, Volume 194, Issue 2, pp 124-135
Date: 08 Jul 2013

Phase transition of collagen and gelatin

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Summary

In order to investigate physical properties of semicrystalline high polymer, such as collagen or gelatin, over a wide temperature range, the phase change which might occur in this range is first of all required to elucidate. For this purpose, experiments seeking for the temperature dependence of linear thermal expansion, retractive stress, complex dynamic elasticity moduli, and equilibrium stress, the time rate of change of stress at constant temperatures, differential thermal analysis, and wide-angle X-ray diffraction analysis were performed on dried steer Achilles tendon fiber and gelatin film.

The following conclusions were obtained. Tendon fiber consists of three regions of different structure: amorphous region having a second order phase transition point at 120 °C, less oriented unstable crystalline region having widely distributed melting temperatures over the range between 80–100° and 180 °C, and stable crystalline region having sharply distributed melting temperatures around 200 °C. Gelatin also consists of the same three regions, and the stable crystalline region is stabilized further by the higher degree of cross-linking having bonds of ionic nature and possesses its melting temperatures around 220 °C.

Zusammenfassung

Um physikalische Eigenschaften teilkristalliner Hochpolymerer wie Kollagen oder Gelatine zu untersuchen, wurde über einen weiten Temperaturbereich der Phasenwechsel, der in diesem Bereich eintritt, untersucht. Zu diesem Zweck wurde die Temperatur abhängigkeit der linearen thermischen Ausdehnung, die Zugkraft, der komplexe Elastizitätsmodul, der Gleichgewichtszug, die Geschwindigkeit der Änderung des Zugs bei konstanter Temperatur, ‘differential-thermoanalytische Daten und Weitwinkel-Röntgenstreuung an getrockneter Stier-Achilles-Sehne und Gelatinefilm durchgeführt.

Es ergaben sich folgende Schlüsse: Fasern der Sehnen bestehen aus drei Bereichen verschiedener Struktur: amorphen Bereichen, die einen Phasenübergang zweiter Ordnung bei 120 °C zeigen, weniger orientierten instabilen kristallinen Bereichen mit weit verteilten Schmelztemperaturen im Bereich zwischen 80–100 und 180 °C und stabilen kristallinen Bereichen mit scharf verteilten Schmelztemperaturen um 200° herum. Auch Gelatine besteht aus denselben drei Anteilen, und die stabilen kristallinen Bezirke sind außerdem durch einen höheren Grad von Vernetzung mit Bindungen ionischer Natur stabilisiert und besitzen Schmelztemperaturen um 220 °C.

With 13 figures in 18 details and 1 table
Dedicated to Prof. Dr. R. Hilsch for his 60th birthday.