壳聚糖的物化性质及基础应用研究

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壳聚糖是一类极具发展潜力的天然高分子材料,其基本物化性质及应用主要受分子量和脱乙酰度这两个重要参数的影响。通过制备具有相同分子量、不同脱乙酰度和相同脱乙酰度、不同分子量两大系列样品,及应用红外光谱估算脱乙酰度和粘度法测试分子量。本文主要研究了这两个参数对壳聚糖的表面性能、热力学性能、流变性能和溶解性能的影响。应用接触角测量仪和van Oss-Good-Chaudhury组合理论估算壳聚糖的表面能发现:脱乙酰度相同时,壳聚糖分子量的增加将使其表面能分量,如Lifshitz-van der Waals力,γSLW,和Lewis酸碱反应力,γAB,总的表面能γS、酸性成分γS+、酸碱比值γS+S-和极性率γSABS都增大;同时,碱性成分γS-减小。而分子量相近时,表面性能主要受到脱乙酰度影响。主要表现在脱乙酰度的增加将使壳聚糖的γSLW、γSAB、γS、γS+、γS-和极性率都增大,而同时酸碱比值γS+S-减小。研究还发现脱乙酰度DD与壳聚糖总表面能γS的关系可能遵循如下关系:γS=-56.74+108.18 DD。应用DSC和TGA考察两系列样品的热力学性能时发现:壳聚糖热分解过程大致有三个阶段。第一阶段为样品中微量水的去除,第二阶段是热分解阶段,而第三阶段为热分解趋于平稳。壳聚糖失重变化速率最大时所对应的温度(Tp)和分子量、脱乙酰度的变化之间具有一定的规律:当脱乙酰度相同时,分子量越大,Tp越高;而分子量相近时,脱乙酰度越高则Tp越高。流变测试两系列样品在不同温度下的流变行为时发现:相同温度下,相同脱乙酰度条件下,分子量大,则溶液的非牛顿指数越小,而结构粘度指数和零切粘度都为增大趋势;相近分子量条件下,脱乙酰度越大,则溶液的非牛顿指数越大,其结构粘度指数和零切粘度都减小。随着温度增加,壳聚糖溶液的非牛顿指数线性增加;结构粘度指数线性减小。零切粘度和温度呈现二次曲线规律,随温度增加不断减小。基于动态电导方法建立的壳聚糖溶解模型是一个综合性的动力学模型,能理想的反映出壳聚糖溶解的多级动力学特征,dC/dt=k0+k1C+k2C2。其中,壳聚糖在稀醋酸中的溶解遵循零级、一级和二级并存的较复杂的动力学模型,但其中起主导作用的是零级溶解速率常数。
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