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        熒光超支化聚合物(HMEAP)對皮膠原蛋白的改性研究

        2021-08-17 07:15:26劉素清韓昕喬一凡周裕仙李靜怡孫淼
        皮革與化工 2021年4期
        關(guān)鍵詞:叔胺鞣制皮革

        劉素清,韓昕 ,喬一凡,周裕仙,李靜怡,孫淼

        (1.山東省皮革工業(yè)研究所,山東 濟(jì)南 250021;2.煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

        1 引言

        目前,皮革工業(yè)已經(jīng)成為我國輕工業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè),在帶來大量外匯收入的同時(shí)也造成了一定的環(huán)境問題。一方面,在制革鞣制加工過程中,減少鉻鞣劑的使用或開發(fā)無鉻鞣劑成為現(xiàn)代皮革工業(yè)迫切需要解決的問題。另一方面,制革行業(yè)擁有以膠原蛋白為主的豐富蛋白質(zhì)資源,開發(fā)其在新領(lǐng)域的應(yīng)用也有利于制革行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

        近年來,超支化聚合物由于其特有的結(jié)構(gòu)性質(zhì),得到了極大的關(guān)注[1-5]。而具有生物相容性且同時(shí)含有非傳統(tǒng)生色團(tuán)的熒光超支化聚合物也已成為了研究熱點(diǎn)之一,在生物、醫(yī)藥及組織工程和生物成像等領(lǐng)域都有了較好的應(yīng)用[6-9]。超支化聚合物具有大量的端基官能團(tuán),結(jié)構(gòu)高度支化且呈三維球狀,具有低粘度溶解性好分子間無纏結(jié)等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)皮革鞣劑相比其豐富的官能團(tuán)能夠與皮革膠原纖維分子上的端基活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合,大幅度提高了與膠原蛋白結(jié)合的反應(yīng)能力,達(dá)到對膠原纖維改性的目的[7]。

        針對非傳統(tǒng)生色團(tuán)的熒光聚合物的研究多以聚酰胺的樹枝狀或超支化聚合物展開[10,11]。其反應(yīng)機(jī)理是以1-(2-氨基乙基)哌嗪和二丙烯酸酯進(jìn)行邁克爾加成反應(yīng),合成過程中通過改變反應(yīng)條件和投料比,調(diào)控超支化聚合物末端的伯仲叔胺基團(tuán)的含量及比例[12,13]。根據(jù)對樹狀聚合物聚酰胺功能團(tuán)的淬滅實(shí)驗(yàn)[12]發(fā)現(xiàn),叔胺是胺基聚合物中的生色團(tuán),國內(nèi)外研究結(jié)果表明針對只含有叔胺生色團(tuán)的超支化聚合物材料的研究還較少。制備含有叔胺生色團(tuán)的超支化聚合物與膠原蛋白結(jié)合,可以在提高膠原蛋白穩(wěn)定性的同時(shí),開發(fā)新型材料,拓展其應(yīng)用范圍。

        本論文以AB2型叔胺N-二羥乙基-3-胺甲基丙酸酯為多官能團(tuán)單體原料,以四丁基鈦酸酯為催化劑,通過縮聚反應(yīng)合成出系列分子量的水溶性叔胺型超支化聚合物。超支化聚合物高分子進(jìn)入經(jīng)過預(yù)處理的皮子內(nèi),與皮膠原蛋白反應(yīng),其大量的活性基團(tuán)與皮膠原蛋白的側(cè)鏈上的活性基團(tuán)相結(jié)合,或者積聚在皮革膠原纖維之間、覆蓋在皮革纖維的表面,通過交聯(lián)、纏結(jié)或吸附作用形成網(wǎng)格,從而對皮革起到鞣制的作用[14-16],提高皮膠原的綜合性能。由于叔胺基超支化聚合物與膠原蛋白親和力強(qiáng),毒性小,改性后膠原蛋白在新材料、生物醫(yī)藥方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 實(shí)驗(yàn)原料

        四丁基鈦酸酯Ti(OBu)4(分析純)、丙烯酸甲酯(分析純)、二乙醇胺(分析純)、甲醇(分析純)和山羊酸皮(自制)。

        2.2 儀器和表征

        1H NMR采用300 MHz核磁共振儀(Bruker DRX-300),用CDCl3或D2O作為溶劑、四甲基硅作內(nèi)標(biāo)在室溫下進(jìn)行測試;熒光激發(fā)光譜(Perkin-Elmer LS55)測量在室溫條件下完成,測試條件:1 mg/mL水溶液,λex=375 nm;以二甲基亞砜為溶劑,線型苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn)試樣,采用凝膠滲透色譜(GPC)(Waters)測定HMEAPs的分子量及分子量分布。皮革收縮溫度采用MSW-YD4型數(shù)字式皮革收縮溫度測定儀(陜西科技大學(xué)陽光電子研究所)測定。皮革增厚率采用威海市量具廠有限公司皮革測厚儀測定。

        2.3 超支化聚合物縮聚單體N,N-二羥乙基-3-胺丙酸甲酯(MBAP)及叔胺超支化聚合物(HMEAP)的合成[17]

        圖2 水溶性超支化聚合物HMEAP的合成

        在50 mL兩頸圓底燒瓶中加入0.1 mol二乙醇胺和0.102 mol丙烯酸甲酯,并與10 mL甲醇相溶,在氮?dú)獗Wo(hù)下,于室溫?cái)嚢?0分鐘后,升溫至35℃,繼續(xù)反應(yīng)4小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至室溫,真空抽出低沸點(diǎn)雜質(zhì),得到無色油狀單體產(chǎn)物MBAP(合成路線見圖1),產(chǎn)率約為98.5%。核磁結(jié)果表明1H NMR(CDCl3):3.67(2H,CH2O H),3.55(3H,C H 3),3.45(4H,—C H 2OH);2.73(2H,—N—C H 2—CH2—COO—),2.50(4H,—N—C H 2—CH2OH);2.37(2H,—CH2—COO—)。

        圖1 超支化聚合物縮聚單體MBAP的合成

        在25 mL三口燒瓶中加入0.5 mmol四丁基鈦酸酯和25 mmol MBAP,在氮?dú)獗Wo(hù)下,130℃攪拌反應(yīng)3小時(shí),然后在真空(250毫米汞柱)條件下繼續(xù)反應(yīng)30分鐘。冷卻到室溫,再加入0.25 mmol Ti(OBu)4升溫至130℃后在高真空(10毫米汞柱)下攪拌,通過改變反應(yīng)時(shí)間1、3、5和10小時(shí),得到系列不同分子量的叔胺超支化聚合物HMBAP1、HMBAP3、HMBAP5、HMBAP10。將產(chǎn)物溶于10 mL甲醇中,過濾后在乙醚中沉淀,真空抽濾除去低沸點(diǎn)雜質(zhì)。

        2.4 HMBAP對膠原蛋白的改性

        將酸皮稱重,液比200%,配置一定pH的緩沖溶液,浸泡30 min,加入一定質(zhì)量的超支化聚合物HMBAPs,在一定溫度下鞣制一定時(shí)間,然后取出皮子測其厚度及收縮溫度。分別考察HMBAPs分子量、體系pH、超支化聚合物用量、鞣制時(shí)間、鞣制溫度對其改性膠原蛋白的影響。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 叔氨基超支化聚合物HMBAPs的表征

        將系列分子量HMBAPs GPC結(jié)果列于表1,其重均分子量分布從9600~20070,由叔胺超支化聚合物HMBAPs的熒光光譜圖中(圖3)可以看出,其熒光的相對強(qiáng)度隨分子量的增加而增加[18]。這是因?yàn)闊晒鈴?qiáng)度與熒光基團(tuán)的碰撞松弛速率和淬滅有很大關(guān)系[19],一般情況下分子量越小,超支化聚合物分子鏈活動(dòng)性越好[20],碰撞松弛速率越大,導(dǎo)致分子熒光性能減弱。

        表1 系列分子量HMBAPs GPC結(jié)果

        圖3 系列分子量HMBAPs的熒光光譜

        3.2 不同分子量超支化聚合物HMBAPs對鞣制效果的影響

        在與皮膠原作用的過程中,高分子材料的分子量對鞣制效果影響較大,圖4是系列分子量HMBAPs鞣制后皮革的增厚率及收縮溫度的變化結(jié)果。從圖中可以看出隨著分子量增加,增厚率和收縮溫度均呈現(xiàn)增加的趨勢。這是因?yàn)槌Щ酆衔锏姆肿恿吭酱?,分子中的活性基團(tuán)越多,能夠與膠原蛋白反應(yīng)的活性位點(diǎn)數(shù)量增加,導(dǎo)致鞣制后收縮溫度增加。增厚率反映了高分子進(jìn)入膠原蛋白后對皮膠原纖維的填充程度,大分子能夠更好地填充膠原纖維間隙,能夠有較好的填充效果。但是隨著分子量進(jìn)一步增加,HMBAP10的鞣后增厚率和收縮溫度增加值略有降低,這可能是因?yàn)榉肿恿窟^大導(dǎo)致其滲透性能降低,影響了其與膠原蛋白的結(jié)合,因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇HMBAP5,并進(jìn)一步優(yōu)化其與膠原作用的條件。

        圖4 不同分子量HMBAPs對鞣制效果的影響(鞣制pH為5、聚合物用量4%、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃)

        3.3 不同pH對膠原蛋白改性效果的影響

        圖5是pH對HMBAP5鞣制后收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果,由圖可以看出,一開始收縮溫度、增厚率隨著pH的升高而升高,在pH為5~6時(shí)收縮溫度增加量及增厚率達(dá)到最大值,繼而減小。這是由于超支化聚合物在溶液中的尺寸受溶液的pH影響,有研究表明,溶液的pH發(fā)生改變后,超支化聚合物的樹形分子在溶液中的尺寸可以增加或減少50%;在弱酸性條件下利于HMBAP5向皮內(nèi)滲透,但pH過低會(huì)影響皮膠原纖維的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,也不利于膠原的改性;但若pH過高,鞣液中配合物分子太大不利于滲透結(jié)合[21]。因此,綜合考慮選擇最佳pH為5~6。

        圖5 pH對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響(聚合物用量4%、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃)

        3.4 聚合物用量對膠原蛋白改性效果的影響

        圖6是不同聚合物用量對改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果,由圖可以看出,在HMBAP5用量為6%時(shí),增厚率和收縮溫度增加量均達(dá)到最大值,且隨著其用量的進(jìn)一步增大沒有明顯升高。當(dāng)超支化聚合物用量太少時(shí),鞣制的效果不太明顯,當(dāng)用量超過6%時(shí)反而增加了成本。因此,綜合考慮收縮溫度、增厚率和經(jīng)濟(jì)效益,選擇最佳聚合物用量為6%。

        圖6 HMBAP5用量對鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響(鞣制pH為5、改性時(shí)間4 h、反應(yīng)溫度25℃)

        3.5 改性時(shí)間對膠原蛋白改性效果的影響

        圖7是鞣制時(shí)間對膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果,從圖中可以看出,鞣制開始時(shí)收縮溫和增厚率隨著反應(yīng)時(shí)間的增大而增加,但反應(yīng)時(shí)間達(dá)到4 h之后增厚率和收縮溫度沒有明顯升高。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加,超支化聚合物的分子不斷滲入生皮內(nèi),其端基與皮膠原側(cè)鏈上的活性基團(tuán)結(jié)合增多,對膠原的改性效果越來越明顯,從而使收縮溫度和增厚率逐漸增加;當(dāng)反應(yīng)到達(dá)4 h后,其與膠原的結(jié)合基本完成,再延長時(shí)間已沒有意義,由此選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為4 h。

        圖7 鞣制時(shí)間對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響(鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應(yīng)溫度25℃)

        3.6 反應(yīng)溫度對膠原蛋白改性效果的影響

        圖8是不同反應(yīng)溫度對改性后膠原蛋白收縮溫度及增厚率的影響結(jié)果,由圖可以看出,一開始收縮溫度隨著反應(yīng)溫度的增大而升高,但35℃之后隨著反應(yīng)溫度的增大收縮溫度升高不明顯;增厚率隨著反應(yīng)溫度的增長而增加,但之后沒有明顯增加。當(dāng)溫度升高時(shí),聚合物向皮內(nèi)滲透的速率增大,與皮膠原結(jié)合的速度及結(jié)合量都會(huì)增加,然而當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)對皮革粒面造成影響,使粒面粗糙。綜合考慮,選擇最佳反應(yīng)溫度為25~35℃。

        圖8 鞣制溫度對HMBAP5鞣制后皮革收縮溫度及增厚率的影響(鞣制pH為5、聚合物用量6%、反應(yīng)時(shí)間4 h)

        4 結(jié)論

        通過縮聚法制備了不同分子量的熒光超支化聚合物(HMEAPs),并探索了其對皮膠原蛋白的改性條件,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)HMEAP重均分子量約為17000,其鞣制效果最佳,與膠原蛋白作用條件為pH為5~6,聚合物用量約為6%,最佳反應(yīng)溫度為25~35℃,反應(yīng)時(shí)間為4h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,HMEAP鞣制后皮革收縮溫度可提高22.1℃,增厚率可達(dá)到35.6%。由于HMEAP具有低毒性及優(yōu)良的生物相容性,改性后膠原蛋白在生物醫(yī)藥方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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