一种高强度的明胶/粘土复合材料及其制备方法与流程

【技术领域】

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种高强度的明胶/粘土复合材料及其制备方法。

背景技术：

明胶是一种无色无味，无挥发性、透明坚硬的非晶体物质，是非常重要的天然生物高分子材料之一。明胶是由胶原蛋白水解而得的多肽混合物，具有价格低廉、可降解、成膜性好且在生理条件下不表现抗原性等优点，已被广泛应用于食品、医药及化工产业。如在食品工业中是一种重要的配料和添加剂，常作为胶凝剂、稳定剂、乳化剂、增稠剂和澄清剂等应用于肉制品、蛋糕、冰淇淋、啤酒、果汁等的生产；在医药中应用最多的是作为包裹药物的胶囊；在化工业中用于纤维纺织、绝缘材料、纸张、全息材料等的制造方面。

由于明胶的力学性能较差，限制了明胶在生物医药材料等新材料领域的应用，一些改善明胶力学性能的研究开始被报道，如通过共混、交联制备互穿网络聚合物的方法能改善材料的力学性能。刘云等以海藻酸钠和明胶为原料，以京尼平、cacl2为交联剂，采用分步交联法制备了明胶/海藻酸钠互穿网络膜,显著提高了明胶的力学性能、吸水保水性能和相容性(liuy,huji,etal.effectofoxidationdegreeofoxidizedsodiumalginateonpropertiesofsodiumalginate/gelatin(semi)ipnscrosslinkedwithoxidizedsodiumalginate[j].journaloffunctionalpolymers,2015)。王娟等利用明胶与聚乳酸制备的软骨支架，表现出良好的亲水性和机械性能(提高抗压强度和弹性模量)(wangj,lid,lit,etal.gelatintight-coatedpoly(lactide-co-glycolide)scaffoldincorporatingrhbmp-2forbonetissueengineering[j].materials,2015,8)。

粘土是硅铝酸盐矿物在地球表面风化后形成，一般由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成。具有很好的可塑性、物理吸附性和表面化学活性，且可直接进入生态循环系统。因此明胶/粘土复合材料具有极大的研究价值与应用价值。明胶/粘土复合材料显著提高了明胶的各项性能，具有良好的力学强度(拉伸、压缩强度及弹性)、良好的细胞相容性与粘附性，在医用软骨支架工程材料领域有巨大的应用前景，因此，本发明的目的在于提供一种绿色环保、力学性能好、有良好的细胞相容性与粘附性的明胶/粘土复合材料具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种绿色环保、可降解的、实用性更高的、高强度的明胶/粘土复合材料及其制备方法，它具有制备工艺简单、成本低，且具有良好的亲水性、生物相容性、细胞粘附性等优点。

本发明所述的一种高强度的明胶/粘土复合材料及其制备方法，它采用如下方法步骤:

步骤一：将明胶与去离子水按质量比(0.05-0.2):10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一得到的混合液中加入单体、粘土，其单体、粘土与去离子水的质量比为(0.5-1):(0.4-3.5):10，在搅拌器下搅拌10-20min，搅拌均匀；

步骤三：向步骤二得到的混合液中加入引发剂，引发剂的加入量为混合液的质量的0.08％-0.15％，搅拌均匀；将混合液倒入模具，在紫外灯365nm波长下照射1.5-2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料；

或向步骤二得到的混合溶液中加入催化剂和引发剂，其中催化剂在混合溶液中的质量百分比为0.08％-0.15％，引发剂在混合液中的质量百分比为0.08％-0.15％，将得到的混合溶液倒入模板，在引发剂与催化剂的作用下，温度为20-40℃左右环境中交联聚合10-40h；将复合物与模板剥离，得到明胶/粘土复合材料。

进一步地，所述的明胶为骨明胶、皮明胶、药用明胶、食用明胶、工业明胶或清真级明胶中的一种。

进一步地，所述的单体类物质有丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、n-乙基丙烯酰胺、n-乙烯基已内酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、丙烯酸钾、2-丙烯酸-2-甲氧基乙酯等所组成的组中的至少一种。

进一步地，所述的粘土类物质有天然蒙脱土、膨润土、高岭土、凹凸棒石、合成锂蒙脱石、rd、xlg、d、xl21、rds、xls、js、s482所组成的组中的至少一种。

进一步地，所述的引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮或过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。

进一步地，所述的催化剂为四甲基乙二胺。

进一步地，所述的复合材料为三元互穿网络结构，明胶与聚合物形成互穿的双网络结构，粘土穿插在双网络中，形成更加稳定的三元网络结构。

进一步地，所述的复合材料中明胶、聚合物、粘土占复合材料的比重为0.5％-1.71％、5％-8.55％、4.98％-24.91％。

进一步地，所述复合材料的拉伸强度可达到600kpa、压缩强度可达到1mpa。

进一步地，所述的复合材料具有良好的亲水性、生物相容性、细胞粘附性。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种高强度的明胶/粘土复合材料的制备方法，它具有制备工艺简单、成本低，且具有良好的亲水性、生物相容性、细胞粘附性等优点。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的实施例1制备的明胶/粘土复合材料的拉伸强度示意图；

图2为本发明的实施例1制备的明胶/粘土复合材料的压缩强度示意图。

图3为本发明的复合材料的三元网络结构图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本具体实施方式所述的一种高强度的明胶/粘土复合材料的制备方法，它采用如下方法步骤:

步骤一：将明胶与去离子水按质量比(0.05-0.2):10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一得到的混合液中加入单体、粘土，其单体、粘土与去离子水的质量比为(0.5-1):(0.4-3.5):10，在搅拌器下搅拌10-20min，搅拌均匀；

步骤三：向步骤二得到的混合液中加入引发剂，引发剂的加入量为混合液的质量的0.08％-0.15％，搅拌均匀；将混合液倒入模具，在紫外灯365nm波长下照射1.5-2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料；

或向步骤二得到的混合溶液中加入催化剂和引发剂，其中催化剂在混合溶液中的质量百分比为0.08％-0.15％，引发剂在混合液中的质量百分比为0.08％-0.15％，将得到的混合溶液倒入模板，在引发剂与催化剂的作用下，温度为20-40℃左右环境中交联聚合10-40h；将复合物与模板剥离，得到明胶/粘土复合材料。

作为本发明的一种优选，所述的明胶为骨明胶、皮明胶、药用明胶、食用明胶、工业明胶或清真级明胶中的一种。

作为本发明的一种优选，所述的单体类物质有丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、n-乙基丙烯酰胺、n-乙烯基已内酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、丙烯酸钾、2-丙烯酸-2-甲氧基乙酯等所组成的组中的至少一种。

作为本发明的一种优选，所述的粘土类物质有天然蒙脱土、膨润土、高岭土、凹凸棒石、合成锂蒙脱石、rd、xlg、d、xl21、rds、xls、js、s482所组成的组中的至少一种。

作为本发明的一种优选，所述的引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮或过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。

作为本发明的一种优选，所述的催化剂为四甲基乙二胺。

复合材料为三元互穿网络结构(如附图3所示)，明胶与聚合物形成互穿的双网络结构，粘土穿插在双网络中，形成更加稳定的三元网络结构。

所述的复合材料中明胶、聚合物、粘土占复合材料的比重为0.5％-1.71％、5％-8.55％、4.98％-24.91％。

所述复合材料的拉伸强度可达到600kpa、压缩强度可达到1mpa。

具体实施例一:(如图1、图2所示)

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.05:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、xlg，其中异丙基丙烯酰胺、xlg、去离子水的质量比为0.5:0.4:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.08％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm波长的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和xlg复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为504kpa，压缩强度为898kpa。

具体实施例二：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.2:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、s482，其中异丙基丙烯酰胺、s482、去离子水的质量比为1:3.5:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.15％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和s482复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为600kpa，压缩强度为1mpa。

具体实施例三：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.15:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、s482，其中异丙基丙烯酰胺、s482、去离子水的质量比为0.8:2:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.12％，搅拌均匀，加入四甲基乙二胺，质量为混合液的0.12％。将混合液倒入模具中，30℃恒温热聚合25h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和s482复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为487kpa，压缩强度为862kpa。

具体实施例四：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.1:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、s482，其中异丙基丙烯酰胺、s482、去离子水的质量比为0.5:1.5:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.1％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和s482复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为500kpa，压缩强度为896kpa。

具体实施例五：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.12:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、xlg，其中异丙基丙烯酰胺、xlg、去离子水的质量比为0.9:1:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.12％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm波长的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和xlg复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为495kpa，压缩强度为885kpa。

具体实施例六：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.1:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、xlg，其中异丙基丙烯酰胺、xlg、去离子水的质量比为0.8:0.8:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二中的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.1％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm波长的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和xlg复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为480kpa，压缩强度为850kpa。

具体实施例七：

其采用如下的方法步骤：

步骤一：取明胶与去离子水按质量比0.08:10的比例混合，搅拌至完全溶解；

步骤二：向步骤一中的混合液中加入异丙基丙烯酰胺、xlg，其中异丙基丙烯酰胺、xlg、去离子水的质量比为1:0.6:10进行混合，在搅拌器下搅拌均匀。

步骤三：向步骤二的混合液中加入2,2-二乙氧基苯乙酮，其中加入的质量为混合液质量的0.08％，搅拌均匀。将混合液倒入模具中，在365nm波长的紫外灯下照射2h，从模板上剥离复合物，在清水中洗净，得到明胶/粘土复合材料，所得复合材料是由聚丙烯酰胺和xlg复合而成。

步骤四：将制备的水凝胶进行拉伸与压缩强度测试，实验所用仪器为电子万能试验机(rgm-2010)。实验测得拉伸强度为560kpa，压缩强度为940kpa。

本发明所制备的明胶/粘土复合材料是利用明胶与粘土及聚合物单体混合后聚合得到的，明胶/粘土复合材料具有良好的透明度与弹性；明胶/粘土复合材料具有很高的凝胶强度；明胶/粘土复合材料具有良好的亲水性；其拉伸强度可达到600kpa，压缩强度可达到1mpa，且具有良好的透明度与弹性。

本发明所述的一种高强度的明胶/粘土复合材料的制备方法，它具有制备工艺简单、成本低，且具有良好的亲水性、生物相容性、细胞粘附性等优点。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。