一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用与流程

1.本发明涉及气凝胶技术领域，具体涉及一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用。


背景技术：

2.生物聚合物气凝胶是一种由天然生物材料制备的新型三维多孔材料，具有是密度低、孔隙率高、比表面积大和可再生性，在药物释放、细胞增殖和组织工程支架等生物医学领域引起了广泛关注。在迄今已知的各种天然生物材料中，再生蛋白更具优势，蛋白由交替的疏水性和亲水性嵌段组成，再生蛋白制备的气凝胶材料可以同时吸附和结合水基和含油污染物分子，具有具有储存容量大的优势。众所周知，羽绒、羽毛、废弃蚕丝等天然资源资源丰富，成本较低，若不加以利用，还将对环境造成污染，为此，国内外学者广泛关注到了再生蛋白的提取及蛋白基新材料的制备，例如cn111850760a一种利用废旧蚕丝制备高取向度丝素纳米纤维纱线的方法等。
3.与之同时，随着生产生活中含油污或非极性有机溶剂废水的大量排放以及海上原油泄露事故的频繁发生，水中油污染已经对人类健康和生态环境安全产生了严重威胁。因此，如何高效、快速地解决水中油污染问题成为当前亟待攻克的难题。目前，处理水中油污染问题的主要方法有直接燃烧法、物理机械法、生物降解法、化学处理法以及投放吸油材料法。其中，由于投放多孔吸油材料法具有方便、高效以及避免二次污染等优势应用最为广泛。当前，多孔吸油材料主要有高分子海绵（如聚氨酯、聚苯烯）、纳米碳基气凝胶（石墨烯、碳纳米管）、纳米纤维素气凝胶以及最近的mxene基气凝胶等。尽管上述多孔材料展现出优良的吸油性能，但是仍然存在制备工艺复杂、生物降解性差、原料价格昂贵以及力学性能较差等缺点。因此，开发高效、力学弹性优异以及绿色环保的生物质多孔吸油材料，有助于解决油污染问题，缓解能源危机，符合“双碳”目标要求。
4.再生蛋白基气凝胶是一种典型的生物质多孔材料，具有丰富的物理/化学吸附位点，在环境处理领域展现出广阔的应用前景。不同于无机气凝胶和有机聚合物气凝胶，蛋白气凝胶在传统气凝胶的特性的基础上（如低密度、高孔隙率、高比表面积以及超低的导热系数等），同时还融入了蛋白本身的生物相容性、生物降解性和易于化学修饰等优良性能，是一种具有开发前景的绿色环保型多孔吸附材料。然而，蛋白分子链中含有大量的亲水性嵌段，使其具有较强的吸水能力，将气凝胶材料直接用于水中油污染处理的同时也会吸附大量的水，导致油水选择性不高，处理效率低，严重影响使用效果。通过化学修饰在蛋白分子链上引入疏水性基团是提升蛋白气凝胶吸油性能的有效途径。maleki等人以聚甲基倍半硅氧烷（pmsq）为改性剂，通过连续的溶胶-凝胶法制备了吸油性能优异的蛋白-pmsq复合气凝胶，但制备工艺过于冗长，且传统溶解-再生工艺破坏了天然蚕丝精妙的层次结构，不可避免地会引起再生蛋白气凝胶力学弹性降低，导致其在吸附-挤压过程中吸油能力下降。尽管引入的pmsq提高了蛋白气凝胶的压缩强度，但是其力学弹性已不再受重视。shome和zhou等团队分别采用烷基胺和氧化石墨烯/三聚氰胺改性再生蛋白气凝胶，赋予了其优良的力学
smnf气凝胶sem照片；图2中b图为实施例1m-smnf气凝胶si元素映射图；图2中c图为实施例1m-smnf气凝胶eds谱图；图2中d图为实施例1m-smnf气凝胶ftir谱图。图3为实施例1m-smnf气凝胶的压缩性能，其中图a为压缩应力-应变曲线，图b为100次压缩应力-应变曲线，图c为最大应力变化曲线、图d为相对高度变化曲线；图4为实施例1m-smnf气凝胶的疏水亲油性能，其中图a为实施例1m-smnf气凝胶表面水接触角，图b为实施例1m-smnf气凝胶表面水接触角随时间变化的曲线；图5为实施例1m-smnf气凝胶的吸油性能，其中图a为实施例1m-smnf气凝胶对各种油剂的吸油倍率，图b为实施例1m-smnf气凝吸油能力与各种油剂密度的关系曲线，图c为实施例1m-smnf气凝胶对正己烷的重复吸油性能，图d为实施例1m-smnf气凝胶对氯仿的重复吸油性能。
具体实施方式
17.下面用具体实施例说明本发明，但并不是对本发明的限制。
18.以下实施例使用以下原料：废弃羽毛、废弃蚕丝；尿素，盐酸胍，液体石蜡，二甲基甲酰胺（dmf），二氯甲烷，均为分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司；正己烷，氯仿，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲基三甲氧基硅烷，98%，上海麦克林生化科技有限公司；二甲基亚砜（dmso），分析纯，无锡市亚盛化工有限公司；植物油，食品级，益海嘉里食品营销有限公司。
19.实施例1将尿素和盐酸胍以2:1的摩尔比混合，在90℃下磁力搅拌2h，直至形成澄清透明的粘稠状液体，得到尿素/盐酸胍低共熔溶剂des。称取1g废弃蚕丝，剪碎并加入到100g的尿素/盐酸胍低共熔溶剂des中，在100℃下剥离24h，得到浆糊状混合物。对上述得到的浆糊状混合物进行多次真空过滤洗涤，去除残留的des，直至滤液的电导率≤20μs
·
cm-1。室温干燥后，得到尿素/盐酸胍低共熔溶剂des剥离的蛋白微-纳米纤维，缩写标记为smnf。将制备的smnf重新分散到去离子水中，500rpm磁力搅拌30min后，进行50khz、400w超声处理2h，制成浓度为6mg/ml的smnf分散液。将smnf分散液倒入聚四氟乙烯的模具中，随后放入真空冷冻干燥机的冷阱中，在-60℃下冷冻15h，然后真空冷冻干燥48h，真空度＜10pa，温度为-56℃，得到smnf气凝胶。以mtms为改性剂，采用化学气相沉积法对smnf气凝胶进行疏水改性：首先，将分别装有2mlmtms与1ml去离子水的两个开口的小烧杯以及上述制备的smnf气凝胶样品置于密封的玻璃容器中，在80℃的干燥箱中反应6h。待反应结束后，将气凝胶样品放置真空干燥箱中于60℃下干燥12h以去除未反应的mtms，得到mtms改性的smnf气凝胶，即蛋白微-纳米纤维气凝胶，缩写简称为m-smnf气凝胶。
20.将m-smnf气凝胶分别对水面和水下油剂的选择性吸附。由分散在水面上的轻油层（油红染色的环己烷）可以快速被m-smnf气凝胶完全吸收，且不吸收水。此外，m-smnf气凝胶也能够快速地吸收水下的重油，即油红染色的氯），且不被水润湿。m-smnf气凝胶可实现对不密度油剂的快速去除，是一种环保的吸油材料。m-smnf气凝胶的超疏水特性与其表面存在的非极性甲基密切相关。在化学气相沉积过程中，在环境中的少量水分子作用下，可以将-si(och3)3水解成反应性的-si(oh)3，继而与smnf表面氨基酸残基中的-oh发共价反应，在smnf的表面形成含大量-ch3的末端甲基硅氧烷网络结构，从而赋予smnf气凝胶超疏水的特性。
21.注：密度和孔隙率等性能测试按照如下进行：（1）密度和孔隙率测试将气凝胶样品切成圆柱形，使用数显游标卡尺和分析天平分别测量气凝胶的尺寸（高度和直径）和质量，以计算m-smnf气凝胶的密度。按照下式计算m-smnf气凝胶的孔隙率p（%）：式中：p为m-smnf气凝胶的孔隙率，%；ρv为m-smnf气凝胶的体积密度，mg/cm3；ρs是m-smnf的骨架密度，为1.464g/cm3。
22.（2）微观形貌和表面元素测试将气凝胶样品用导电胶粘贴在置物台上，喷金处理后，采用扫描电子显微镜观察气凝胶的微观形貌，工作电压为5kv。同时，采用配套的能量色散光谱仪测试气凝胶表面的元素分布和含量。
23.（3）化学结构表征采用傅里叶红外光谱仪对硅烷改性前后smnf气凝胶的化学结构进行测试，扫描波数范围为4000~400cm-1
，分辨率4cm-1
，扫描次数为32。
24.（4）力学压缩性能测试采用万能材料试验机对m-smnf气凝胶的力学压缩性能进行测试。其中，在压缩加载-卸载测试中，压缩应变率设置为40%、60%、80%。对于循环压缩试验，设置压缩应变为60%，测试100次循环压缩性能。气凝胶样品均为直径为27mm，高度为26mm的圆柱体，压缩速率均为10mm/min。
25.（5）接触角测试将m-smnf气凝胶放在载物台上，采用微型注射器将一滴为4μl的去离子水滴在气凝胶的表面，采用光学接触角测试仪测量气凝胶与水滴的接触角，每个式样测试5次，取平均值。
26.（6）吸油性能测试选择正己烷、植物油、液体石蜡、dmf、dmso、二氯甲烷和氯仿模拟有机污染物，测试m-smnf气凝胶的吸油性能。首先将m-smnf气凝胶放在在干燥箱中烘干至恒重，随后将m-smnf气凝胶浸入50ml不同的油剂中，吸附饱和后取出，用餐巾纸将气凝胶表面多余的液体吸净，称量吸附饱和气凝胶的质量，根据下式计算m-smnf气凝胶的吸油倍率。每个试验重复测试3次，取平均值。
27.式中：q为m-smnf气凝胶的吸油倍率，g/g；m0为m-smnf气凝胶起始的质量，g；m1为达到吸附饱和时m-smnf气凝胶的质量，g。
28.（7）重复吸油性能测试为评价m-smnf气凝胶的重复吸油性能，将m-smnf气凝胶分别浸在50ml的正己烷和氯仿中直至达到饱和吸附。然后将吸附饱和的气凝胶置于平行玻片之间挤压排除油剂。重
复这个吸附-挤压过程10次。称量每次吸附饱和后m-smnf气凝胶的质量，按照（6）中的方法计算吸油倍率。
29.实施例2将乳酸和半胱氨酸以1:1的摩尔比混合，在90℃下磁力搅拌2h，直至形成澄清透明的粘稠状液体，得到乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂des。称取1g羽毛，剪碎并加入到100g的乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂des中，在120℃下剥离48h，得到浆糊状混合物。对上述得到的浆糊状混合物进行多次真空过滤洗涤，去除残留的des，直至滤液的电导率≤20μs
·
cm-1
。室温干燥至恒重后，得到乳酸/半胱氨酸低共熔溶剂des剥离的蛋白微-纳米纤维，缩写标记为2-smnf。将制备的2-smnf重新分散到去离子水中，400rpm磁力搅拌20min后，进行50khz、400w超声处理1h，制成浓度为6mg/ml的2-smnf分散液。将smnf分散液倒入聚四氟乙烯的模具中，随后放入真空冷冻干燥机的冷阱中，在-60℃下冷冻15h，然后真空冷冻干燥48h，真空度＜10pa，温度为-80℃，得到smnf气凝胶。以mtms甲基三甲氧基硅烷为改性剂，采用化学气相沉积法对2-smnf气凝胶进行疏水改性：首先，将分别装有2.22mlmtms与1ml去离子水的两个开口的小烧杯以及上述制备的2-smnf气凝胶样品置于密封的玻璃容器中，在80℃的干燥箱中反应6h。待反应结束后，将气凝胶样品放置真空干燥箱中于60℃下干燥12h以去除未反应的甲基三甲氧基硅烷，得到甲基三甲氧基硅烷改性的2-smnf气凝胶，缩写简称为m-2-smnf气凝胶。
30.综合实施例1来看，通过整合尿素/盐酸胍des液相剥离、冷冻诱导组装以及mtms的化学气相沉积疏水改性等工艺制备了m-smnf气凝胶，测试表征了气凝胶的结构性质，结果如图1所示。
31.制备的m-smnf气凝胶具有超轻特性，由图1（a）可知，一块直径和高度分别为66mm和13mm的圆柱状m-smnf气凝胶的质量仅为23.82mg，可以被蒲公英支撑而不引起其蓬松种毛的变形。经计算，m-smnf气凝胶的密度为5.36mg/cm3，显著低于课题组先前报道的再生蛋白气凝胶（13.43mg/cm3）。图1（b-d）为不放大倍数下m-smnf气凝胶的sem形貌，可以看出，m-smnf气凝胶具有典型的分级多孔胞腔结构。高倍sem照片进一步显示出胞腔结构中存在直径为~159.05μm的大孔和~3.51μm的小孔（图1c-d），并且气凝胶的腔壁是由多尺度的smnf，主要包括超细的蛋白微米纤维（smf）、几百纳米的蛋白亚微米纤维以及几十纳米的蛋白纳米纤维通过纠缠形成的。其中，超细的smf（图1b实线箭头所指）交织在气凝胶的纤维网络框架结构中，对其骨架具有支撑作用。此外，这种三维纤维网络框架结构使m-smnf气凝胶具有超高的孔隙率（99.63%），有利于对水中油剂的大量吸附。更重要的是，相比由非弹性薄膜组装成的再生蛋白气凝胶，m-smnf气凝胶的纤维网络骨架结构有望赋予其良好的力学弹性，可有效降低气凝胶在吸附-挤压过程中的重复吸油能力的损失。
32.通过eds和ftir谱图分析经硅烷改性smnf气凝胶表面元素和化学结构，结果图2所示。
33.由图2（a-b）可知，mtms改性后，si元素均分布在smnf气凝胶的表面，同时在eds谱图中的1.74kev处出现了sikα峰（图2c），表明mtms改性剂成功沉积在气凝胶的表面，并且si元素的相对含量约为5.11%。图2（d）示出了改性前后smnf气凝胶的ftir谱图，可以看出，smnf和m-smnf气凝胶均在3296cm-1、1634cm-1和1520cm-1附近存在特征吸收峰，分别对应蛋白中的n-h伸缩振动、酰胺ⅰ和酰胺ⅱ带中的β-折叠结构，说明mtms改性并没有破坏smnf
气凝胶原有二级结构。此外，m-smnf气凝胶在778cm-1、1037cm-1和1271cm-1处出现了明显的特征吸收峰，分别归属于si-o-si、si-o-c和si-c基团，证实mtms改性后在smnf气凝胶的表面形成了硅氧烷网络结构，这与eds谱图分析结果相一致。
34.m-smnf气凝胶的多尺度纤维网络骨架结构可赋予其优异的力学性能。由多尺度smnf通过纠缠形成腔壁能够承受主要应力，有效避免了气凝胶纤维网络骨架的过载。此外，随着外力的加载和卸载，smnf的柔韧性允许纤维网络腔壁折叠和展开，使m-smnf气凝胶具有良好的压缩回弹性。其压缩性能，如图3所示。
35.相比非弹性的再生蛋白气凝胶，m-smnf气凝胶在被200g砝码压缩后（应变》80%），几乎可以恢复到初始位置。图3（a）示出了m-smnf气凝胶在不同应变（40%、60%和80%）下的压缩应力-应变曲线，可以看出，m-smnf气凝胶的压缩应力-应变曲线呈现3个阶段：1)应变《10%的线性弹性区域；2)10%《应变《60%的平台区，此时压缩应力随着应变增大而缓慢增加；3)应变》60%的应力急剧增加区，这是由气凝胶结构致密化所致同时，压缩应变增加至80%时，m-smnf气凝胶的应力达到15.72kpa，约是同等压缩应变下snf气凝胶的12倍，表明m-smnf气凝胶具有优异的压缩性能，可以承受自重约11000倍以上的重力。除了优良的压缩性能，在实际的应用中还要求m-smnf气凝胶具有良好的回弹性。为此，本专利通过在60%大应变下的100次循环压缩加载-卸载试验评价了m-smnf气凝胶的耐疲劳回弹性，结果如图3（b）所示。可以看出，在20次和100次循环后，m-smnf气凝胶的塑性形变分别仅为14.36%和18.47%，表现出良好的耐疲劳压缩回弹性。图3（c）和（d）分别为100次循环过程中m-smnf气凝胶的最大应力和相对高度的变化曲线，可以看出在第1个循环到第30个循环过程中，m-smnf气凝胶的最大应力和相对高度随着循环次数的增加均有一定的下降趋势，但是在随后的循环里，气凝胶的最大应力和相对高度均未发生明显的变化。在100次循环后m-smnf气凝胶的最大应力和相对高度分别保持在76%和81%以上，再次表明m-smnf气凝胶具有稳定的压缩回弹性，可以避免气凝胶在长期使用过过程中由于结构崩塌而导致应用性能失效问题。
36.图4表示出了m-smnf气凝胶的疏水亲油性能。当氯仿（油红染色）、甲基橙和亚甲基蓝水溶液滴在m-smnf气凝胶的表面时，氯仿被m-smnf气凝胶快速吸收，而甲基橙和亚甲基蓝水溶液则呈现明显的球滴形状图，表明m-smnf气凝胶具有超疏水特性。由图4（a）可知，m-smnf气凝胶表面的初始水接触角高达150.9
°
，显著高于已报道的蛋白-mxene气凝胶（~124
°
）和蛋白-氧化石墨烯/三聚氰胺气凝胶（~130.83
°
）和纤维素纳米纤维气凝胶（~149
°
）。图4（b），经过10s后，m-smnf气凝胶表面的水接触角降低至145.5
°
，然后趋于稳定。此外，m-smnf气凝胶被切割暴露出的内部也表现出高疏水性能。当甲基橙水溶液滴在m-smnf气凝胶内部也呈现球滴形态，表明mtms的化学沉积可以渗透到smnf气凝胶的内部。将改性前后的smnf气凝胶放入水中时，未改性的smnf气凝胶会立即吸收大量的水而沉入水中，而m-smnf气凝胶则漂浮在水面，并且表面没有被水润湿，其具有高度疏水特性。
37.由于m-smnf气凝胶具有亲油疏水性、低密度、高孔隙率和良好的力学弹性，可作为生物质吸油材料用于水中的油污处理。为评估m-smnf气凝胶对不密度油剂的吸收能力，本专利选择了正己烷、植物油、液体石蜡、dmf、dmso、二氯甲烷和氯仿模拟有机污染物，并测试m-smnf气凝胶对以上油剂的吸收能力，结果图5所示。
38.由图5（a）可知，m-smnf气凝胶对正己烷、植物油、液体石蜡、dmf、dmso、二氯甲烷和氯仿均表现出较强的吸收能力，其吸油倍率在84.48~188.75g/g之间。此外，气凝胶对不同
油剂的吸油倍率与油剂的密度相关。由图5（b）可知，m-smnf气凝胶对油剂的吸油倍率随着密度的增大而增加，其中对氯仿的吸油倍率高达188.75g/g，显著高于已报道的烷基胺改性的蛋白气凝胶（40g/g）、蛋白-氧化石墨烯/三聚氰胺气凝胶（77g/g）、硅烷改性的纤维素气凝胶（121g/g），硅烷改性的壳聚糖气凝胶（117g/g）。m-smnf气凝胶具有优异的吸油性能可归因于以下几点：1)m-smnf气凝胶表面的硅氧烷网络结构赋予其超疏水特性；2)m-smnf气凝胶具有相互连接的开放胞腔结构，增加了对油剂的吸收性。
39.在实际应用中，重复吸油性能是评价气凝胶吸油材料的一个重要性能指标。为此，本专利以正己烷和氯仿为研究对象，采用简单的机械挤压法评价m-smnf气凝胶的吸油的重复使用性能。由图5（c）和（d）可知，随着循环次数的增加，m-smnf气凝胶对正己烷和氯仿的吸油倍率略微下降，经过7次吸附-挤压实验后趋于稳定，10次循环后，m-smnf气凝胶分别对正己烷和氯仿的吸油倍率仍然能够达到56.17g/g和145.24g/g，展现出良好的结构稳定性和重复吸油性能。因此，具有良好的弹性和超疏水的m-smnf气凝胶在各种油类和有机溶剂污染处理方面具有广阔的应用前景。
40.以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。