CN104403131A - 一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜及其制备方法，该薄膜由细菌纤维素和碳纳米管原位复合而成，其中，细菌纤维素与碳纳米管的质量比为0.65~0.85:1。制备方法：（1）形成细菌纤维素乳液的配制；（2）碳纳米管溶液的配制；（3）将制得的细菌纤维素乳液添加到碳纳米管溶液中，并加入交联剂，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，冷冻，然后置于室温下解冻，冷冻和解冻均循环三次，即得。本发明提供的碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜将碳纳米管与细菌纤维素原位复合，在保留有细菌纤维素原有特性的基础上，提高了其机械性能，使其应用领域更广，且制备方法简单，适合放大生产。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜及其制备方法。
背景技术
细菌纤维素是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物。它是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键结合成的直链分子，因此又称为β-1，4-葡聚糖。因其由细菌合成而命名为细菌纤维素，它最早是由英国科学家Brown发现，经物理和化学方法分析确定为纤维素类物质，对该物质进行水解，水解液主要成分是葡萄糖。它由独特的丝状纤维组成，纤维直径在0.01～0.10μm之间，比植物纤维素(10μm)小2～3个数量级，每一丝状纤维由一定数量的超微纤维组成网状结构。它与植物纤维素的主要差别在于前者不含有半纤维素、木质素等。
产生细菌纤维素的菌属有醋酸杆菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、固氮菌属、气杆菌属和产碱菌属等。其中木醋杆菌是最早发现，也是研究较为透彻的纤维素产生菌株，该菌可以利用多种底物生长，是目前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株。
细菌纤维素作为一种新型纳米材料已成为国际的研究热点。但是，目前由细菌纤维素制成的聚合物膜存在机械性能差，影响了其应用的领域。
发明内容
基于上述信息，本发明的目的在于提供一种机械性能优异的碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜，由细菌纤维素和碳纳米管原位复合而成，其中，细菌纤维素与碳纳米管的质量比为0.65～0.85:1。
碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将细菌纤维素膜置于NaOH水溶液中，加热煮沸30～60min，用去离子水洗涤至中性，真空干燥，然后研磨成粉状，置于乳化机内，形成细菌纤维素乳液，备用；
(2)将碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4组成的混合酸中，配制成浓度为0.01～0.1g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应30～60min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在50～60℃下真空干燥12～24h后，置于去离子水中，超声分散30～60min，制得碳纳米管溶液，备用；
(3)将步骤(1)制得的细菌纤维素乳液添加到步骤(2)制得的碳纳米管溶液中，并加入交联剂，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，冷冻24～48h，然后置于室温下解冻12～24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
步骤(1)中，NaOH水溶液的浓度为1～5wt％。
步骤(2)中，HNO3和H2SO4的质量比为1：1。
步骤(2)中，所述交联剂为四羧酸丁烷。
步骤(2)中，成形模具为玻璃器具或陶瓷器具。
步骤(2)中，冷冻的温度为-25～-36℃。
本发明提供的碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜将碳纳米管与细菌纤维素原位复合，在保留有细菌纤维素原有特性的基础上，利用碳纳米管具有较高的柔韧性、较低的质量密度和较大的纵横比提高了细菌纤维素的机械性能，使其应用领域更广，且制备方法简单，适合放大生产。
具体实施方式
实施例1
将650g细菌纤维素膜置于浓度为1wt％的NaOH水溶液中，加热煮沸30min，用去离子水洗涤至中性，在60℃下真空干燥12h，然后研磨成粉状，置于乳化机内，转速为10000r/min，时间120s，形成细菌纤维素乳液，备用；
将1kg碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4按质量比为1：1组成的混合酸中，配制成浓度为0.01g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应30min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在50℃下真空干燥24h后，置于去离子水中，超声分散30min，制得碳纳米管溶液，备用；
将制得的细菌纤维素乳液添加到制得的碳纳米管溶液中，并加入催化量四羧酸丁烷，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，在-25℃下冷冻24h，然后置于室温下解冻24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
实施例2
将700g细菌纤维素膜置于浓度为2wt％的NaOH水溶液中，加热煮沸40min，用去离子水洗涤至中性，在60℃下真空干燥14h，然后研磨成粉状，置于乳化机内，转速为10000r/min，时间120s，形成细菌纤维素乳液，备用；
将1kg碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4按质量比为1：1组成的混合酸中，配制成浓度为0.03g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应40min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在50℃下真空干燥24h后，置于去离子水中，超声分散40min，制得碳纳米管溶液，备用；
将制得的细菌纤维素乳液添加到制得的碳纳米管溶液中，并加入催化量四羧酸丁烷，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，在-27℃下冷冻21h，然后置于室温下解冻24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
实施例3
将750g细菌纤维素膜置于浓度为3wt％的NaOH水溶液中，加热煮沸40min，用去离子水洗涤至中性，在60℃下真空干燥16h，然后研磨成粉状，置于乳化机内，转速为10000r/min，时间120s，形成细菌纤维素乳液，备用；
将1kg碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4按质量比为1：1组成的混合酸中，配制成浓度为0.05g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应40min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在55℃下真空干燥20h后，置于去离子水中，超声分散40min，制得碳纳米管溶液，备用；
将制得的细菌纤维素乳液添加到制得的碳纳米管溶液中，并加入催化量四羧酸丁烷，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，在-30℃下冷冻18h，然后置于室温下解冻24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
实施例4
将800g细菌纤维素膜置于浓度为4wt％的NaOH水溶液中，加热煮沸50min，用去离子水洗涤至中性，在60℃下真空干燥18h，然后研磨成粉状，置于乳化机内，转速为10000r/min，时间120s，形成细菌纤维素乳液，备用；
将1kg碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4按质量比为1：1组成的混合酸中，配制成浓度为0.07g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应50min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在60℃下真空干燥12h后，置于去离子水中，超声分散50min，制得碳纳米管溶液，备用；
将制得的细菌纤维素乳液添加到制得的碳纳米管溶液中，并加入催化量四羧酸丁烷，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，在-33℃下冷冻15h，然后置于室温下解冻24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
实施例5
将850g细菌纤维素膜置于浓度为5wt％的NaOH水溶液中，加热煮沸60min，用去离子水洗涤至中性，在60℃下真空干燥20h，然后研磨成粉状，置于乳化机内，转速为10000r/min，时间120s，形成细菌纤维素乳液，备用；
将1kg碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4按质量比为1：1组成的混合酸中，配制成浓度为0.1g/mL的溶液，将溶液加热至回流，反应60min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在60℃下真空干燥12h后，置于去离子水中，超声分散60min，制得碳纳米管溶液，备用；
将制得的细菌纤维素乳液添加到制得的碳纳米管溶液中，并加入催化量四羧酸丁烷，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，在-36℃下冷冻12h，然后置于室温下解冻24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
机械性能测试：
以纯细菌纤维素膜作为对照，分别取实施例1～5制得的碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜，测定并计算断裂伸长百分率、断裂强度和拉伸模量，结果见表1。
表1
| 组别 | 断裂伸长百分率(％) | 断裂强度(MPa) | 拉伸模量(GPa) |
| 实施例1 | 18.39 | 318.57 | 3.07 |
| 实施例2 | 20.57 | 336.41 | 3.64 |
| 实施例3 | 24.63 | 378.56 | 4.02 |
| 实施例4 | 22.04 | 354.69 | 3.79 |
| 实施例5 | 20.38 | 320.43 | 3.13 |
| 对照组 | 13.32 | 73.04 | 0.93 |
由上表可知，本发明制备的碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜相较于纯细菌纤维素的机械性能有大幅提高，适用领域更广。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (6)
1.一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜，其特征在于，由细菌纤维素和碳纳米管原位复合而成，其中，细菌纤维素与碳纳米管的质量比为0.65~0.85:1。
2.权利要求1所述碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将细菌纤维素膜置于NaOH水溶液中，加热煮沸30~60min，用去离子水洗涤至中性，真空干燥，然后研磨成粉状，置于乳化机内，形成细菌纤维素乳液，备用；
（2）将碳纳米管加入到由HNO3和H2SO4组成的混合酸中，配制成浓度为0.01~0.1g/mL 的溶液，将溶液加热至回流，反应30~60min，过滤后用去离子水洗涤至弱酸性，在50~60℃下真空干燥12~24h后，置于去离子水中，超声分散30~60min，制得碳纳米管溶液，备用；
（3）将步骤（1）制得的细菌纤维素乳液添加到步骤（2）制得的碳纳米管溶液中，并加入交联剂，搅拌均匀，静置脱泡，然后倒入成形模具中，冷冻24~48h，然后置于室温下解冻12~24h，冷冻和解冻均循环三次，即得碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，NaOH水溶液的浓度为1~5wt%。
4.根据权利要求2所述的一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，HNO3和H2SO4的质量比为1：1。
5.根据权利要求2所述的一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述交联剂为四羧酸丁烷。
6.根据权利要求2所述的一种碳纳米管/细菌纤维素医用复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，冷冻的温度为-25~-36℃。
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