專利名稱：納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料，更具體涉及一種納米改性小麥麩質(zhì)蛋 白復合材料的組成和制備方法，屬于高分子共混、高分子成型加工、高分子包裝材料領域。背彔技術進入21世紀后，經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展及其所涉及的環(huán)境和資源問題愈來愈受到人們的關 注。來源于石油產(chǎn)品的合成塑料正面臨石油枯竭的資源問題和塑料廢棄物對環(huán)境的污染何題， 在環(huán)保呼聲高漲、市場需求漸旺的情況下，各種可降解塑料在市場需求的推動下逐步問世， 并引起了日益廣泛的關注。由于天然材料不僅來源廣泛、價格便宜，而且具有可降解性和再 生性，這就為天然材料的利用開辟了廣闊的空間。可降解塑料是指在較短的時間內(nèi)，在自然條件下能夠自行降解的塑料?？山到馑芰弦话?分為四大類；第一類，光降解塑料，即在塑料中摻入光敏劑，在日照下使塑料逐漸分解。它 屬于較早一代的降解塑料，其缺點是降解時間因日照和氣候變化而難以預測，因而無法控制 降解時間。第二類，生物降解塑料，即在微生物的作用下，可完全分解為低分子化合物的塑 料。其特點是貯存運輸方便，只要保持干燥，不需避光，應用范圍廣，不但可以用于農(nóng)用地 膜、包裝袋，而且可廣泛用于醫(yī)藥領域。第二類，光/生物降解塑料，是光降解和生物降解相 結(jié)合的一類塑料，它同時具有光和生物降解塑料的特點。第四類，水降解塑料，即在塑料中 添加吸水性物質(zhì)，用完后棄于水中即能溶解掉，主要用于醫(yī)藥衛(wèi)生用具方面，便于銷毀和消 毒處理。目前，國內(nèi)外研究的可降解塑料主要來源于天然蛋白物質(zhì)，如大豆蛋白、玉米蛋白、葵 花籽蛋白、棉籽蛋白、小麥麩質(zhì)蛋白等，其中小麥麩質(zhì)蛋白以其來源廣泛、價格低廉而備受 關注。小麥麩質(zhì)蛋白是小麥深加工的副產(chǎn)物，其含量為小麥的10 15%，小麥麩質(zhì)蛋白按其 溶解性可分為U)溶解于水的清蛋白類；(2)溶解于鹽的球蛋A類；(3)溶解于醇的醇溶 蛋白類；(4)溶解于稀酸或者稀堿的谷蛋白類。其中，麥醇溶蛋白按分子量大小可分為高分 了-量、中分子量和低分子量，麥醇溶蛋白間通過氫鍵和疏水作用相互反應，有助于面筋粘性 的形成。麥谷蛋白是小麥面筋蛋白的另一重要組成部分，很多麥谷蛋白分子的亞基通過分子 間的雙硫鍵相連接，賦予其良好的粘彈性?；谶@些特點，小麥麩質(zhì)蛋白在食品行業(yè)有著廣 泛的應用。然而，隨著人類環(huán)保意識的增強，小麥麩質(zhì)蛋白已作為可降解材料被加以研究和 應用，例如，作為包裝桐i料，小麥麩質(zhì)蛋白不僅可以食用，還可以防止食品在環(huán)境中發(fā)生變質(zhì)；作為天然膠粘劑，小麥麩質(zhì)蛋白不但可以制成壓敏繃帶、膠帶等醫(yī)用材料，還可以吸收 廢報紙等的油墨、固化廢油。迄今為至，對小麥麩質(zhì)蛋白材料的應用研究仍然以小麥麩質(zhì)蛋白的改性為主，并采用傳 統(tǒng)設備進行成型加工。納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料是由小麥麩質(zhì)蛋白、增塑劑、納米粒 子和天然纖維增強材料等物質(zhì)經(jīng)過共混加工而成的，再經(jīng)過壓出、壓延和沖壓成型等后道工 序可制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的片材。該片材經(jīng)過預熱后能夠在模具內(nèi)進行吸塑 成型，脫模后得到相應的吸塑制品，可用于制備包裝容器和一次性餐具等。納米改性小麥麩 質(zhì)蛋白復合材料制品不僅具有一定的耐熱性和耐水性，而且在使用壽命終結(jié)被廢棄時，能夠 在自然環(huán)境中完全降解，有利于保護生態(tài)環(huán)境。增塑劑是一種能夠增加聚合物體系塑性的物質(zhì)，主要作用是削弱聚合物分子之間的范德 華力，從而增加聚合物分子鏈的移動性，降低聚合物分子鏈的結(jié)晶性，即增加了聚合物的塑 性，表現(xiàn)為聚合物硬度、模量、軟化溫度和脆化溫度的下降，而伸長率、撓曲性和柔韌性提 高。由于小麥麩質(zhì)蛋白中含有較多的二硫鍵，使其缺乏加工流動性，而添加增塑劑能夠提高其加工流動性。小麥麩質(zhì)蛋Cl的常用增塑劑包括甘油、水、二乙醇胺、三乙醇胺、聚乙烯亞胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙二醇等。納米二氧化硅(Si02.nH20)具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量T隧道 效應等特性，因其粒子的納米效應以及優(yōu)異的補強、增稠、觸變性能，被廣泛應用于有機硅、 涂料、油漆、膠粘劑等領域。同時，由于納米二氧化硅內(nèi)部的聚硅氧烷結(jié)構(gòu)和外表面存在的 活性硅酸基能夠吸附水，使二氧化硅能夠呈現(xiàn)親水性、疏水性兩種類型，改善了它在有機相 中的分散性和相溶性，拓寬了產(chǎn)品的應用領域。納米碳酸鈣(CaCCb)是一維尺寸在l l00nm的活性輕質(zhì)碳酸鈣，是無毒、無刺激、無 氣味的白色軟質(zhì)填料，易十與各類聚合物相容，而且熱穩(wěn)定性好。由于碳酸鈣表面親水疏油、 極性很高，能夠與基體表面的羥基充分結(jié)合，可以提高材料的力學性能。4傳統(tǒng)的重鈣或輕 鈣相比，納米碳酸鈣可以改變材料的流變性、韌性、耐水性、耐候性，具有更廣泛的用途。納米蒙脫土是由蒙皂石粘土經(jīng)剝片分散、提純改型、超細分級、特殊有機復合而成，平 均晶片厚度小于25nm，蒙脫石含量高達95%，具有獨特的層狀一維納米結(jié)構(gòu)和超大的比表面 積《將納米蒙脫丄作為納米聚合物的添加劑，不僅能夠提高材料的抗沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn) 定性及氣體阻隔性能，而目.能夠改善物料的成型加工性能。納米凹凸棒土是一種具有層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，其理論化學成分為SK)2 56-96%; (Mg， AI, Fe)O 23.83%; H20 19.21%,比重輕(2.0 2.3g/cm3)、吸水性強。 由于凹凸棒土的內(nèi)部多孔道、比表面積大，大部分的陽離子、水分子和一定大小的有機分子4棒土還具有特殊的纖維結(jié)構(gòu)以及不同尋常的膠體和吸 附性能，使其具有廣泛的應用領域。天然纖維增強材料是一種用于增強制品力學性能或其他性能的材料。在纖維增強復合材 料中，纖維是承受載荷的組元，纖維的力學性能決定了復合材料的性能，而且增強材料與基 體材料的相容性對增強效應有顯著影響。由于小麥麩質(zhì)蛋白中存在大量的氫鍵，因此天然纖 維增強材料與基體材料之間有很好的相容性。常用的天然纖維增強材料包括竹纖維、木纖維、 麻纖維和棉纖維。納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的制備方法如下；首先將增塑劑與納米粒子用高剪切乳 化機、乳化泵、超速攪拌機或超聲波振蕩機混合后制成納米溶膠，然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納 米溶膠用高速攪拌機混合后制成團狀物料，最后將團狀物料與竹纖維、木纖維、麻纖維或棉 纖維等天然纖維增強材料用捏合機、密煉機或螺桿混煉機混合后制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白 復合材料，再經(jīng)過壓出、壓延和沖壓成型等后道工序制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的 片材。該片材經(jīng)過預熱后能夠在模具內(nèi)進行吸塑成型，脫模后得到相應的吸塑制品，可用于 制備包裝容器和一次性餐具等。發(fā)頃內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決合成塑料存在廢棄物難以降解、造成白色污染的問題，提供一種 納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料及其制備方法，使得制備的納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料 經(jīng)過壓出、壓延和沖壓成型等后道工序，能夠制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的片材。 該片材經(jīng)過預熱后能夠在模具內(nèi)進行吸塑成型，脫模后得到相應的吸塑制品，可用于制備包 裝容器和一次性餐具等。本發(fā)明所提出的納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料，是由包括如卜.組分和重量份數(shù)的原料 制備的小麥麩質(zhì)蛋白20 100份；增塑劑10 40份；納米粒子1 20份；天然纖維增強材料0 20份。所述的小麥麩質(zhì)蛋白是生產(chǎn)小麥淀粉的副產(chǎn)物，是分子量不同的一系列多肽混合物，其蛋白質(zhì)含量高達70 85%,麥醇溶蛋白和麥谷蛋白是小麥麩質(zhì)蛋白的主要成分。小麥麩質(zhì)蛋 白在混合物中的用量為20 100重量份。所述的增塑劑是一種能夠增加聚合物體系塑性的物質(zhì)，能夠進入蛋白質(zhì)分子之間并減弱 其分子河作用力。增塑劑包括甘油、水、二乙醇胺、三乙醇胺、聚乙烯亞胺、聚乙烯醇、聚 乙二醇、聚丙二醇。增塑劑可以是上述增塑劑中的一種或一種以上組合。增塑劑在混合物中 的用量為10 40重量份。所述的納米粒子具有補強、增稠、觸變等效應，可以改變復合材料的流變性、鋪性、耐 水性、耐候性。納米粒子包括納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米蒙脫土和納米凹凸棒土。納 米粒子可以是上述納米粒子中的一種或一種以上組合。納米粒子在混合物中的用量為1 20重量份。所述的天然纖維增強材料是用于增強制品力學性能或其他性能的材料。天然纖維增強材 料包括竹纖維、木纖維、麻纖維和棉纖維。天然纖維增強材料可以是上述天然纖維增強材料 中的一種或一種以上組合。天然纖維增強材料在混合物中的用量為0 20重量份。本發(fā)明所提出的納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的制備方法，具體是首先將增塑劑與納 米粒子用高剪切乳化機、乳化泵、超速攪拌機或超聲波振蕩機混合后制成納米溶膠，然后將 小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機混合后制成團狀物料，最后將團狀物料與竹纖維、木 纖維、麻纖維或棉纖維等天然纖維增強材料用捏合機、密煉機或螺桿混煉機混合后制成納米 改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料，再經(jīng)過壓出、壓延和沖壓成型等后道工序制成納米改性小麥麩 質(zhì)蛋白復合材料的片材。上述方法的具體過程如下；首先，將10 40份增塑劑與1 20份納米粒子用高剪切乳化 機、乳化泵、超速攪拌機或超聲波振蕩機中的一種或一種以上組合進行混合，時間為5 30 分鐘，制得納米溶膠。然后，將20 100份小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合， 時間為5 10分鐘，制得團狀物料。最后，將團狀物料與0 20份竹纖維、木纖維、麻纖維 或棉纖維中的一種或一種以上組合進行混煉，采用捏合機的捏合溫度為40 80t:，時間為5 30分鐘；采用密煉機的密煉溫度為60 10(TC，時間為5 15分鐘；采用螺桿混煉機時，機 筒溫度為60 10(TC，機頭溫度為70 8(TC。最終，經(jīng)過壓出、壓延和沖/l;成型等后道丁序， 制得納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的片材，壓出、壓延溫度為100 120°C。本發(fā)明具有以下優(yōu)點主要原料小麥麩質(zhì)蛋白價格便宜、來源屮.富，是可再生資源；納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復 合材料可進行壓出、壓延和沖切成型加工，材料性能可通過改變各組分的含量進行調(diào)節(jié)；片 材經(jīng)過預熱后能夠在模具內(nèi)進行吸塑成型，脫模后得到相應的吸塑制品，可用于制各包裝容 器和一次性餐具等。納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料制品不僅具有一定的耐熱性和耐水性， 而且在使用壽命終結(jié)被廢棄時，能夠在自然環(huán)境中完全降解，滿足生態(tài)和環(huán)境保護的要求。具體實旌方式現(xiàn)結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的內(nèi)容進行詳細的說明。魏例l配制而成 小麥麩質(zhì)蛋白 100份甘油 25份納米二氧化硅 10份首先將上述原料中的甘油與納米二氧化硅用高剪切乳化機進行混合，時間為5分鐘，制 得納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得 團狀物料；最后將團狀物料在6(TC的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)IO(TC的三輥壓延機 出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。實雄例2本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成小麥麩質(zhì)蛋白 100份聚乙二醇 30份納米蒙脫土 5份亞麻纖維 5份首先將上述原料中的聚乙二醇與納米蒙fch用超速攪拌機進行混合，時間為M)分鐘，制 得納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得 團狀物料；最后將團狀物料與亞麻纖維在6(TC的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)1KTC的 三輥壓延機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。鄉(xiāng)例3本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成小麥麩質(zhì)蛋白 wo份甘油 40份納米二氧化硅 5份竹纖維 10份首先將上述原料中的甘油與納米二氧化硅用乳化泵進行混合，時間為IO分鐘，制得納米 溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得團狀物 料最后將閉狀物料與竹纖維在8(TC的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)12(TC的三輥壓延機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋0復合材料。實施例4本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成小麥麩質(zhì)蛋白 100份甘油 30份
納米碳酸鈣 5份
竹l衫隹 5份
首先將上述原料中的甘油與納米碳酸鈣用高剪切乳化機進行混合，時間為5分鐘，制得 納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得團 狀物料；最后將團狀物料與竹纖維在70r的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)110"的三輥 壓延機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
實施例5
本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成-
小麥麩質(zhì)蛋白 100份
甘油 25份
納米碳酸躬 5份
木纖維 5份
首先將上述原料中的甘油與納米碳酸鈣用超聲波振蕩機進行混合，時間為20分鐘，制得 納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為IO分鐘，制得團
狀物料；最后將團狀物料與木纖維在60t:的捏合機中捏合i5分鐘后出料，再經(jīng)ioot:的三輥
壓延機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
實施例6
本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成
小麥麩質(zhì)蛋白 100份
聚乙二醇 35份
納米二氧化硅 5份
竹纖維 5份
首先將上述原料中的聚乙二醇與納米二氧化硅用高剪切乳化機進行混合，時間為5分鐘， 制得納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為W分鐘，制 得團狀物料；最后將團狀物料與竹纖維在7(TC的捏合機中捏合IO分鐘后出料，再經(jīng)1(MTC的
雙輥開煉機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋A復合材料。
實施例7
本發(fā)明提供的材料是由以卜'原料按重量比例配制而成 小麥麩質(zhì)蛋白 100份
聚乙一醇 30份納米蒙脫土 5份 亞麻纖維 5份
首先將上述原料中的聚乙二醇與納米蒙脫土用乳化泵進行混合，時間為5分鐘，制得納 米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得團狀 物料；最后將團狀物料與亞麻纖維在60"C的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)IOO"C的雙輥 開煉機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
實施例8
本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成；
小麥麩貭蛋白 100份
甘油 25份
納米蒙脫土 10份
木纖維 5份
首先將上述原料中的甘油與納米蒙脫土用高剪切乳化機進行混合，時簡為5 ^^鐘，制得 納米溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機進行混合，時間為iO分鐘，制得團
狀物料；最后將團狀物料與木纖維在8crc的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)iorc的三輥
壓延機出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
實施例9
本發(fā)明提供的材料是由以下原料按重量比例配制而成
小麥麩質(zhì)蛋白 100份
甘油 25份
納米凹凸棒土 5份
竹纖維 5份
首先將上述原料中的甘油與納米凹凸棒土用乳化泵進行混合，時間為IO分鐘，制得納米 溶膠；然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米洛膠用高速攪拌機進行混合，時間為10分鐘，制得團狀物 料最后將團狀物料與竹纖維在7(TC的密煉機中密煉5分鐘后出料，再經(jīng)IO(TC的三輥壓延 l幾出片，得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
權利要求
1.一種納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料及其制備方法，該納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料是按一定重量份將小麥麩質(zhì)蛋白、增塑劑、納米粒子和天然纖維增強材料，經(jīng)一定的混煉加工后得到納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料。
2. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于所述的納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合 材料的原料組分和重量份數(shù)為小麥麩質(zhì)蛋白20 100份；增塑劑10 40份；納米粒子1 20份；天然纖維增強材料0 20份。
3. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于小麥麩質(zhì)蛋白是小麥面粉洗去淀粉 后的產(chǎn)物，其蛋白質(zhì)含量高達70 85%，是一種可降解的天然蛋白。
4. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于增塑劑是甘油、水、月桂酸、二乙 醇胺、三乙醇胺、聚乙烯亞胺、聚乙烯醇、聚乙二醇和聚丙二醇中的一種或一種以上組合。
5. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于納米粒子是納米二氧化硅、納米碳 酸鈣、納米蒙脫土和納米凹凸棒土中的一種或一種以上組合。
6. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于天然纖維增強材料是竹纖維、木纖 維、麻纖維和棉纖維中的一種或一種以上組合。
7. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于將增塑劑和納米粒子按比例稱量 后，在高剪切乳化機、乳化泵、超速攪拌機或超聲波振蕩機上混合后制成納米溶膠。
8. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于將小麥麩質(zhì)蛋白、納米溶膠和天然 纖維增強材料按比例稱量后，在捏合機中混煉，捏合溫度為40 8(TC。
9. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于將小麥麩質(zhì)蛋白、納米溶膠和天然 纖維增強材料按比例稱量后，在密煉機中混煉，密煉溫度為60 10(TC。
10. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于將小麥麩質(zhì)蛋白、納米溶膠和天然 纖維增強材料按比例稱量后，在螺桿混煉機中混煉，機筒溫度為60 10(TC，機頭溫度為 70 80°C。
11. 根據(jù)權利要求1所述的材料及其制備方法，其特征在于納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料可 采用壓出、壓延和沖壓成型等工序制成片材，片材經(jīng)過預熱后可在模具內(nèi)進行吸塑成型， 脫模后得到相應的吸塑制品，可用于制備包裝容器和一次性餐具。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料及其制備方法。該方法具體是首先將增塑劑與納米粒子用高剪切乳化機等設備混合后制成納米溶膠，然后將小麥麩質(zhì)蛋白與納米溶膠用高速攪拌機混合后制成團狀物料，最后將團狀物料與竹纖維等天然纖維增強材料用捏合機、密煉機或螺桿混煉機混合后制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料，再經(jīng)過壓出、壓延和沖壓成型等后道工序制成納米改性小麥麩質(zhì)蛋白復合材料的片材。該片材經(jīng)過預熱后能夠在模具內(nèi)進行吸塑成型，脫模后得到相應的吸塑制品，可用于制備包裝容器和一次性餐具等。
文檔編號C08L89/00GK101659791SQ20091019665
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權日2009年9月28日
發(fā)明者潘泳康, 王慶海, 王雪紅, 袁蕎龍 申請人:華東理工大學