离子交联魔芋葡甘聚糖凝胶的制备及流变性能研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要魔芋葡甘聚糖(KonjacGlucomannan，简称KGM)是一种天然水溶性植物聚糖，具有良好的保水性、增稠性、成膜性及生物相容性。近年来，有关KGM在食品、生物技术、石油化工、新材料等领域的基础与应用研究引人注目。本论文主要研究内容和结论如下：(1)用硼砂做交联剂制备了KGM／硼砂热可逆复合凝胶，其机理为从硼砂溶液中电离出来的硼酸根离子与KGM分子链上甘露糖单元的顺式邻羟基瞬时交联形成网络结构。动态粘弹检测结果表明，在低频区域，复合凝胶具有类似液体的松弛行为；在高频区域

2、，其具有类似真凝胶材料的松弛行为。在力学松弛图谱上，储能模量(G’)存在一个最大平衡值(G'p)，损耗模量(G”)有一个最大值和最小值。讨论了KGM和硼砂浓度、应变、温度等因素对复合凝胶的特征流变学参数的影响。实验结果分析表明复合凝胶的模量符合时间．浓度叠加原理，从实验结果经数学推导可以得出可量化G’p对KGM及硼砂浓度的依赖关系的经验表达式。同时，复合凝胶的模量符合时间．温度叠加原理，从叠合曲线推导出了凝胶的松弛能量和交联反应活化能。(2)用有机硼做交联剂制备了KGM庸机硼热可逆复合凝胶，其机理为有

3、机硼中的自由硼酸根离子与KGM分子链上甘露糖单元的顺式邻羟基发生交联反应形成网络结构。与KGM／硼砂体系不同，硼酸根离子需要摆脱有机配体的束缚才能与顺式邻羟基发生交联，因而KGM侑机硼体系的凝胶化过程体现出动力学特征，表现为延迟交联特性。流变学检测结果分析表明，用Winter--Chambon方程可准确界定体系的溶胶一凝胶转变点，确定凝胶转变时间。分析了l∞M和有机硼的浓度对储能模量、损耗模量以及溶胶．凝胶转变点的影响。复合凝胶的模量对温度的依赖关系结果表明，用Winter--Chambon方程可准确

4、界定KGM／有机硼复合凝胶的凝胶．溶胶转变对应的特征温度，即破胶温度。讨论了复合凝胶的交联密度对凝胶转变时间、破胶温度、和强度的影响。(3)用有机钛做交联剂制备了KGM／有机钛复合凝胶，其机理为有机钛中的自由钛酸根离子与KGM分子链上甘露糖单元的顺式邻羟基发生交联反应。钛酸根离子需要摆脱有机配体的束缚才能与顺式邻羟基发生交联，因而KGM／有机钛体系的凝胶化过程体现出动力学特征，表现为延迟交联特性。运用流变谱仪研究了复合凝胶的动态粘弹行为。结果表明，用Winter--Chambon方程可准确界定体系的溶

5、胶．凝胶转变点，确定凝胶转变时间。讨论了温度、KGM浓度、有机钛浓度对凝胶转变点及凝胶模量的影响。(4)研究了本文制备的三种复合凝胶的剪切应变依赖性，推导出了两种应用性流变学参数，即凝胶的极限应变和屈服应力。讨论了交联密度对复合凝胶的力学性能的影响。本论文研究结果为研究生物大分子的溶胶．凝胶转变和流变性能提供了参考，同时为基于KGM的热可逆凝胶用作油气开采用水性压裂液的可行性提供了必要的科学数据和理论依据。关键词：魔芋葡甘聚糖，凝胶，临界凝胶点，流变学，延迟交联武汉理1二大学硕士学位论文Abstrac

6、tKonjacglucomannan(Abbr．KGM)，anaturalwater-solublepolysaccharideoriginatingfromthetubersofkonjac，hasfavorablewater-preserving,thickening,filmingabilitiesandbiocompatibility．Therecentstudiesonthefoundationandapplicationsofkonj’ac磬ucomannaninfoods，bio—tec

7、hnical，petroleumchemicalandsomenewmaterialsfieldscametofront．Themaincontentsandconclusionswere弱follows：(1)Thermo-reversibleKGM／boraxcomplexgelswerepreparedusingborax弱crosslinker．Themechanismwasbelow．Gelnetworkwasformedimmediatelythroughthecrosslinkingre

8、actionbetweenborateionsdissociatedfromboraxandthecis．diolsitesonthepolysaccharidechains．Dynamicviscoelasticrheologymeasurementsandanalysisshows，atlowcroscillationfrcquency，thecomplexgelsbehavelikeliquid，whereasathigherfrequencyth