利用植物變性蛋白制備泡沫混凝土發(fā)泡劑研究

李翔 陳春耀 陳群良 苗永晨

摘 要：本研究以植物變性蛋白為原料，在堿性的條件下，優(yōu)化制備蛋白質(zhì)型泡沫混凝土發(fā)泡劑的最佳條件。實驗表明：植物變性蛋白10g，氫氧化鈣2.2g，90℃的水解10h得出的母液效果最佳。以《泡沫混凝土》JG/T 266-201-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，所制得的泡沫混凝土能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)水解;物理改性;復(fù)合型發(fā)泡劑;泡沫混凝土

泡沫混凝土是一類以水泥基膠凝材料為主要基料，采用化學(xué)發(fā)泡或物理發(fā)泡工藝，制成的含有大量微小均勻獨立氣孔的輕質(zhì)多孔材料的總稱[1]。發(fā)泡劑作為泡沫混凝土最核心的因素，對新拌漿體的流動性、澆注體的體積穩(wěn)定性、硬化體的密度和強(qiáng)度有決定性影響，因此開發(fā)性能優(yōu)越的發(fā)泡劑是擴(kuò)大泡沫混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

植物變性蛋白內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)，通過水解可使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的肽鍵斷裂[2]，水解產(chǎn)物擁有氨基和羧基等親水性結(jié)構(gòu)以及長度適中的碳鏈?zhǔn)杷Y(jié)構(gòu)，有利于降低表面張力，推動氣液界面的形成，容易生成泡沫。產(chǎn)品原料價格低廉，來源廣泛，所制備的母液效果優(yōu)良，健康無毒，符合當(dāng)今合理利用資源進(jìn)行綠色化學(xué)的要求。

1 實驗部分

1.1原料和儀器

1.2制備工藝

1.2.1發(fā)泡劑母液的制備

（1）原料預(yù)處理：取一定量植物變性蛋白，去除可見雜質(zhì)，在研缽中研磨成粉末。

（2）水解：將研磨后的植物變性蛋白裝入三口燒瓶，加入20倍質(zhì)量的水。啟動加熱和攪拌，升溫到85-95℃，滴加飽和氫氧化鈣溶液調(diào)節(jié)PH值，水解9-11h。

（3）離心分離：將水解后的漿體加入離心試管在離心機(jī)中離心分離，取上層清液即為發(fā)泡劑母液。

1.2.3泡沫混凝土的制備

按比例調(diào)配水泥凈漿。利用機(jī)械攪拌法對發(fā)泡劑母液進(jìn)行發(fā)泡。將泡沫加入調(diào)好的水泥

凈漿中攪拌均勻。將泡沫混凝土漿體倒入試模養(yǎng)護(hù)1天后脫模。

1.3檢測方法

1.3.1發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)、沉降距離、泌水量的檢測

按照《泡沫混凝土》JG/T 266-201-2011所規(guī)定的發(fā)泡倍數(shù)、沉降距離、泌水量的檢測方法對制備的母液進(jìn)行檢測。

1.3.2菜籽粕水解率測定

稱量原料總質(zhì)量M原料，稱量殘渣質(zhì)量M殘渣。

1.3.3泡沫混凝土性能檢驗

按照《泡沫混凝土》JG/T 266-201-2011所規(guī)定的泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率、尺寸偏差和外觀的檢測方法進(jìn)行檢測。

2.結(jié)果與分析

2.1溫度對水解的影響

取植物變性蛋白粉末10g，氫氧化鈣2g，水解時間10h，改變水解溫度（85-95℃），考查溫度條件對水解的影響，實驗結(jié)果見圖1。

在上述條件下，母液發(fā)泡穩(wěn)定性在90℃處取得峰值，發(fā)泡倍數(shù)在93℃取得峰值。結(jié)合實驗現(xiàn)象，混合液加熱到95℃也不沸騰，只是液體顏色較其他溫度下產(chǎn)物偏深色。

峰值溫度之前：該蛋白質(zhì)水解為吸熱反應(yīng)，由 方程[3]可知，反應(yīng)溫度升高，平衡常數(shù)升高，有利于反應(yīng)向正向推進(jìn)。前期蛋白質(zhì)分子量較大，在溫度較低時的情況，產(chǎn)物可能沒有完全分解，所以隨著溫度升高，越來越多的肽鍵被打開，發(fā)泡性能均增強(qiáng)。

峰值溫度之后：溫度過高，氨基酸結(jié)構(gòu)或肽鏈被破壞，導(dǎo)致表面活性劑性能下降，進(jìn)而使得發(fā)泡倍數(shù)和發(fā)泡穩(wěn)定性發(fā)生下降。

2.2水解時間對水解的影響

取植物變性蛋白粉末10g，氫氧化鈣2g，水解溫度90℃，改變水解時間，考查水解時間對水解的影響，實驗結(jié)果見圖2。

在上述條件下，母液發(fā)泡效果隨水解時間先升高后下降，達(dá)峰值時水解率為49.55%。水解時間合理時，大分子植物蛋白得到有效的水解，產(chǎn)出氨基酸和肽鍵，為良好的表面活性物質(zhì)。水解時間過長氨基酸與堿性物質(zhì)緩慢反應(yīng)，使得氨基酸脫去氨基，導(dǎo)致測試的發(fā)泡母液表面活性降低，進(jìn)而發(fā)泡性能下降。

2.3氫氧化鈣用量對水解的影響

取植物變性蛋白粉末10g，水解溫度90℃，改變氫氧化鈣用量，考查氫氧化鈣用量對水解的影響，實驗結(jié)果見圖3。

在上述條件下，發(fā)泡劑性能先隨氫氧化鈣用量增大先上升后下降。堿用量為2.2g時，發(fā)泡穩(wěn)定性最佳，且水解效率最高為49.55%;堿用量為2g時，發(fā)泡倍數(shù)最佳。并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)堿量過量時，發(fā)泡性能會發(fā)生突降。當(dāng)堿量不足時，水解不夠充分，所以會隨著堿量提升，提高母液性能。反而當(dāng)堿過量時，會破壞表面活性劑有效結(jié)構(gòu)，使得發(fā)泡性能下降。

2.4不同密度泡沫混凝土尺寸偏差和外觀、抗壓強(qiáng)度、吸水率實驗結(jié)果

按照1.2.3泡沫混凝土的制備方法制備不同干密度的泡沫混凝土，考查不同密度下泡沫

混凝土尺寸偏差和外觀效果，實驗結(jié)果見表3、表4和表5。

由上述實驗結(jié)果可以看出：利用植物變性蛋白發(fā)泡劑所制備的中低密度泡沫混凝土的重要性能指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度、吸水率）均超出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，這是因為該發(fā)泡劑分子結(jié)構(gòu)中有-COOR結(jié)構(gòu)，可以和水泥中的Ca2+結(jié)合為羧酸鈣，使發(fā)泡劑和水泥漿體有更好的相容性。發(fā)泡劑用量少、氣泡孔徑小、孔徑分布均勻都有利于提高抗壓強(qiáng)度[4]。實驗中的漿體中氣泡孔徑在1mm左右，氣泡十分細(xì)膩均勻，氣泡穩(wěn)定不串并，大部分為閉孔結(jié)構(gòu)，在試塊中不會形成較大的空腔而產(chǎn)生應(yīng)力集中點，因此抗壓強(qiáng)度高吸水率低。

3結(jié)論

（1）通過綜合考查發(fā)泡劑母液性能，最終優(yōu)化出植物變性蛋白水解制備混凝土發(fā)泡劑的最佳工藝條件：10g植物變性蛋白粉末，氫氧化鈣2.2g，水解溫度91℃，水解時間為10h。所得發(fā)泡劑母液發(fā)泡倍數(shù)為13.3，發(fā)泡穩(wěn)定性為10.7h，水解率49.55%，綜合性能較好。

（2）通過綜合考查泡沫混凝土的主要性能指標(biāo)，該發(fā)泡劑所制備的中低密度泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度高、吸水率低，超過了《泡沫混凝土》JG/T 266-201-2011標(biāo)準(zhǔn)所要求的指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李啟金. 低密度泡沫混凝土保溫材料的制備與性能研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2014.

[2] 高穩(wěn)定發(fā)泡劑與泡沫混凝土的優(yōu)化設(shè)計及性能研究[D].南京航空航天大學(xué)，2014.

[3] 丁起.新型高效混凝土發(fā)泡劑的研究[J].新型建筑材料，2009，（10）：16-18.

[4] 張文，發(fā)泡水泥配方的適應(yīng)性與組分材料相容性的研究[D]. 南京：東南大學(xué).2014：34.