A tojásfehérje fehérje műanyag termikus, mechanikai és nedvszívó tulajdonságai természetes gumival és glicerinnel

Alexander Jones

1 Textil, Merchandising és Interiors Tanszék, University of Georgia, Athén, GA 30602 USA

Mark Ashton Zeller

2 ALGIX, LLC, Athén, GA 30602 USA

Suraj Sharma

1 Textil, Merchandising és Interiors Tanszék, University of Georgia, Athén, GA 30602 USA

Absztrakt

A kőolaj alapú műanyagoknak számos hátránya van: a műanyag előállításához szükséges nagy mennyiségű energia, a műanyag előállítása során keletkező hulladék és a lassú lebomlási sebesség következtében felhalmozódó hulladék. A hagyományos műanyaghasználat ezen negatív tulajdonságai miatt a figyelem az alternatív forrásokból származó, környezetbarát műanyagokra irányul. Az albumin fehérje az egyik lehetséges nyersanyagforrást biztosítja, benne rejlő antimikrobiális tulajdonságokkal, amelyek alkalmassá tehetik orvosi alkalmazásra. Ezt a tanulmányt az albumin különféle bioplasztikus tulajdonságainak vizsgálatára végeztük három lágyító - víz, glicerin és természetes kaucsuk latex - alkalmazásával. Eredmények alapján 75:25 albumin-víz, 75:25 albumin-glicerin és 80:20 albumin-természetes kaucsuk volt a legjobb keverési arány minden egyes lágyítóhoz egy későbbi idővizsgálat során, a vízstabilitás meghatározása céljából, a 80:20 albuminnal - természetes gumikeverék arány, amelynek összességében a legjobb hő-, szakító- és viszkoelasztikus tulajdonságai vannak.

Elektronikus kiegészítő anyag

A cikk online verziója (doi: 10.1186/2194-0517-2-12) kiegészítő anyagot tartalmaz, amely az engedélyezett felhasználók számára elérhető.

Bevezetés

Meg kell határozni a fehérjéből előállított bioműanyagok termikus és mechanikai tulajdonságait, mivel ez segít azonosítani a bioműanyag előállításának folyamatát, valamint azt, hogy a kapott műanyag milyen alkalmazásokra lesz alkalmas. Sharma és mtsai tanulmányában. (2008) szerint megállapították, hogy a csirke tojásfehérjéből származó albumin 136,5 ° C ± 3 ° C hőmérsékleten denaturálódik. Ez azt jelzi, hogy a csirke tojásfehérje albuminból műanyag előállításához az anyagot 136,5 ° C ± 3 ° C hőmérsékleten kell formálni annak biztosítása érdekében, hogy a fehérje denaturálódjon, és képes legyen orientálódni és bioplasztikát képezni. A fehérje alapú műanyagok húzó tulajdonságainak megmérésekor megállapítottuk, hogy a biofilmek hidrofób kölcsönhatásainak és hidrogénkötéseinek megszakadása reverzibilis hozamot eredményez (Sharma et al. 2008). A hozampont ezen megfordulása lehetővé teszi a húzófeszültség többszörös ráhelyezését a bioplasztikára, amíg a töréspontot nem érik el.

Mód

Anyagok

A bioműanyagok előállításához felhasznált albumint (tisztaság ≥99%) a Sigma-Aldrich Corporation-től (St. Louis, MO, USA) szereztük be. A bioplasztikumok előállításához használt lágyítókat különféle forrásokból nyertük: ioncserélt vizet nyertünk a laboratóriumi vízszűréssel, a Sigma-Aldrich cégtől a glicerint ≥99% -os tisztasággal és a természetes gumi latexet (70% szilárd, 30% víz) 10,8 pH-jú keveréket) a Chemionics Corporation-től (Tallmadge, OH, USA) szereztük be.

Préselt préselt minták elkészítése

Az albumin-alapú bioplasztikus keverékek formázását 24 tonnás padlólapon (Carver Model 3850, Wabash, IN, USA) végeztük, elektromosan fűtött és vízhűtéses lemezekkel. A rozsdamentes acélból készült öntőformákat vagy kutya csont alakú bioplasztikák alkotják mechanikai elemzés céljából, vagy két kis téglalap alakú hajlító rudat különféle tulajdonságelemzésekhez. Az ebben a vizsgálatban bemutatott adatokat préselt préselt mintákból állítottuk elő 5 perc főzési idővel 136,5 ° C-on, majd 10 perces hűtési periódussal, legalább 40 MPa nyomáson, mivel bizonyos minimális nyomás szükséges. műanyag öntésének megrendelése (Sue és mtsai 1997). A bioplasztikus keverékeket kisebb, legfeljebb 6 g-os adagokban készítettük el, majd állandó tömeggel öntöttük az öntőformákba, dinamikus mechanikai analízis (DMA) hajlító rudakkal, amelyek 2 g-ból, és kutya csontokból, amelyek 6 g albuminporból készültek. Miután a mintákat 10 percig nyomás alatt hűtöttük, a nyomást felszabadítottuk és a mintákat eltávolítottuk. A mintákat ezután legalább 24 órára kondicionáló kamrába helyeztük, hacsak másképp nem jelezzük. A kondicionáló kamrát 21,1 ° C-ra és 65% relatív páratartalomra állítottuk.

Súlyváltozás és nedvességtartalom elemzés

A bioplasztikus mintákat kondicionáló kamrába helyeztük a nedvességtartalom meghatározása érdekében az idő múlásával - kezdetben, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 24, 48, 72 és 96 órával az öntés után. A pontos mérések biztosítása érdekében négy DMA flex sávot készítettek és elemeztek a folyamat során. A műanyagok nedvességtartalmát bioplasztikus műanyagok folyékony nitrogénnel történő kriokrosztatásával elemeztük minden egyes keveréktípushoz (n = 4), és 80 ° C-on 1 órán át melegítettük, majd 10 percig hűtöttük. A nedvességtartalom meghatározásához használt egyenlet a következő volt:

ahol W0 = a minta kezdeti tömege és W0d = a minta súlya szárítás után.

Dinamikus mechanikai elemzés

Kondicionálás után a DMA flexibilis rudakat dinamikus mechanikai analízissel (Menard 1999) elemeztük viszkoelasztikus tulajdonságaik alapján, a PerkinElmer (Branford, CT, USA) DMA 8000 dinamikus mechanikai analizátorát használva, 25 ° C hőmérsékleten kezdődve és 160 ° C hőmérséklet, 2 ° C min-1 hőmérsékleti rámpával. Az analizátor beállításait 9 × 2,5 × 12,5 mm 3 méretre állítottuk be kettős konzolos elrendezéssel, 1 Hz frekvencián, 0,05 mm elmozdulással. Mindegyik mintatípust két példányban (n = 2) elemeztük a pontosság biztosítása érdekében. A DMA flexibilis rudakat az öntés után azonnali, 24 és 5 napos időközönként teszteltük a viszkoelasztikus tulajdonságok időbeli meghatározása érdekében.

Hőelemzés

A termikus gravimetriás elemzést (TGA) egy Mettler Toledo TGA/SDTA851e (Columbus, OH, USA), és a differenciális pásztázó kalorimetriát (DSC) egy Mettler Toledo DSC821e alkalmazásával végeztük. A TGA-t 25 ° C és 800 ° C között végeztük N2 atmoszférában, 10 ° C min-1 fűtési sebességgel. A DSC-t -50 ° C és -250 ° C között végeztük N2 atmoszférában, 20 ° C min-1 fűtési sebességgel. Az összes mintát (n = 2) 2,0 és 4,0 mg közötti tömeggel készítettük el, amikor a mintákat minden keverékhez DMA flexibilis rudakból vágtuk. A TGA és DSC teszteket az öntés után azonnali, 24 és 5 napos időközönként végeztük.

Pásztázó elektronmikroszkóp

Albumin pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) mintákat (n = 2 minden műanyag típushoz) készítettünk kriogén DMA flexibilis törésfelületekből, miután legalább 24 órán át kondicionáló kamrába helyeztük őket. A DMA flexibilis rudakat folyékony nitrogénbe merítettük 20 másodpercig; utána azonnal megtörték. A mintákat felhelyeztük, majd Au/Pt keverékkel 60 másodpercig porlasztással bevontuk. A SEM képeket Zeiss 1450EP (Carl Zeiss AG, Oberkochen, Németország) változó nyomású pásztázó elektronmikroszkóppal rögzítettük. A bevonattal ellátott mintákat × 20, × 100 és × 500 értékeken elemeztük minden egyes keveréktípusra.

Mechanikai tulajdonságok

A kondicionált albumin bioplasztikák mechanikai tulajdonságait a Blue Hill szoftverrel összekapcsolt Instron tesztelő rendszer (Model 3343, Instron Corporation, Norwood, MA, USA) segítségével mértük. A vizsgálatot a műanyagok szakító tulajdonságainak standard vizsgálati módszerével (ASTM D 638–10, I. típus) végeztük, 5 mm min – 1 keresztirányú fordulatszámmal, 1000 N statikus terhelőcellával és 4 mm nyomtávolsággal. cm. A mintákat ötféle példányban (n = 5) futtattuk minden egyes keveréktípushoz a pontos mérés biztosítása érdekében.

statisztikai módszerek

Az adatok statisztikai elemzését a nedvességtartalom elemzéséhez és a mechanikai tulajdonságok elemzéséhez hoztuk létre teljesítményelemzés segítségével. Minden vizsgált műanyag típushoz generálták az átlag és a szórás alapján statisztikai értékeket, p értékekkel (0,05 vagy kevesebb), a Student t teszteloszlásából generált tesztelt tulajdonságok alapján a műanyag típusokhoz képest. A nedvességtartalom elemzéséhez korrelációs elemzést is végeztek (1 = tökéletes pozitív korreláció, 0 = nincs korreláció, −1 = tökéletes negatív korreláció).

Eredmények és vita

Kezdeti anyagelemzés

Az albumin termikus tulajdonságai

A kezdeti lebomlási csúcsot 220 ° C és 230 ° C között mutatták, sokkal nagyobb csúcs 245 és 250 ° C között kezdődött, és az albumin por 93% -a lebomlott a TGA-futtatás végén (1. ábra). Ezek az eredmények hasonlóak voltak a Sharma és Luzinov (2012) munkájában elért eredményekhez. A DSC adatok szerint az endoterm merülés 75 ° C-on kezdődött, 120 ° C és 125 ° C közötti széles csúccsal. Ez azt jelezte, hogy az anyag teljes mértékben átment az átmeneti fázisán - a denaturáción. 250 ° C-on endoterm bomlás vagy pirolízis csúcs következett be, amely a lebomlás kezdetét mutatta. Ezért az albumin alapú bioplasztikus műanyagokat 136,5 ° C-on formázták, mivel ez volt az albumin műanyagokká történő feldolgozásának biztonságos hőmérséklete a lehető legkevesebb lebomlás mellett. Az albumin lebomlás nélküli, teljesen denaturált 120 ° C és 125 ° C közötti denaturálása alapján megállapították, hogy a műanyagokat ennél a hőmérsékletnél magasabbra, de alacsonyabb hőmérsékletre kell önteni, ahol lebomlik (1. ábra).

Tiszta albumin por termográfiái. a) TGA és b) DSC.

Dinamikus mechanikai elemzés

A kezdeti albumin műanyagok dinamikus mechanikai elemzése. a) Albumin-víz, b) albumin-glicerin, c) albumin-természetes gumi, és d) az egyes műanyagok optimális keverékei.

A természetes gumi latexet használó albumin műanyagoknál, mint a lágyítónál, ugyanazokat a tendenciákat figyeltük meg, bár a kezdeti tanδ értékekben nagyon kicsi volt a különbség (2. c ábra). A 80:20 arányú albumin-gumi készítmény a magas kezdeti modulus és a tanδ optimális keverékével rendelkezett, mivel tanδ értéke összehasonlítható volt a 70:30 és 75:25 albumin-gumi arányokkal. Azonban a 80:20 arányú albumin-kaucsuk bioműanyagok nagyobb kezdeti modulussal bírtak, miközben tanδ csúcsuk alacsonyabb hőmérsékleten volt, mint azok a bioműanyagok, amelyek kisebb gumicsomókat tartalmaztak (2. c ábra). Amikor összehasonlítottuk a műanyagokat a felhasznált lágyító típusai alapján, azt tapasztaltuk, hogy a kezdeti modulus mindhárom lágyító esetében hasonló volt, de a természetes gumi alapú bioplasztikák mutatták a legalacsonyabb kezdeti tanδ értékeket, míg más lágyítók (víz és glicerin) a legnagyobbak viszkózus hőelvezetés (Pommet et al. 2005). Ennek az elemzésnek a befejezésével meghatározták, hogy az albumin műanyag termelésének optimális keverékei 75:25 albumin-víz, 75:25 albumin-glicerin és 80:20 albumin-gumi voltak (2. ábra d).

Időtanulmány

Bioplasztikus nedvességtartalom elemzése

Az albumin műanyagok nedvességtartalma az idő múlásával.