CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜制備及其特性

吳佳喜，張鈺祿，解林坤，柴希娟，秦永劍，杜官本，徐開蒙

(西南林業大學材料科學與工程學院，林業生物質資源高效利用技術國家地方聯合工程研究中心，科技部生物質材料國際聯合研究中心，昆明 650224)

隨著傳統石油基高分子材料所引發的白色污染等環境問題的日益加劇，以及我國2030“碳達峰”和2060“碳中和”戰略發展目標的擬定，材料工業未來的發展趨勢將進一步傾向于復合化、功能化和綠色低碳化。因此，探索和開發地球上的可再生生物質資源制備天然生物質基新材料將成為新時期下我國材料工業技術進步和社會可持續發展的必然趨勢。

甲殼綱生物(如蝦和蟹)殼體角質層主要由有機物和無機物按多層級疊層結構自然復合而成，該結構既剛又柔，不僅起到了對殼體所受外部機械沖擊的保護作用，也承載著殼體內部骨骼、肌肉運動時的內部應力，是一種古老且強韌性較好的有機/無機天然生物質基復合材料[1]。Nikolov等[2]和Fabritius等[3]分別揭示了美洲熬龍蝦和黃道蟹的殼體主要是由甲殼素纖維、蛋白和無機礦物質相互組合而形成的螺旋疊層結構。Gbenebor等[4]對比研究了生物體內無機碳酸鈣對殼體物理化學特性的影響后表明，碳酸鈣含量和分布的差異對天然殼體抗變形能力和熱穩定性有重要影響。

纖維素(CE)和甲殼素(CT)是地球上儲量第一和第二豐富的天然生物質資源，兩者有著極其相似的化學結構[5]。CE通過酸解法可獲得表面帶有負電荷的短棒狀纖維素納米晶(CNC)，CNC通過相互間的強靜電斥力在適當的干燥條件下具有形成螺旋結構的潛力[6]，且高結晶度的CNC具有與芳綸纖維和不銹鋼相媲美的力學強度[7]。然而，由于CNC干燥后較脆，常通過與聚合物復合或添加增塑劑來提高其柔韌性[8]。CT具有廣譜抗菌性、生物黏附性和優異成膜性等獨特生理功能[9]。絲素蛋白(SF)作為一類無顯著生理活性的結構蛋白，具有高強、高韌等特點[10]。上述3類天然高分子材料都具有來源豐富、成本低廉、生物相容性和環境友好性佳等優勢。納米碳酸鈣(CaCO3)是一種比表面積大、化學穩定性高和無毒無臭的無機功能材料[11]。

基于天然甲殼綱生物殼體組成成分與多層級排列結構仿生思想啟發，以CNC、SF、CT和納米CaCO3作為復合組元，結合復合組元自身特性，通過蒸發誘導自組裝和流延疊層復合制備CT/SF/CNC/CaCO3剛柔并濟且熱穩定性佳的仿生復合膜，并通過掃描電鏡(SEM)、紫外-可見光吸收光譜(UV-vis)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射(XRD)、熱重分析(TG)和萬能力學試驗機等表征了復合膜的綜合性能，為新型生物質仿生功能性復合膜在綠色食品包裝、高強高韌薄膜材料和生物組織工程材料等領域中的開發與利用提供數據支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

天然蠶繭，購自陜西省安康市石泉縣桑蠶基地；甲殼素，分子量400 000，購自美國Sigma-Aldrich有限公司；微晶纖維素，購自山東優索化工科技有限公司；CH3CH2OH、H2SO4(質量分數98%)、Na2CO3、CaCl2、NaOH和CH4N2O等均為分析純，購自天津市風船化學試劑科技有限公司；納米碳酸鈣，購自蘇州凱爾達塑膠原料有限公司；透析袋，截留相對分子質量8 000～14 000，購自上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器設備

HZK-LC-210型真空干燥箱(上海躍進醫療器械有限公司)；Sigma 300掃描電子顯微鏡(德國Zeiss)；Lambda 750紫外-可見光分光光度計(美國Perkin Elmer)；Tensor 27傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker)；Ultima IV X射線衍射儀(日本理學株式會社)；209-F1熱重分析儀(德國Netzsch)；1185萬能力學試驗機(美國Instron)。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理

采用 Na2CO3溶液對蠶繭進行脫絲膠處理，然后通過CaCl2/CH3CH2OH/H2O三元溶液在75 ℃下溶解蠶繭2 h，透析處理72 h，離心去除不溶的雜質并獲得SF清液。根據文獻[5]的方法將一定量的微晶纖維素通過H2SO4水解制備CNC。稱取質量比為 2.5∶11.0∶4.0的CT、NaOH和CH4N2O，在-12 ℃ 下持續攪拌分散于去離子水中48 h，得到透明CT溶液。

1.3.2 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的制備方法

將質量分數2.5%的CT溶液與質量分數3.5%的SF按質量比4∶1混合，在冰浴中混合均勻，然后將不同質量分數(0.01%，0.05%，0.10%，0.30%和0.60%)的納米CaCO3水溶液與CT/SF混合溶液按質量比1∶2混合，形成均勻的CT/SF/CaCO3混合溶液，通過流延方法形成CT/SF/CaCO3復合基體，然后在CT/SF/CaCO3復合基體上流延3%(質量分數)的CNC溶液，在真空干燥箱中放置通過蒸發誘導自組裝獲得具有螺旋結構的CNC表面層。隨后，采用同樣的方法形成“三明治”疊層結構的CNC-CT/SF/CaCO3-CNC復合膜。通過調控納米碳酸鈣水溶液質量分數、復合基體(CT/SF/CaCO3)厚度和CNC厚度制備得到不同組別的CT/SF/CNC/CaCO3復合膜。另將相同質量分數和配比的CT、SF、CNC和CaCO3直接混合流延成膜后干燥形成復合膜對照組。

1.3.3 SEM表征

將復合膜置于液氮中冷卻后取出淬斷，對斷口進行40 s噴金處理，采用Sigma 300場發射掃描電子顯微鏡在2.0 kV加速電壓下進行觀察。

1.3.4 UV-vis表征

采用Lambda750 紫外-可見光分光光度計在波長300～800 nm內對復合膜的透過率進行測試。

1.3.5 FT-IR表征

采用Tensor27傅里葉變換紅外光譜儀通過衰減全反射(ATR)附件對不同組別復合膜在波數600～4 000 cm-1內進行掃描。

1.3.6 XRD表征

采用Ultima IV型X射線衍射儀表征復合膜的結晶特性。具體參數為：Cu靶，Kα射線(波長為0.154 nm)，電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍5～50°，步長增量2θ=0.02°。

1.3.7 TG表征

采用209-F1熱重分析儀在氮氣保護下表征復合膜的熱穩定性，每組取6～10 mg樣品置于陶瓷干鍋中，溫度為40～800 ℃，升溫速率為5 ℃/min。

1.3.8 力學性能測試

采用萬能力學試驗機對復合膜進行靜態拉伸試驗，復合膜尺寸為長25 mm、寬10 mm，拉伸速率為0.5 mm/min。

2 結果與分析

2.1 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的形貌分析

不同組別CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的表觀形貌圖見圖1。從圖1a～e可見，隨著納米CaCO3質量分數從0.01%逐漸增加到0.60%時，復合膜的透明性逐漸降低。通過對比相同CaCO3質量分數下的2倍基體(CT/SF/CaCO3)厚度和2倍CNC厚度的復合膜表觀形貌可知，增加基體或CNC厚度一定程度地降低了復合膜的透明度(圖1f和1g)。然而，將CT、SF、CNC和CaCO34組元直接混合均勻后流延干燥所制備的復合膜透明性最差，且膜脆性大，極易發生破裂(圖1h)。通過觀察可知，無論是改變納米CaCO3質量分數、基體厚度或CNC厚度還是將4組元直接均勻混合，所制得的CT/SF/CNC/CaCO3復合膜中均未出現CNC手性向列型有序液晶相所表現出的彩虹色區域，這可能是由于帶有微正電的納米碳酸鈣顆粒的加入影響了帶有負電荷且相互排斥的CNC蒸發誘導自組裝過程[12]，導致可見光在反射過程中改變了原先路徑所致。為進一步觀察CNC在復合膜中是否形成了一定的螺旋結構，將含有0.10% 質量分數CaCO3的CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的斷面微觀形貌通過SEM進行表征，結果見圖2。從圖2a中可以清晰地觀察到仿生復合膜的疊層“三明治”結構，圖2b～d分別為進一步放大的CNC-CT/SF/CaCO3-CNC 3層結構，結合Yao等[13]的研究報道，證實了圖2a中的上、下薄層均為CNC在蒸發誘導自組裝過程中產生了一定的疊層螺旋結構，而中間層具有的波紋溝壑可能是因為包覆了一定量的納米碳酸鈣所致。

a) 0.01%(質量分數，下同)CaCO3; b) 0.05%CaCO3; c) 0.10%CaCO3; d) 0.30%CaCO3; e) 0.60%CaCO3; f) 0.10%CaCO3(2倍CNC厚度); g) 0.10%CaCO3(2倍基體厚度); h) 0.10%CaCO3(直接混合)。圖1 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的表觀形貌Fig. 1 Appearance morphologies of CT/SF/CNC/CaCO3 films

a)斷面結構; b、d) CNC層; c) CT/SF/CaCO3復合基體。圖2 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜斷面SEM圖Fig. 2 SEM images of cross section layer of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films

2.2 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的UV-vis分析

不同組別CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜的UV-vis曲線見圖3。由圖3可知，不同質量分數的CaCO3、不同基體厚度和CNC厚度條件下制備的復合膜在可見光波長范圍內的透過率均較為穩定，未反射出各種色彩的波長，但不同組別間的透過率差異明顯，這與上述表觀形貌分析一致。隨著納米CaCO3質量分數從0.01%逐漸增加至0.60%，CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的透過率逐漸降低，從76.7% 降低至38.4%，這可能是由于納米碳酸鈣含量的增加導致其自身團聚。同時，納米碳酸鈣含量的增加影響了絲素蛋白與甲殼素主鏈之間酰胺-酰胺結合作用[14]，從而降低了透過率。另外，在相同的納米CaCO3質量分數(0.10%)下，基體厚度的增加也使復合膜整體透過率小幅降低，從52.8%降至48.1%，說明基體厚度的變化對復合膜透過率影響相對較小。此外，將CT、SF、CNC和CaCO3四組元直接混合制備的復合膜與同等條件下制備的仿生復合膜相比，透過率進一步降低了15.0%左右，究其原因可能是由于CNC的直接加入干擾了CT和SF的相互結合，也影響了CaCO3的分散，使得復合膜在干燥過程中結晶度增加，透過率下降。

圖3 不同組別CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的UV-vis譜圖Fig. 3 UV-vis spectra of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films with different groups

2.3 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的FT-IR分析

圖4 不同組別CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的FT-IR圖譜Fig. 4 FT-IR spectra of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films with different groups

2.4 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的XRD分析

不同組別CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜的XRD圖見圖5。由圖5可知，所有復合膜樣品在2θ為9.5°和20.2°均出現了SF和CT的特征峰[20]。在2θ為22.5°處出現的特征衍射峰主要對應CNC中的(200)晶面[21]。幾個較弱的特征衍射寬峰表明，復合膜主要以非晶態為主。同時，在復合膜的XRD曲線中也未發現納米CaCO3所對應的幾個特征峰，這可能是由于CT、SF和CNC在復合過程中包裹住了納米CaCO3，從而掩蓋了其特征峰。當納米CaCO3質量分數從0.01%增加至0.10%時，復合膜所對應的衍射峰強度有所增加。當納米CaCO3質量分數繼續增加至0.30%和0.60%時，在2θ為29.4°附近產生了方解石型CaCO3(104)晶面的特征衍射峰[19]，這可能是由于過量的納米CaCO3在復合時部分存在于復合基體外部所致。對于將四組元直接混合制備的CT/SF/CNC/CaCO3復合膜而言，在2θ為9.5°和20.2°處的特征衍射峰峰型更加尖銳，且強度較高，表明該組復合膜的結晶度較高，這與表觀形貌和透過率分析結果一致。

圖5 不同組別CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的XRD圖Fig. 5 XRD patterns of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films with different groups

2.5 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的TG分析

不同組別CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜的TG和差熱重量分析(DTG)見圖6。由TG圖可知，復合膜主要有3個熱降解階段，依次為40～135，150～450和600～800 ℃。CT/SF/CNC/CaCO3復合膜在第1階段135 ℃時的質量損失率約為15%，這主要是由于復合膜在加熱過程中的結合水揮發以及絲素蛋白中的蛋白分子肽鏈熱變性所致[22]。在第2階段150～450 ℃時，復合膜發生顯著的質量損失，這主要是由于CNC、CT糖苷鍵的氧化、脫乙?；?、斷裂和吡喃糖開環以及SF中氨基酸殘基側鏈基團和肽鏈基團的斷裂所致[23-24]。在第3階段600～800 ℃時，復合膜的主要質量損失是由于納米CaCO3熱分解形成氧化鈣所致[25]。對不同組別的CT/SF/CNC/CaCO3而言，隨著納米碳酸鈣質量分數增加，復合膜的TG曲線有向高溫偏移的趨勢。從DTG圖中也可看出，隨著納米碳酸鈣質量分數從0.05%增加至0.10%，第2階段中的最大熱降解溫度Tmax從210.4增加至218.5 ℃，且在相同納米CaCO3質量分數下，2倍CNC厚度復合膜的Tmax也提高2.4 ℃，2倍基體厚度復合膜的Tmax對應的峰相對較寬，對熱穩定性的提升效果不明顯，這可能與復合基體中蛋白分子肽鏈熱變性影響有關。而四組元直接混合的復合膜的Tmax卻略有降低，這可能是由于未經過設計直接混合的復合膜各組元之間結合性相對較弱，在受熱條件下復合膜的整體結構更易發生熱降解所致。隨著溫度進一步升高到350～450 ℃，對應的Tmax依然呈現相似的變化規律，這說明“三明治”型復合結構的形成以及納米CaCO3、CNC的引入可協同提升復合膜的熱穩定性能。

圖6 不同組別CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的TG和DTG曲線Fig. 6 TG and DTG curves of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films with different groups

不同組別圖7 不同組別CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜的力學性能Fig. 7 Mechanical properties of CT/SF/CNC/CaCO3 biocomposite films with different groups

2.6 CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的力學性能分析

CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜的力學性能圖見圖7。由圖7可知，四組元直接混合制備的普通復合膜與疊層仿生復合膜相比，其拉伸強度和斷裂伸長率均較低，分別為5.6 MPa和91%。仿生復合膜的拉伸強度隨著納米CaCO3質量分數從0.01%增加至0.10%，從9.2 MPa增加至12.4 MPa，但當納米CaCO3質量分數進一步增加至0.30%和0.60% 時，拉伸強度再次發生降低。復合膜的斷裂伸長率隨著納米CaCO3質量分數的增加而不斷減小，這說明納米CaCO3的引入能與復合膜中的有機高分子發生結合，但過多或過少的納米CaCO3均不利于復合膜強度和韌性的提升。2倍CNC厚度條件下仿生復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別增加了7.6% 和12.8%，而2倍基體厚度時，復合膜的拉伸強度沒有明顯的增加，但斷裂伸長率增加了25.6%，表明CNC和基體厚度的增加均能不同程度地增強復合膜的力學性能。0.10%質量分數納米CaCO3且2倍CNC厚度的CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜具有較優異的綜合力學性能，其拉伸強度和斷裂伸長率分別為13.4 MPa和141%。

3 結 論

采用溶液蒸發誘導自組裝和流延法制備了具有“三明治”結構的CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜，然后表征分析了復合膜的微觀形貌、透明性、化學基團、結晶性、熱穩定性和力學性能等綜合特性，得出以下結論：

1)不同質量分數的CaCO3、不同基體厚度和CNC厚度條件下制備的仿生復合膜以及四組元直接混合制得的復合膜中均未出現CNC手性向列型有序液晶相所表現出的彩虹色區域。CT/SF/CNC/CaCO3復合膜的透過率隨納米CaCO3質量分數的升高而降低，且增加基體或者CNC厚度會進一步降低復合膜的透明性。四組元直接混合后制備的復合膜透明性最低，且脆性大。納米CaCO3的存在影響了絲素蛋白與甲殼素間的結合作用。

2)“三明治”型疊層結構的形成以及CNC和納米CaCO3的引入可協同有效提升復合膜的熱穩定性能和力學性能，但過多或過少的納米CaCO3均不利于復合膜強度和韌性的提升。0.10%質量分數納米CaCO3且2倍CNC厚度的CT/SF/CNC/CaCO3仿生復合膜具有較優異的綜合力學性能和熱穩定性能，其拉伸強度和斷裂伸長率分別為13.4 MPa和141%，且最大熱降解溫度提升10.5 ℃。