摘 要

论文主要研究基于片层淀粉纳米晶的力学增强效应以及氧化石墨烯的导电效应，将两种粒子以溶液共混的方法进行复合，通过熔融热压处理的方式，使得两种纳米粒子协同改性豌豆蛋白聚合物基质,制备具有优良力学、导电等性能的“绿色”导电纳米复合材料。本工作基于不同共混配比的淀粉纳米晶、氧化石墨烯、豌豆蛋白的复合，研究了两种不同结构与性质的纳米粒子对植物蛋白基复合材料微观结构、力学性质、导电性能的影响。研究结果表明：添加低相对含量（约5%）的片层淀粉纳米晶可以使复合材料的拉伸强度和杨氏模量增强，一定程度上降低了其断裂伸长率；而以协同作用存在的氧化石墨烯的引入，将提高复合材料的导电性能，如添加量为约20%时，复合材料的导电性能提高至最佳。本课题创新点在于以片层形貌的淀粉纳米晶促进氧化石墨烯在水溶液中的分散效果，基于两种特殊形貌纳米粒子的优异特性，同步提升豌豆蛋白复合材料的力学性质和导电性能，开发出一种全生物降解的“绿色”复合材料。

关键词：淀粉纳米晶；豌豆蛋白；氧化石墨烯；纳米复合材料；结构与性能

Abstract

This work aims to produce a kind of "green" conductive nanocomposite material with high mechanical and good conductive properties based on the reinforced effect of starch nanocrystals and the conductive effect of graphene oxide, blending these two kinds of particles by solution mixing method then treated by melting and hot pressing way to produce modified pea protein natural polymer matrix. Our study focus on the effect that these two nanoparticles with different structures and properties will have on the microstructure、mechanical and conductive properties of plant protein composite materials in terms of different blending ratio of starch nanocrystals, graphene oxide and pea protein. The results showed that starch nanocrystals under low content (about 5%) can reinforce the tensile strength and Young modulus of the composites, but decrease the breaking elongation to some extent, introducing graphene oxide with synergistic effect will improve the conductivity of the composite, for example, when the graphene oxide content is about 20%, the conductive performance has been enhanced to the best. The innovation of this subject is to improve the dispersion of graphene oxide in aqueous solution by adding platelet starch nanocrystals, and simultaneously inprove the mechanical properties and electrical conductivity of pea protein composite based on the excellent properties of these two kinds of nanoparticles with special morphology and developed a fully biodegradable "green" composite.

Keywords：starch nanocrystal；pea protein；graphene oxide；structure-property relationship

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1淀粉及淀粉纳米晶(SNC) 1

1.1.1淀粉 1

1.1.2淀粉纳米晶的提取、结构和应用 2

1.2氧化石墨烯(GO) 3

1.3豌豆蛋白（PPI） 5

1.4课题意义及设计思路 6

第2章 实验部分 8

2.1引言 8

2.2实验原料及仪器设备 8

2.2.1实验原料 8

2.2.2实验仪器及设备 8

2.3淀粉纳米晶/氧化石墨烯/豌豆蛋白共混材料的制备 9

2.3.1淀粉纳米晶的提取 9

2.3.2 酸解淀粉产率的计算 9

2.3.3淀粉纳米晶/氧化石墨烯/豌豆蛋白复合材料的制备 10

2.3.4结构分析和性能测试 11

2.4实验结果分析 12

2.4.1淀粉纳米晶形貌观测 12

2.4.2红外表征 12

2.4.3扫描电子显微镜表征 13

2.4.4导电性能 14

2.4.5力学性能 15

2.4.6淀粉纳米晶与氧化石墨烯作用机理分析 16

第3章 实验结论与展望 17

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1淀粉及淀粉纳米晶(SNC)

1.1.1淀粉

淀粉（Starch）的结构式是（C₆H₁₀O₅）_n，是植物碳水化合物的贮藏体，在自然界中是仅次于纤维素的第二大产量生物材料。淀粉在植物生长期间以淀粉颗粒形式贮存于细胞中，主要存在于如水稻、小麦、马铃薯、玉米等高等植物的果实、种子、根茎中，此外，在某些原生动物、细菌以及藻类中也都可以找到。淀粉是白色的无臭无味的粉状物质，植物的种类不同，淀粉颗粒的形状和大小也各不相同^[1]。在光学显微镜或电镜下观察淀粉粒时，可看到明暗相互交替的类似洋葱的环层结构，有的可以看到明显的环纹和轮纹，各环层共同围绕的一点称为粒心或核,这种轮纹结构被认为是淀粉粒的生长环，是结晶层与无定形层的交替形成的^[2]（见图1.1）。

淀粉包括直链淀粉和支链淀粉两部分，完全水解都可以生成D-葡萄糖，部分水解都可以生成麦芽糖。而麦芽糖是α-D-葡萄糖的苷，所以说淀粉是由单一类型的糖单元组成的高聚糖，其基本构成单元是α-D-葡萄糖。在淀粉分子中直链淀粉和支链淀粉只是葡萄糖单元的连接方式不同。其中，直链淀粉能溶于热水而不成糊状，是由约1000个以上的α-D-毗喃葡萄糖单元通过α-D-1,4 糖苷键连接而成的链状分子，相对分子量比直链淀粉要低。淀粉的支链结构为线形多聚物，具有一定的构象，在空间形成一个盘旋的螺圈，每六个葡萄糖单位组成螺旋的一个节距，在螺旋内部只含氢原子，羟基位于螺旋外侧，中间的空腔可以容纳体积合适的小分子化合物，如碘分子，直链淀粉和碘络合后呈深蓝色可用于淀粉的鉴别；支链淀粉的结构与直链淀粉类似，葡萄糖单位也是通过α-D-1,4 糖苷键相连，不同的是每隔20-25个葡萄糖单元，就有一个α-1,6 糖苷键连接的支链，其分枝成簇，以双螺旋形式存在，相对分子量一般为1000000-6000000。淀粉颗粒具有局部结晶的网络结构，支链淀粉的侧链有序排列形成许多小结晶区，而直链淀粉分子则有一部分单独存在，也有与支链淀粉分子的侧链通过氢键结合，构成微晶束结构^[1]。

图1.2 直链淀粉（A）和支链淀粉(B)分子结构式^[3]