皮胶原纤维的改性及其吸油功能调控机理研究

A series of modified collagen fibers(OCF) with hydrophobic-oleophilic property are prepared by graft polymerization with monomers containing different lipophilic groups utilizing skin collagen fibers(CF) from leather protein wastes. The characterization of their chemical parameters such as hydrophilic group number and lipophilic group number, porous parameters such as apparent density, porosity, specific surface area, and micromorphology, and surface properties such as surface chemical composition, hydrophilicity, lipophilicity and surface energy are made. Then the oil absorption function and related dynamics of OCF, CF as control sample, in pure oil system and oil emulsion system employing typical oils with different polarity and surface tension are investigated, respectively. On the basis of the obtained results, it is revealed that the relationship between the parameters of OCF and its oil sorption capacity and the related regulatory mechanism. Finally, the biodegradable ability of modified collagen fibers is also evaluated. These basic research results will open a new way to high value and high efficiency utilization of renewable skin collagen fibers, and is helpful for further enriching the oil absorption mechanism. Therefore, it possesses attractive potential application values.

采用含有不同亲油基团的单体接枝改性具有多孔结构特性的皮胶原纤维（CF）合成出一系列亲油改性纤维（OCF），表征CF与OCF的基本化学参数（亲水基团和亲油基团等）、多孔参数（表观密度、孔隙率、比表面积、形貌等）与表面性能（表面化学成分、亲水性、亲油性、表面能等），选择不同极性和表面张力的典型油品，分别测试并比较它们在纯油体系特别是油水体系中的吸油功能（吸油率、吸油速率与保油率等）及吸油动力学规律，比较它们基本化学参数、多孔参数与表面性能的变化与相关性，归纳并揭示出OCF相关参数与吸油功能之间的构效关系及其吸油功能的调控机制。最后，对OCF的可生物降解性进行评价。该应用基础研究，为可再生资源皮胶原纤维的高值转化和高效利用开辟新的途径，同时可丰富并完善高吸油材料的吸油机理，具有巨大的潜在应用价值。

制革过程中产生大量富含皮胶原纤维的边角废料，工业化快速发展和人类活动产生大量含油废水，危及生态环境和人类健康。本项目旨在研究兼具高吸油性和可降解有机硅改性皮胶原纤维多孔材料的制备技术及其吸油性能调控机制。首先，借用打浆解纤设备采用灰皮片皮废弃物制备了皮胶原纤维粉。同时，以明胶为胶原模拟物，疏水亲油性为主要指标，研究了氨基、环氧基有机硅烷亲油改性工艺，确定了γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷碱性条件下的改性工艺；其次，研究了环氧基硅烷、环氧基硅氧烷低聚物等改性皮胶原纤维的工艺，且通过添加相转移催化剂提高了这一非均相反应的改性程度，优化并获得了调控有机硅改性皮胶原纤维疏水亲油性的改性技术。然后，表征了有机硅改性胶原纤维基多孔材料的孔隙微观形貌和平均孔径及孔径分布、孔隙率、比表面积等多孔性结构参数，同时表征了其表面化学成分以及疏水亲油性和表观表面能等表面特性，优化了多孔结构构筑方法。最后，选择不同极性和表面张力的代表性油品，分别在纯油体系和油水体系中研究了吸油倍率、保油率、吸油速率、重复利用率等吸油性能，发现环氧基硅烷改性皮胶原纤维多孔材料吸油能力最强，且对硅油吸收倍率最高，保油率也最高；油水体系中吸油倍率都低于纯油体系。改变环氧基硅烷与环氧基硅氧烷低聚物的比例可以调控材料的表面性能和多孔性结构，从而调控并优化其吸油功能。另外，土埋降解法研究表明该多孔吸油材料具有较强的生物降解性。综上所述，吸附材料的表面特性和多孔结构是影响吸油性能的关键因素，但表观表面能在低至一定范围内时孔隙结构对吸油能力的影响程度更大。发现有机硅改性皮胶原纤维多孔材料低的表观表面能，低的视密度，高的孔隙率、比表面积和微观粗糙度，以及在适宜的孔径范围内较大的孔径均有利于吸油。该研究成果不仅为胶原纤维的资源化利用开辟了新的高值转化途径，还可为蛋白纤维的功能化改性在其他领域的应用提供借鉴意义，应用前景良好。