壳聚糖是天然生物多糖-甲壳素的脱乙酰基衍生物, 化学名称为 (1, 4) -2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖, 化学结构如图1, 因其分子链中有羟基、氨基和少量N-乙酰氨基活性基团使其具有广谱抗菌、良好生物相容性、可控生物降解性和无抗原性等特性.特别是它在酸性介质中的凝胶性、成膜和成纤性, 使其在医用生物材料方面有特殊的应用[1,2,3], 以壳聚糖为基础原材料开发应用的膜材或线材产品有药物控释载体膜、人工透析膜、外科手术吸收缝合线、伤口针织布型医用敷料、人造皮肤与血管、隐形眼镜、生物体内植入材料、手术床单、手术衣服、伤口愈合膜剂和能提供细胞生长所需的三维多孔支架的软骨组织工程材料等.此外, 与壳聚糖有关的膜材在食品、农业、纺织、日用化工和环境废水处理等行业也具有广泛的应用[4,5,6,7,8,9], 如替代玻璃纸的可食性绿色包装膜与可食用的保鲜膜、无公害农用地膜和功能性分离膜等.

壳聚糖本身虽具备了作为生物医用材料的基本要求, 但仍有许多不足之处.壳聚糖膜材或线材在力学性能稳定性方面存在诸多缺点:纺织工艺性能差, 湿态下弹性好但强度差, 干态下韧性差脆性高.此外, 壳聚糖特有的吸、脱水性也影响其力学性能和力学状态.这些力学性能与生物性能突出的矛盾影响了其下游产品的开发应用.对壳聚糖及其共混膜材或线材力学性能的研究目前主要在常规静态力学上[10,11,12,13], 但是它们在各领域应用过程中往往处在变化的温度或湿度环境中, 甚至承受着变动载荷或变动载荷频率的作用, 对其动态下的力学行为及其变化规律的研究甚少并存在争议[14,15].为此, 本文借助能预测材料在现实环境中使用时性能变化的动态机械热分析仪 (DMTA) 研究了壳聚糖膜材在-100～345 ℃范围内动态储能模量、损耗模量和损耗因子的温度谱和频率谱, 获得了与材料的结构、分子运动、加工与应用有关的特征参数, 并结合壳聚糖膜的XRD晶体结构、显微结构和热重差热分析, 探讨壳聚糖膜材的动态力学行为及其分子松弛造成的相变内在规律, 考察环境温度和水分子对壳聚糖膜材动态力学性能的影响, 希望对开发基于壳聚糖的生物医用材料有所裨益.

壳聚糖 (CS) :浙江玉环县海洋生物化学有限公司, 壳聚糖为过80目类白色粉末, 脱乙酰度95.54%, 粘度55 mPa.s, 水分3.67%;醋酸 HAc, NaOH 为分析纯, 广州化学试剂厂.

将一定量的壳聚糖加入质量分数为2%的醋酸水溶液, 在室温下搅拌使其完全溶解, 配成质量分数约3%的透明粘稠状壳聚糖溶液, 将上述溶液过滤脱泡后置于清洁玻璃板 (45 mm×70 mm) 上流延法制膜, 控制其湿态厚度约1 mm.将湿膜板在室温风干后, 揭其膜并浸入质量分数为4%的NaOH水溶液中30 min, 再用去离子水洗净至中性, 然后夹持该中性膜于玻璃板中在真空烘箱里60 ℃恒温干燥12 h, 即可制得厚度约0.1 mm的无色透明的壳聚糖柔韧膜材.

PHILIPS X′ Pert MPD X射线衍射仪: 荷兰Panalytical (帕纳科) 分析仪器公司, 采用连续扫描方式, X射线为单色的CuKα辐射线 (λ=0.154 06 nm) , 石墨单色器, 靶电压40 kV, 靶电流40 mA, 扫描范围2θ=5°～90°, 扫描速度为2°·min-1.

PHILIPS XL30 ESEM场发射扫描电子显微镜:荷兰FEI公司.膜在液氮中脆断, 喷金后观察膜表面和断面形貌, 工作电压20 kV.

TG和DSC在瑞士Mettler-Toledo公司的TGA/SDTA851e和DSC822e热分析仪上进行, 剪取一定量膜材置于铝锅中, 升温速率10 ℃·min-1, 动态气氛为氮气200 mL·min-1, 测试温度范围为30～600 ℃.

动态力学性能在美国流变仪科学有限公司出品的DMTA-Ⅳ动态力学热分析仪上进行, 试验温度范围-100～345 ℃, 升温速率2 ℃·min-1, 测试频率1 Hz与0.1～200 Hz.采用拉伸模式测试膜材的动态储能模量E′、损耗模量E″和力学损耗角tan δ= E″/E′.沿制膜流延方向截取长方形试样, 选定的膜材组织结构应均匀, 无裂纹、气孔等宏观缺陷, 对长边和两面做平直、光滑处理.为减少试样尺寸对DMTA测试带来的误差, 规定测试样品尺寸为长10 mm, 宽2 mm, 厚0.1 mm.在用DMTA仪器评测膜材温度谱等动态力学性能前, 先进行动态应变扫描, 以探明材料的动态应力-应变特征曲线和线弹性区间, 确定温度谱与频率谱等各项动态力学性能测定所需要的动态力和应变值.

宏观肉眼观测表明, 壳聚糖膜材表面光滑、致密透明, 如数码相机所拍摄的图2 (a) .扫描电镜微观观测则表明, 其表面粗糙、多孔, 如图2 (b) .

膜材断面电镜扫描观测还表明, 膜是由片层近乎平行叠加构成, 片层间存在缝隙, 如图2 (c) ;片层本身又由短纤维取向聚集而成, 如图2 (d) .总体看来, 本实验方法所制的壳聚糖膜材是取向排列的纤维束及其形成的片层与孔隙交织的产物, 孔径或层隙都很小, 约2 μm以下.膜材的这种显微结构特点与壳聚糖在稀酸性水溶液中氨基质子化溶解到成膜过程的自聚集行为有关[16].

图3是壳聚糖原料及其膜材的XRD谱图, 原料在10.1°附近的水合结晶弱衍射峰和22.2°附近的结晶强衍射峰, 表明CS粉料晶体结构为典型的α晶型, 属单斜晶系[17,18].成膜后, 10.1°位置水合结晶特征峰变弱, 22.2°附近结晶峰强度降低并分裂成较弥散的双峰.这些变化表明在本制膜工艺条件下所形成的薄膜其结晶度降低, 结晶构造和晶胞参数已出现变化, 但仍保持原料的晶型.壳聚糖能形成晶区主要是因为其分子链内或链间存在较强的氢键作用导致分子链的规整性而具有较强的结晶能力, 而膜材结晶度降低则有助于准确测定反映其各级分子松弛行为的动态力学谱图.

壳聚糖宏观力学性能变化是其微观二级 (远程) 结构中构象分子基团和分子链运动导致它们自身尺寸与形状改变的反应.当分子运动单元的运动状态不同时, 壳聚糖就表现出不同的宏观力学性能和力学状态.对聚合物进行动态力学热分析最大优势是可以在特定载荷频率和很宽的温度范围灵敏探测其特定类型分子基团或分子链段运动状态转变, 乃至其相结构、聚集态和力学状态的变迁规律, 并从其动态力学性能温度谱中获得加工和合理使用的重要参数.图4记录了壳聚糖膜材在载荷频率为1 Hz时的动态储能模量E′、动态损耗模量E″和力学损耗角tan δ随温度升高的变化趋势.图5是28 ℃时膜材动态力学性能的频率谱.

环境温度从-100 ℃升至345 ℃, 表征膜材弹性和体现膜材刚度的动态储能模量E′出现2个较平稳的阶段 (-100～-36 ℃和120～270 ℃) 和5次下跌点 (-36, 60, 76, 155和275 ℃) , 而表征膜材粘性和体现膜材韧性的动态损耗模量E″相继出现6个阻尼峰位 (-18, 25, 65, 100, 170和284 ℃) .E′和E″随温度升高虽有所起伏, 但总体呈下降趋势, 不过下降幅度不大.温度升至174 ℃ (玻璃化转变温度Tg) , E′约有一个数量级 (109→108) 降幅, E″降幅约半个数量级 (108.5→108) .PMMA等大多数热塑性线性高分子材料在温度升至Tg时E′和E″通常有2至3个数量级下降[19], 相比之下壳聚糖膜材已表现出很好的弹性和刚度热稳定性, 其聚集态结构也较为稳固、分子链段运动阻尼较高.

在第1次出现储能模量明显下降前的低温段 (-100～-36 ℃) , 膜材聚集态构象中分子运动单元的伸展、旋转、卷曲和各种结合形式的水分子都处于冻结状态, 其储能模量处于最高平台.所以该温度段的膜材刚度高、性脆而韧性差.因此, 壳聚糖或以壳聚糖为构架的共混体所制作的功能性材料, 从力学性能角度考虑其最低使用温度不宜小于-36 ℃.随着温度从-36 ℃升至37 ℃, E′明显递降, 降幅接近一个数量级.这是膜材获得的热能导致其分子主链上糖残基开始沿糖苷键的旋转和侧基开始扰动并造成其动态损耗模量E″在-18和25 ℃附近出现阻尼峰的结果, 不过膜材韧性也因此得到改善.当温度从37 ℃升至100 ℃, E′值随温度递升出现约半个数量级的下跌, 这是膜材中吸附水、氢键结合水和结晶水相继蒸发导致其分子构象进一步畸变和调整并在65和100 ℃附近产生E″阻尼峰所造成的.这也表明水对膜材有进一步降脆韧化作用.进入120～270 ℃温度段, 水的影响结束而E′保持相对稳定.这与壳聚糖中特有的分子内和分子间氢键体系能够阻抑其糖残基沿糖苷键过度旋转以维持壳聚糖长分子链规则的刚性排列有直接关系.155 ℃附近E′的下降和170 ℃附近E″的宽峰表明壳聚糖非晶态区线性分子形成的螺旋链获得的热能在动态拉伸载荷作用下可以沿着受力方向做进一步的伸展和旋转变形, 膜材开始进入高弹阶段.275 ℃后的E′再次快速下降和284 ℃附近出现的E″阻尼峰, 是处于热空气气氛下的壳聚糖开始进入热和氧化降解阶段所致.311 ℃后, 随着壳聚糖分子侧基上氢、碳和氮的不断氧化散失和主链碳化的热氧化降解持续发生, 其分子链柔韧性渐失, 脆性渐高, 导致E′再次回升.所以以壳聚糖或与其它材料共混所制得的功能性材料的最高使用温度不宜超过275 ℃.E′温度谱所展示的规律同采用传统热分析手段所表现出来的规律是一致的, 如图6所示.

壳聚糖膜材的力学状态随环境温度的变迁, 宏观上是表征弹性 (刚度) 的储能模量与体现粘性的损耗模量的综合结果, 微观上则是其超分子结构中主分子链段和各级侧分子基团的运动状态随温度发生转变的直接反映.从低温至高温, 聚合物通常会相继表现出低温脆性、玻璃态、橡胶态和粘流态等不同的力学状态, 不同状态之间的过度转变, 包括次级β松弛和主转变α松弛, 都会在动态力学热分析中力学损耗角tan δ的温度谱上显现出相对应的峰.如图4所示, 壳聚糖膜材从-100 ℃升至345 ℃, tan δ温度谱中相继出现了6个峰, 这些转变的属性如表1所示.

-10 ℃附近出现tan δ峰是处于冻结状态的壳聚糖分子链上小体积侧基 (-OH, -NH2) 和糖苷键 (O) 首先发生热解冻而进入有限的伸展和旋转等局部运动状态所造成的, 属于次级转变, 也称为β松弛[20].当膜材温度低于-10 ℃时, 具有高模量与低阻尼的膜材表现出了低温脆性力学状态;当膜材温度接近或高于-10 ℃时, 壳聚糖一级结构中β松弛所导致的储能模量明显下降和损耗模量明显上升使得脆性膜材表现出了一定的韧性, 因此-10 ℃可以认为是含水壳聚糖膜材的脆性转变温度.温度升至33 ℃附近所出现的tan δ峰则是壳聚糖分子结构中更大体积侧基- (CH2OH) 上O-H扰动造成的, 也归属于次级转变、β松弛.68和98 ℃附近的tan δ峰则是与水分子活动有关的湿态β松弛行为, 即不同结合形式与强度的水分子相继热运动、散失和体系氢键变化所引起壳聚糖三、四级结构调整与重组的结果.从图6的TGA-DSC温度谱看, 壳聚糖的亲水特性、膜材的制备工艺和层状多孔构造使其含有不同结合性质与结合强度的水分子, 即质量分数7.5%的物理吸附自由水、结合水和质量分数3%的结晶水.与-10 ℃次级转变相比, 水对膜材的力学模量影响较小, 但因此引发的多个β松弛和对壳聚糖分子的塑化作用让刚性分子链形成的构像有了重定向形变的可塑空间, 使得壳聚糖膜材在此温度范围使用时能呈现出既强又韧且稳定的力学性能.

玻璃化转变温度 (Tg) 是高分子材料最常用, 也是最重要的技术参数.宏观上它是这类材料从刚硬的玻璃态向弹性的橡胶态转变的特征温度, 微观上则是非晶态二级结构大分子主链段运动的温度, 力学上称之为主级转变, 也称为α松弛.Tg高低往往决定了该材料可安全使用的环境温度和应用领域.DMTA测定结果显示本实验条件制取的含水壳聚糖膜材Tg值约174 ℃, 实际始于155 ℃, 止于204 ℃.测试结果介于Ahn用DMA方法得到的161 ℃ Tg值[21]和Sakurai测得的203 ℃ Tg值[15]之间.从tan δ温度谱看, 温度高于174 ℃后, 虽没有出现明显的粘流态tan δ峰, 却在303 ℃附近出现最强的tan δ峰, 这在以往壳聚糖DMTA或DMA测试文献中未见过报道.壳聚糖进入橡胶态后没有出现明显的粘流态, 可能是壳聚糖存在大量的分子内和分子间氢键以及发生热交联导致壳聚糖不仅有较高的玻璃化转变温度, 而且其熔点接近或高于其热氧化分解温度, 以至于无法测到其从高弹态转变为粘流态的温度.参比膜材的TGA-DSC热分析结果和观察DMTA测定到303 ℃前后试样颜色的变化, 可以确定303 ℃的tan δ峰与壳聚糖发生化学反应 (热氧化降解) 有直接关系.因为在300 ℃附近膜材所发生的第2次快速失重和305 ℃出现明显的放热峰正是壳聚糖分子链热降解断裂 (糖苷键断裂) 、氧化分解和碳化的结果, 膜材颜色也由无色透明转为棕黑色, 膜材也因此由强韧转为硬脆.可见DMTA技术同样可以较准确测定壳聚糖由物理变化向化学变化的转变温度TD.当然由于测试条件的不同, 氧化气氛和动态应力共同作用下DMTA技术所测定的Tg (174 ℃) 和TD值 (303 ℃) 稍小于惰性气氛和静态下DSC所测定的Tg (189 ℃) 和TD值 (305 ℃) 是符合常理的.

28 ℃下壳聚糖膜材DMTA频率谱测定结果表明 (图5) , 加载频率从0.1 Hz升至100 Hz, 其动态储能模量E′随之稳步升高, 动态损耗模量E″和相位角正切值 (阻尼) tan δ则随之逐步小幅走低, 膜材在该频率段表现出了随载荷频率升高逐步硬化的特点.载荷频率超过100 Hz时储能模量突增、损耗模量和损耗角突降, 力学上膜材高频脆化凸显现象导致其综合力学性能突降, 因此膜材的载荷工作频率不宜超过100 Hz.

(1) 采用醋酸溶解-碱中和的流延法制备的含水壳聚糖膜材呈现层状多孔构造, 结晶度较低, 属α晶型.

(2) 动态热机械分析表明:从-100～345 ℃含水壳聚糖膜材在-10, 33, 68和98 ℃附近相继出现了4次明显的分子β松弛, 在174 ℃附近出现分子α松弛, 在303 ℃附近出现壳聚糖降解峰.这表明壳聚糖超分子结构中侧基和主分子链段在这些特征温度附近相继发生了性质不同的力学松弛运动并导致其力学状态的转变.表征壳聚糖膜材弹性与体现其刚度的动态储能模量E′和表征膜材粘性与体现其韧性的动态损耗模量E″, 虽然随温度升高总体呈下降趋势, 不过下降幅度不大, 表现出很好的弹性和结构热稳定性.

(3) 从力学性能角度考虑, 壳聚糖或以壳聚糖为构架的共混所制作的功能性材料最低使用温度不宜低于-36 ℃, 最高使用温度不宜超过275 ℃, 最高载荷频率不宜超过100 Hz, 含水壳聚糖膜材在-33 ～200 ℃温度环境可表现出既强又韧且稳定的动态力学性能.