利用植物變性蛋白制備泡沫混凝土發泡劑研究

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，優化制備蛋白質型泡沫混凝土發泡劑的最佳條件。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標準進行測試，所制得的泡沫混凝土能均達到國家標準要求。

關鍵詞：蛋白質水解;物理改性;復合型發泡劑;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，采用化學發泡或物理發泡工藝，制成的含有大量微小均勻獨立氣孔的輕質多孔材料的總稱[1]。發泡劑作為泡沫混凝土最核心的因素，對新拌漿體的流動性、澆注體的體積穩定性、硬化體的密度和強度有決定性影響，因此開發性能優越的發泡劑是擴大泡沫混凝土應用領域的關鍵技術之一。

植物變性蛋白內含有豐富的蛋白質，通過水解可使蛋白質結構中的肽鍵斷裂[2]，水解產物擁有氨基和羧基等親水性結構以及長度適中的碳鏈疏水結構，有利于降低表面張力，推動氣液界面的形成，容易生成泡沫。產品原料價格低廉，來源廣泛，所制備的母液效果優良，健康無毒，符合當今合理利用資源進行綠色化學的要求。

1 實驗部分

1.1原料和儀器

1.2制備工藝

1.2.1發泡劑母液的制備

（1）原料預處理：取一定量植物變性蛋白，去除可見雜質，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節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中離心分離，取上層清液即為發泡劑母液。

1.2.3泡沫混凝土的制備

按比例調配水泥凈漿。利用機械攪拌法對發泡劑母液進行發泡。將泡沫加入調好的水泥

凈漿中攪拌均勻。將泡沫混凝土漿體倒入試模養護1天后脫模。

1.3檢測方法

1.3.1發泡劑發泡倍數、沉降距離、泌水量的檢測

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

1.3.2菜籽粕水解率測定

稱量原料總質量M原料，稱量殘渣質量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所規定的泡沫混凝土干密度、抗壓強度、吸水率、尺寸偏差和外觀的檢測方法進行檢測。

2.結果與分析

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，實驗結果見圖1。

在上述條件下，母液發泡穩定性在90℃處取得峰值，發泡倍數在93℃取得峰值。結合實驗現象，混合液加熱到95℃也不沸騰，只是液體顏色較其他溫度下產物偏深色。

峰值溫度之前：該蛋白質水解為吸熱反應，由 方程[3]可知，反應溫度升高，平衡常數升高，有利于反應向正向推進。前期蛋白質分子量較大，在溫度較低時的情況，產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，發泡性能均增強。

峰值溫度之后：溫度過高，氨基酸結構或肽鏈被破壞，導致表面活性劑性能下降，進而使得發泡倍數和發泡穩定性發生下降。

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，實驗結果見圖2。

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

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，實驗結果見圖3。

在上述條件下，發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，發泡穩定性最佳，且水解效率最高為49.55%;堿用量為2g時，發泡倍數最佳。并且發現當堿量過量時，發泡性能會發生突降。當堿量不足時，水解不夠充分，所以會隨著堿量提升，提高母液性能。反而當堿過量時，會破壞表面活性劑有效結構，使得發泡性能下降。

2.4不同密度泡沫混凝土尺寸偏差和外觀、抗壓強度、吸水率實驗結果

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，實驗結果見表3、表4和表5。

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

3結論

（1）通過綜合考查發泡劑母液性能，最終優化出植物變性蛋白水解制備混凝土發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。所得發泡劑母液發泡倍數為13.3，發泡穩定性為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，該發泡劑所制備的中低密度泡沫混凝土的抗壓強度高、吸水率低，超過了《泡沫混凝土》JG/T 266-201-2011標準所要求的指標。

參考文獻

[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].濟南大學，2014.

[2] 高穩定發泡劑與泡沫混凝土的優化設計及性能研究[D].南京航空航天大學，2014.

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

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