
实施例一
一种高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法步骤如下：
(1)将氮化硼纳米粒子分散在去离子水中，充分搅拌24h获得均匀混合物，混合物进行0.5h的超声波处理后，过滤悬浮液以去除未剥离的氮化硼纳米粒子，得到0.1％(浓度)氮化硼纳米片分散液；
(2)将大豆分离蛋白粉均匀分散于氮化硼纳米片分散液中，室温下搅拌30分钟；
(3)将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤(2)所得的溶液中，调节pH值为10；
(4)步骤(3)所得的溶液中，水浴升温至85℃搅拌30分钟，后超声辅助分散30分钟；
(5)将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入45℃的真空干燥箱中干燥12小时，即得预成品；
(6)将预成品放入相对湿度为45-50％的干燥器中进行调湿，最终获得高强度、高导热性大豆蛋白膜。
实施例二
一种高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法步骤如下：
(1)将氮化硼纳米粒子分散在去离子水中，充分搅拌24h获得均匀混合物，混合物进行0.5h的超声波处理后，过滤悬浮液以去除未剥离的氮化硼纳米粒子，得到0.5％(浓度)氮化硼纳米片分散液；
(2)将大豆分离蛋白粉均匀分散于氮化硼纳米片分散液中，室温下搅拌30分钟；
(3)将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤(2)所得的溶液中，调节pH值为10；
(4)步骤(3)所得的溶液中，水浴升温至85℃搅拌30分钟，后超声辅助分散30分钟；
(5)将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入45℃的真空干燥箱中干燥12小时，即得预成品；
(6)将预成品放入相对湿度为45-50％的干燥器中进行调湿，最终获得高强度、高导热性大豆蛋白膜材料。
所得膜材料的性能质量指标见表1。
图1是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜力学性能稳定性变化图，图中第一个柱子表示将预成品放入相对湿度为45％-50％的干燥器中进行调湿，最终获得的大豆蛋白膜的拉伸强度，第二个柱子表示一年后的拉伸强度，第三个柱子表示零下20℃的拉伸强度。图2是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜与不同手机外壳材料拉伸强度比较图。图3是实施例2制备的高强度、高导热大豆蛋白膜与不同手机外壳材料热导率比较图。
对比例一
(1)将5g大豆分离蛋白粉分散于95g蒸馏水中，室温下搅拌20分钟；
(2)将2.5g丙三醇加入步骤(1)所得的溶液中，调节pH值为10，水浴升温至85℃搅拌30分钟；
(3)将超声后的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入45℃的真空干燥箱中干燥12小时，即得预成品；
(4)将预成品放入相对湿度为45-50％的干燥器中进行调湿，最终获得大豆蛋白膜材料。
所得膜材料的性能质量指标见表1。
对本发明实施例1-2与对比例1制备的大豆蛋白膜进行性能测试。获得大豆蛋白膜的抗拉强度、断裂伸长率韧性数据，为了便于查看数据以表格的形式整理出实验数据如下表，其中测试样品尺寸：80mm×10mm×0.20mm,标距：20mm,拉伸速率：20mm/min,从表格数据可看出其具有良好的力学性能。
表1试样抗拉强度、断裂伸长率和韧性表
实验结果表明，本发明大豆蛋白基膜性能明显增强，拉伸强度36.4MPa、热导率2.4W·m-1·K-1，比对照组(2.64MPa、0.19W·m-1·K-1)提高了13.8倍和12.6倍，甚至超过了多种石油基塑料的性能(拉伸强度为1.9-21MPa，热导率为0.55-2.13W·m-1·K-1)，增强效果显著。此外，本发明大豆蛋白基膜还具有优异的抗冲击性能，抗冲击性能高达5KJ m-2(天然珍珠层约为1.4KJ m-2)。
大豆分离蛋白提供足够的力学强度，氮化硼纳米片作为高度有序的砖层引入，增强材料的界面相互作用，三羟甲基丙烷三缩水甘油醚作为多重交联剂在氮化硼纳米片和大豆分离蛋白分子之间形成稳定的交联网络，同时增加大豆蛋白分子链的自由体积，增加大豆蛋白分子间的距离，促使高分子材料运行性增强，增加大豆蛋白基材料的柔韧性。剥离后的氮化硼纳米片表面引入了大量的羟基活性官能团，不仅能避免粒子之间发生团聚，也能通过表面可调控的接枝增强与大豆蛋白基底间的相容性，同时氮化硼纳米片在大豆蛋白基膜材料拉伸过程中可以通过滑移消耗能量；此外，氮化硼纳米片以其独特的导热性，更使得大豆蛋白膜材料具有导热功能性，为高导热大豆蛋白膜材料的开发提供依据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法，其特征在于，所述大豆蛋白膜由以下重量份原料制备而成：主剂5份、交联剂1份、增强剂0.1-0.5份、分散介质水95份，所述主剂为大豆分离蛋白粉，所述增强剂为氮化硼纳米片，所述交联剂为三羟甲基丙烷三缩水甘油醚，
所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：按照质量配比称量各组分配备原料；
步骤2：将大豆分离蛋白粉分散于氮化硼纳米片分散液中，搅拌；
步骤3：将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤2所得的溶液中；
步骤4：将步骤3所得的溶液升温后搅拌，然后超声辅助分散；
步骤5：将步骤4所得的溶液倒入模具中，干燥得预成品；
步骤6：对预成品进行调湿，最终获得所述大豆蛋白膜；
所述步骤2中的氮化硼纳米片分散液的制备步骤为：
步骤2.1：将氮化硼纳米粒子分散在去离子水中，充分搅拌24 h获得均匀混合物；
步骤2.2：将步骤2.1中的混合物进行0.5 h的超声波处理后，过滤悬浮液以去除未剥离的氮化硼纳米粒子，得到浓度为0.1%-0.5%氮化硼纳米片分散液；
所述步骤2具体包括：将大豆分离蛋白粉分散于氮化硼纳米片分散液中，室温下搅拌30分钟；
所述步骤3具体包括：将三羟甲基丙烷三缩水甘油醚加入步骤2所得的溶液中，调节pH值为10；
所述步骤4具体包括：将步骤3所得的溶液水浴升温至85°C搅拌30分钟，然后超声辅助分散30分钟；
所述步骤5具体包括：将步骤4所得的溶液倒入聚四氟乙烯的模具中，放入45℃的真空干燥箱中干燥12小时，即得预成品；
所述步骤6具体包括：将预成品放入相对湿度为45%-50%的干燥器中进行调湿，最终获得所述大豆蛋白膜。
2.根据权利要求1所述的高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法，其特征在于，所述分散介质水选用普通自来水或蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的高强度、高导热大豆蛋白膜的制备方法，其特征在于，所述大豆分离蛋白粉蛋白含量不低于90%，粒径均大于200目。
4.一种高强度、高导热大豆蛋白膜，其特征在于，所述大豆蛋白膜采用权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到。
5.一种手机壳，其特征在于，所述手机壳由权利要求4所述的大豆蛋白膜制备得到。
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