利用陽離子納米微晶纖維素增強半纖維素膜的方法與流程
2023-10-23 20:55:07
本發明涉及一種半纖維素膜，具體涉及一種陽離子改性納米微晶纖維素增強半纖維素膜製備方法，屬於生物功能材料領域，生產出無毒、可完全生物降解且力學性能優良的複合膜。
背景技術：
隨著世界石化資源的日漸枯竭和環境的日益惡化，全球面臨著經濟可持續性發展和環境保護的雙重壓力，可再生生物質資源的轉化和利用已成為未來社會可持續發展的重要途徑。半纖維素作為一種含量豐富的生物可再生資源，是一種優良的薄膜製備原料。由半纖維素製備的熱塑性薄膜材料，因其優異的柔韌性、阻隔性及生物相容性，使其在食品包裝、可食性包覆膜、傷口敷料和藥物載體等方面具有巨大的潛在應用價值，但半纖維素單獨成膜具有較脆、力學性能低和環境適應性差等缺陷。
納米微晶纖維素（Nanocrystalline cellulose, NCC），一種新型綠色納米材料，是將天然纖維素中的非結晶區去除，而得到的一種纖維素結晶體，具有納米尺寸效應、高強度、高力學性能和生物相容性等優良特性。將其加入到複合材料中，可明顯增強材料的力學性能、剛度以及韌性，因此在高性能複合材料的研製中表現出極大的應用潛力。陽離子化的納米微晶纖維素（Cationic nanocrystalline cellulose, CNCC）是通過醚化反應將帶有銨鹽基團的環氧化物引入到納米微晶纖維素表面的方法製備的。納米微晶纖維素陽離子化可以水解納米微晶纖維素表面的磺酸酯基團，改變其表面電荷極性並增加其電荷密度，但不會破壞納米微晶纖維素的晶體形態和尺寸大小，可以進一步提高其在水溶液中的分散性。
因此，將納米微晶纖維素添加到半纖維素懸浮液中，能夠發揮其納米尺寸效應、高比表面積和高力學性能等優良特性，可以預期，這勢必會進一步增強半纖維素膜的性能和擴大其應用範圍。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提供了一種利用陽離子納米微晶纖維素增強半纖維素膜的方法。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的：
步驟（1）：稱取一定質量納米微晶纖維素濃縮液加入到三口燒瓶中，然後滴入69.72mL二甲基亞碸和6.21mL 2,3環氧丙基三甲基氯化銨，添加0.13g氫氧化鈉，在65°C水浴中磁力攪拌反應4.5h，再超聲1.5h，最後用乙醇稀釋反應物終止反應。
然後，對其進行離心操作，去除上清液，保留底部沉澱；隨後對沉澱物進行反覆清洗操作，透析3天，並定期換水。
最後，將透析後的溶液在旋轉蒸發儀中蒸發濃縮得到濃度為1-3%的陽離子納米微晶纖維素濃縮液。
步驟（2）：稱取質量比為3:1的半纖維素和D-山梨醇，將其置於250ml的三口燒瓶中，加入3~9%（以半纖維素和D-山梨醇絕幹總質量為基準）步驟（1）中製備出的陽離子納米微晶纖維素溶液，並補充蒸餾水，調控混合液的固含量為2%。然後，將上述混合液在400rpm的轉速下磁力攪拌60min，控制水浴溫度為90°C。
步驟（3）：稱取步驟（2）中得到的陽離子納米微晶纖維素/半纖維素水相分散液20g，將其置於聚四氟乙烯模具中，放在50°C的烘箱中乾燥成膜，可得到陽離子改性納米微晶纖維素增強的半纖維素膜。
上述方法中，步驟（1）的納米微晶纖維素來自於棉微晶纖維素的硫酸水解產品，呈棒狀結構，長度約200nm、直徑50nm左右、Segal結晶指數達95%。
上述方法中，步驟（1）的納米微晶纖維素濃縮液濃度為3.0%，稱取質量為84g。
上述方法中，步驟（2）中所述的半纖維素為蔗渣原料經鹼/硼砂體系水解而來，含木糖68.73%、阿拉伯糖4.93%、葡萄糖11.27% 、半乳糖14.88%，重均分子量為6087 g/mol。
上述方法中，步驟（2）中所選用的D-山梨醇，分子式C6H14O6，為白色結晶性粉末，易溶於水（235g/100g水，25 °C）。
本發明的有益效果：本發明以環境友好型、可生物降解的生物質材料為原料，清潔高效地製備陽離子納米微晶纖維素/半纖維素複合薄膜，使半纖維素膜的熱穩定性提高，力學性能得到了增強。本發明中的陽離子改性納米纖維素纖維的製備與半纖維素的共混是物理過程，未發生複雜化學反應，遵循可持續發展戰略，符合當今社會可持續發展的要求。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步的說明，但本發明要求保護的範圍並不局限於實施例表達的範圍。除非另有說明。
實施例1：
首先，稱取84g 3%濃度的納米微晶纖維素濃縮液加入到三口燒瓶中，然後滴入69.72mL二甲基亞碸和6.21mL 2,3環氧丙基三甲基氯化銨，添加0.13g氫氧化鈉，在65°C水浴中磁力攪拌反應4.5h，再超聲1.5h，最後用乙醇稀釋反應物終止反應；然後，對其進行離心操作，去除上清液，保留底部沉澱；隨後對沉澱物進行反覆清洗操作，透析3天，並定期換水。最後，將透析後的溶液在旋轉蒸發儀中蒸發濃縮得到濃度為1-3%的陽離子納米微晶纖維素濃縮液。稱取質量比為3:1的半纖維素和D-山梨醇，將其置於250ml的三口燒瓶中，加入3%（以半纖維素和D-山梨醇絕幹總質量為基準）陽離子納米微晶纖維素溶液，並補充蒸餾水，調控混合液的固含量為2%。然後，將上述混合液在400rpm的轉速下磁力攪拌60min，控制水浴溫度為90°C。最後，稱取陽離子納米微晶纖維素/半纖維素水相分散液20g，將其置於聚四氟乙烯模具中，放在50°C的烘箱中乾燥成膜，可得到陽離子改性納米微晶纖維素增強的半纖維素膜。將半纖維素薄膜剪成標準化的條狀樣品進行力學測試，測得拉伸應力為8.20MPa，彈性模量為736.14MPa。
實施例2：
首先，稱取84g 3%濃度的納米微晶纖維素濃縮液加入到三口燒瓶中，然後滴入69.72mL二甲基亞碸和6.21mL 2,3環氧丙基三甲基氯化銨，添加0.13g氫氧化鈉，在65°C水浴中磁力攪拌反應4.5h，再超聲1.5h，最後用乙醇稀釋反應物終止反應；然後，對其進行離心操作，去除上清液，保留底部沉澱；隨後對沉澱物進行反覆清洗操作，透析3天，並定期換水。最後，將透析後的溶液在旋轉蒸發儀中蒸發濃縮得到濃度為1-3%的陽離子納米微晶纖維素濃縮液。稱取質量比為3:1的半纖維素和D-山梨醇，將其置於250ml的三口燒瓶中，加入6%（以半纖維素和D-山梨醇絕幹總質量為基準）陽離子納米微晶纖維素溶液，並補充蒸餾水，調控混合液的固含量為2%。然後，將上述混合液在400rpm的轉速下磁力攪拌60min，控制水浴溫度為90°C。最後，稱取陽離子納米微晶纖維素/半纖維素水相分散液20g，將其置於聚四氟乙烯模具中，放在50°C的烘箱中乾燥成膜，可得到陽離子改性納米微晶纖維素增強的半纖維素膜。將半纖維素薄膜剪成標準化的條狀樣品進行力學測試，測得拉伸應力為8.57MPa，彈性模量為932.50MPa。
實施例3：
首先，稱取84g 3%濃度的納米微晶纖維素濃縮液加入到三口燒瓶中，然後滴入69.72mL二甲基亞碸和6.21mL 2,3環氧丙基三甲基氯化銨，添加0.13g氫氧化鈉，在65°C水浴中磁力攪拌反應4.5h，再超聲1.5h，最後用乙醇稀釋反應物終止反應；然後，對其進行離心操作，去除上清液，保留底部沉澱；隨後對沉澱物進行反覆清洗操作，透析3天，並定期換水。最後，將透析後的溶液在旋轉蒸發儀中蒸發濃縮得到濃度為1-3%的陽離子納米微晶纖維素濃縮液。稱取質量比為3:1的半纖維素和D-山梨醇，將其置於250ml的三口燒瓶中，加入9%（以半纖維素和D-山梨醇絕幹總質量為基準）陽離子納米微晶纖維素溶液，並補充蒸餾水，調控混合液的固含量為2%。然後，將上述混合液在400rpm的轉速下磁力攪拌60min，控制水浴溫度為90°C。最後，稱取陽離子納米微晶纖維素/半纖維素水相分散液20g，將其置於聚四氟乙烯模具中，放在50°C的烘箱中乾燥成膜，可得到陽離子改性納米微晶纖維素增強的半纖維素膜。將半纖維素薄膜剪成標準化的條狀樣品進行力學測試，測得拉伸應力為10.44MPa，彈性模量為1040.57MPa。
本發明提供了一種陽離子改性納米微晶纖維素增強半纖維素膜的製備方法，生產出無毒、生物相容性好、生物可降解，具有良好力學性能的環境友好型複合膜，減少環境問題，能滿足麵包、蛋糕、水果等其它食品包裝的要求。