Александър Джоунс

1 Катедра по текстил, мърчандайзинг и интериори, Университет на Джорджия, Атина, GA 30602 САЩ

Марк Аштън Зелер

2 ALGIX, LLC, Атина, GA 30602 САЩ

Сурадж Шарма

1 Катедра по текстил, мърчандайзинг и интериори, Университет на Джорджия, Атина, GA 30602 САЩ

Резюме

Пластмасите на основата на нефт имат много недостатъци: голямото количество енергия, необходимо за производството на пластмасата, отпадъците, генерирани в резултат на производството на пластмаса, и натрупването на отпадъци поради бавна скорост на разграждане. Именно поради тези отрицателни атрибути на конвенционалната употреба на пластмаси, вниманието е насочено към екологично чисти пластмаси от алтернативни източници. Албуминовият протеин осигурява един възможен източник на суровина, с присъщи антимикробни свойства, които могат да го направят подходящ за медицински приложения. Проведохме това проучване, за да изследваме различните биопластични свойства на албумина с използването на три пластификатора - вода, глицерол и естествен каучуков латекс. Въз основа на резултатите, 75:25 албумин-вода, 75:25 албумин-глицерол и 80:20 албумин-естествен каучук са най-добрите съотношения на смесване за всеки пластификатор за последващо времево проучване за определяне на водна стабилност, с албумин 80:20 -съотношение на смес от естествен каучук, притежаващо най-добрите термични, опънни и вискоеластични свойства като цяло.

Електронен допълнителен материал

Онлайн версията на тази статия (doi: 10.1186/2194-0517-2-12) съдържа допълнителен материал, който е достъпен за оторизирани потребители.

Въведение

Необходимо е да се определят термичните и механичните свойства на биопластмасите, произведени от протеин, тъй като това ще помогне да се идентифицира процесът, по който биопластмасата трябва да бъде направена, както и за какви приложения ще бъде подходяща получената пластмаса. В проучване на Sharma et al. (2008), те определят, че албуминът от пилешки яйчен белтък се денатурира при температура 136,5 ° C ± 3 ° C. Това показва, че за да се получи пластмаса от пилешки яйчен белтък албумин, материалът трябва да се формова при 136,5 ° C ± 3 ° C, за да се гарантира, че протеинът ще бъде денатуриран и ще може да се ориентира и да образува биопластмаса. Когато се измерват свойствата на опън на пластмасите, базирани на протеини, беше установено, че разкъсването на хидрофобните взаимодействия и водородните връзки на биопластмасите инициира обратима граница на добив (Sharma et al. 2008). Това обръщане на границата на провлачване позволява многократно натоварване на опън върху биопластика, стига да не се достигне точката на скъсване.

Методи

Материали

Албуминът (чистота ≥99%), използван за производството на биопластмаси, е получен от Sigma-Aldrich Corporation (Сейнт Луис, Мисури, САЩ). Пластификаторите, използвани за формиране на биопластмасите, са получени чрез различни източници: дейонизирана вода е получена чрез филтриране на вода в лабораторията, глицеролът е получен от Sigma-Aldrich с чистота ≥99% и латекс от естествен каучук (70% твърдо вещество, 30% вода смес с рН 10,8) е получена от Chemionics Corporation (Tallmadge, OH, USA).

Приготвяне на формовани под налягане проби

Формоването на биопластични смеси на основата на албумин се извършва на 24-тонна настолна преса (Carver Model 3850, Wabash, IN, USA) с електрически нагрявани и водно охладени плочи. Формите от неръждаема стомана са направени по поръчка, за да образуват или биопластика с форма на кучешка кост за механичен анализ, или две малки правоъгълни гъвкави пръти за различни анализи на свойствата. Данните, представени в това проучване, са генерирани от формовани чрез компресия проби, като се използва 5-минутно време за готвене при 136,5 ° C, последвано от 10-минутен период на охлаждане, под налягане от най-малко 40 MPa, тъй като е необходимо определено минимално количество налягане в за да формова пластмаса (Sue et al. 1997). Биопластичните смеси се приготвят на малки партиди с ≤6 g и след това се изсипват във форми с постоянно тегло, с динамични механични анализи (DMA) гъвкави пръти, направени от 2 g и кучешки кости, направени от 6 g албуминов прах. След като пробите се охлаждат в продължение на 10 минути под налягане, налягането се освобождава и пробите се отстраняват. След това пробите се поставят в кондиционираща камера за поне 24 часа, освен ако не е посочено друго. Кондиционерната камера е настроена на 21,1 ° C и 65% относителна влажност.

Анализ на теглото и анализ на съдържанието на влага

Биопластичните проби бяха поставени в настройките на кондициониращата камера, за да се определи съдържанието на влага във времето - първоначално, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 24, 48, 72 и 96 часа след формоването. За да се осигурят точни измервания, по време на този процес бяха подготвени и анализирани четири DMA гъвкави пръта. Съдържанието на влага в пластмасите се анализира чрез криотрошаваща биопластика с течен азот за всеки тип смес (n = 4) и се загрява при 80 ° С в продължение на 1 час, след това 10 минути охлаждане. Уравнението, използвано за определяне на съдържанието на влага, беше както следва:

където W0 = първоначално тегло на образеца и W0d = тегло на образеца след изсушаване.

Динамичен механичен анализ

След кондициониране, DMA гъвкавите пръти бяха анализирани за техните вискоеластични свойства чрез използване на динамичен механичен анализ (Menard 1999), използвайки динамичен механичен анализатор DMA 8000 от PerkinElmer (Branford, CT, USA), започващ при температура 25 ° C и завършващ при температура от 160 ° C, с температурна скала от 2 ° C мин -1. Настройките на анализатора бяха зададени на размери 9 × 2,5 × 12,5 mm 3, като се използва двойна конзола с честота 1 Hz с изместване от 0,05 mm. Всеки тип проба се анализира в два екземпляра (n = 2), за да се гарантира точност. DMA гъвкавите пръти също бяха тествани на интервали от непосредствено, 24 часа и 5 дни след формоването, за да се определят вискоеластичните свойства във времето.

Термичен анализ

Термичният гравиметричен анализ (TGA) беше извършен с използване на Mettler Toledo TGA/SDTA851e (Columbus, OH, USA), а диференциалната сканираща калориметрия (DSC) беше извършена с използване на Mettler Toledo DSC821e. TGA се извършва от 25 ° C до 800 ° C в атмосфера на N2 със скорост на нагряване 10 ° C min -1. DSC се извършва от -50 ° C до -250 ° C в атмосфера на N2 със скорост на нагряване от 20 ° C мин -1. Всички проби (n = 2) се приготвят с тегла между 2,0 и 4,0 mg, тъй като пробите се изрязват от DMA гъвкави пръти за всяка смес. Тестовете TGA и DSC се провеждат на интервали от непосредствено, 24 часа и 5 дни след формоването.

Сканираща електронна микроскопия

Пробите от сканираща електронна микроскопия (SEM) с албумин (n = 2 за всеки пластмасов тип) се приготвят от криогенни повърхности на фрактура на DMA flex бара, след като се поставят в настройка на кондиционираща камера за поне 24 часа. DMA гъвкавите пръти бяха потопени в течен азот за 20 s; след това те веднага бяха счупени. Пробите се монтират, след това се разпръскват в продължение на 60 s със смес Au/Pt. SEM изображенията са записани на сканиращ електронен микроскоп Zeiss 1450EP (Carl Zeiss AG, Oberkochen, Германия). Пробите с покритие се анализират при × 20, × 100 и × 500 за всеки тип смес.

Механични свойства

Механичните свойства на кондиционираната албуминова биопластика са измерени с помощта на тестовата система Instron (Model 3343, Instron Corporation, Norwood, MA, USA), свързана със софтуера Blue Hill. Изпитването беше проведено съгласно стандартния метод за изпитване на свойствата на опън на пластмасите (ASTM D 638–10, тип I) с 5 mm минимална скорост на кръстосана глава, статична товарна клетка от 1000 N и дължина на габарита 4 см. Пробите бяха пуснати в петикратно повторение (n = 5) за всеки тип смес, за да се осигури точно измерване.

Статистически методи

Генерирани са статистически анализи на данни за анализ на съдържанието на влага и механичен анализ на свойствата чрез използване на енергиен анализ. За всеки изпитван тип пластмаса са генерирани статистически стойности, базирани на средната стойност и стандартното отклонение, с р стойности (0,05 или по-малко) в сравнение с видовете пластмаса въз основа на тестваните свойства, генерирани от разпределението на t-теста на Student. За анализ на съдържанието на влага беше проведен и корелационен анализ (1 = перфектна положителна корелация, 0 = липса на корелация, -1 = перфектна отрицателна корелация).

Резултати и дискусия

Първоначален анализ на материала

Термични свойства на албумина

Първоначалният пик на разграждане е показан между 220 ° C и 230 ° C, с много по-голям пик, започващ от 245 до 250 ° C, и 93% от албуминовия прах се разгражда до края на TGA (Фигура 1). Тези резултати са подобни на резултатите, получени в работата, проведена от Шарма и Лузинов (2012). За DSC данни, ендотермичното потапяне започва при 75 ° C с широк пик между 120 ° C и 125 ° C. Това показва, че материалът е преминал изцяло своята фаза на преход - денатурация. Ендотермичен пик на разлагане или пиролиза се наблюдава при 250 ° С, което показва началото на разграждането. Следователно, биопластмасите на основата на албумин се формоват при 136,5 ° C, тъй като това е безопасната температура за преработка на албумин в пластмасите с възможно най-малко разграждане. Въз основа на това, че албуминът е напълно денатуриран между 120 ° C и 125 ° C без разграждане, беше определено, че пластмасите трябва да бъдат формовани по-високи от тази температура, но под температури, където настъпва разграждане (Фигура 1).

термични

Термографи на чист албумин на прах. а) TGA и б) DSC.

Динамичен механичен анализ

Динамичен механичен анализ на първоначалните албуминови пластмаси. а) Албумин-вода, б) албумин-глицерол, (° С) албумин-естествен каучук и (д) оптимални смеси от всяка пластмаса.

За албуминовите пластмаси с естествен каучуков латекс като пластификатор наблюдавахме същите тенденции, въпреки че имаше много малка разлика в първоначалните стойности на tanδ (Фигура 2 в). Формулата албумин-каучук 80:20 притежава оптималната комбинация от висок начален модул и tanδ, тъй като неговите tanδ стойности са сравними със съотношенията албумин-каучук 70:30 и 75:25. Обаче биопластмасата от албумин-каучук 80:20 притежава по-висок начален модул, като същевременно има пик tanδ при по-ниска температура от биопластмасата, която съдържа по-ниско тегло на каучука (Фигура 2 в). Когато сравнихме пластмасите въз основа на видовете използвани пластификатори, установихме, че първоначалният модул е ​​сходен и за трите пластификатора, но биопластмасите на основата на естествен каучук показват най-ниските начални стойности на tanδ, докато други пластификатори (вода и глицерол) показват най-високи вискозно разсейване на топлината (Pommet et al. 2005). След приключване на този анализ беше установено, че оптималните смеси за производство на албумин пластмаса са 75:25 албумин-вода, 75:25 албумин-глицерол и 80:20 албумин-каучук (Фигура 2 г).

Проучване на времето

Анализ на съдържанието на биопластична влага

Съдържание на влага в албуминовите пластмаси с течение на времето.