丝胶蛋白/碳酸钙复合材料的制备研究

论文摘要

在自然界中，生物体合成的有机/无机复合材料具有特殊的多级结构和组装方式，如骨、牙齿、硅藻、贝壳等，使得这些材料拥有各自独特的硬度、韧性、强度以及抗折性能，这些特性引起了材料学家的强烈兴趣。因此通过模拟生物矿化过程合成具有精细结构、优异性能的有机-无机复合材料，为合成新型功能材料提供了一条新途径。本研究以丝胶蛋白为有机模板，分别采用复分解法和碳化法合成丝胶蛋白/碳酸钙复合材料。使用复分解法制备过程中，系统研究丝胶蛋白浓度、分子量，以及反应时间、温度、搅拌速率、pH值等工艺参数对碳酸钙晶相组成和微观结构的影响；使用碳化法制备碳酸钙过程中，研究了在丝胶蛋白的存在下氢氧化钙浓度对碳酸钙的形貌、晶型及结构的影响；在此基础上，对材料形成的矿化机理进行了初步的探讨。得出的结论如下：第一，丝胶蛋白浓度和分子量对碳酸钙晶体生长影响的研究结果表明，当丝胶蛋白浓度为1g/L时，制备出了刺球状碳酸钙颗粒，随着丝胶蛋白浓度增加，在丝胶蛋白浓度为1.5g/L，制备出比较均一的片层晶体组装成的类正方体颗粒，得到的碳酸钙为方解石；随着丝胶蛋白分子量的增大，碳酸钙呈现出由梭状晶体到棒状晶体的演变过程，晶体晶型都为方解石，当丝胶分子量为10～20kDa时，得到片层晶体组装成的梭状晶体，当丝胶蛋白分子量为30～50kDa时，得到花状晶体和哑铃型晶体，在丝胶蛋白分子量为100kDa时，制备出棒状晶体。第二，通过研究工艺参数对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响，结果显示，反应时间和温度对碳酸钙晶体的形貌和晶型影响较大。随着反应时间的延长，碳酸钙晶型由方解石晶型逐步变成方解石和球霰石组成的混合晶型，形貌也由类圆盘状的碳酸钙最终演变成球状碳酸钙。在低温（20℃）时，碳酸钙晶体由刺球状和梭状的方解石颗粒组成，而随着反应温度升高，形成碳酸钙都为球形，且晶型为球霰石。随着搅拌速率的增加，碳酸钙形貌也由不规则球形，半球形和一些不规则形状最终变演成形状比较规则的棒状晶体。随着反应pH的升高，碳酸钙形貌逐渐由类正方体和刺球状组成的晶体演变成无规则的聚集体。第三，以丝胶蛋白为有机模板，使用碳化法制备了碳酸钙。在不同氢氧化钙浓度下，制备的碳酸钙都为方解石晶型，在低氢氧化钙浓度（0.1mol/L～0.3mol/L）下，碳酸钙主要为纺锤状晶体，随着氢氧化钙浓度的增加，碳酸钙形貌有变成无规则形状的趋势。以丝胶蛋白为有机模板，采用复分解法和碳化法，成功制得了棒状、球状、纺锤状等多种形貌的碳酸钙晶体，可以应用于橡胶、油墨、造纸等行业。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳酸钙的研究概况
• 1.2.1 碳酸钙基本性质
• 1.2.2 有机模板调控碳酸钙合成
• 1.2.3 碳酸钙的应用进展
• 1.3 丝胶蛋白研究概况
• 1.3.1 丝胶蛋白的结构
• 1.3.2 丝胶蛋白的功能与应用
• 1.4 本课题研究目的和意义
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第二章 复分解法制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与仪器
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 材料制备
• 2.3.1 不同丝胶蛋白浓度下制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.3.2 不同丝胶蛋白分子量制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.3.3 不同反应时间制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.3.4 不同反应温度下制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.3.5 不同搅拌速率下制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.3.6 不同反应 pH 下制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 2.4 材料表征
• 2.5 结果分析
• 2.5.1 丝胶蛋白浓度对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.5.2 丝胶蛋白分子量对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.5.3 反应时间对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.5.4 反应温度对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.5.5 搅拌速率对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.5.6 反应 pH 对碳酸钙晶体形貌和晶型的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 碳化法制备丝胶蛋白/碳酸钙复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与仪器
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 材料制备
• 3.4 材料表征
• 3.5 结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间论文发表情况