CN107540858B - 一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜及其制法与应用 - Google Patents

一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜及其制法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米复合材料领域,公开了一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜及其制法与应用。所述的秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法为:采用TEMPO氧化法制备秸秆纳米纤维,用酸水解的方法制备纳米甲壳素,将二者和聚丙烯酰胺按照一定比例搅拌混合均匀作为成膜液,进行脱气处理后取适量成膜液置于硅板上,在一定转速下旋转,甩掉多余的成膜液,依次往复操作数次后揭膜,再将复合膜在一定压力下压膜即可得到高强度复合膜。所述秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜不仅具有良好的透光性,且强度有了很大的提高,可以应用到抗菌领域、膜电极材料、柔性电子器件等多个领域。

Description

一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜及其制法与应用
技术领域
本发明属于纳米材料领域,具体涉及一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜及其制法与应用。
背景技术
随着现代科技的发展,植物资源的高效利用越来越引起人们的重视。仅我国每年的秸秆、稻麦草等秸秆纤维高达10亿吨,然而这些秸秆纤维少量被用来饲养牲畜或制成肥料,大部分被焚烧或掩埋,使得资源没有得到高效的利用。
纤维素是植物细胞壁的主要成分。天然存在的纤维素是由8000~10000个β-D-吡喃式葡萄糖单体以β-1,4-糖苷键联接而成的线状高分子化合物,也是自然界含量最丰富的天然高分子有机化合物。甲壳素和天然纤维素具有相似的化学结构。甲壳素是一种由N-乙酰氨基葡萄糖以β-1,4糖苷键缩合而成的氨基多糖聚合物,也是自然界中少见的带正电的高分子聚合物,是自然界第二大丰富的生物聚合物,含量仅次于纤维素,是许多低等动物特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳的重要成分,同时,甲壳素也是低等植物菌类细胞膜的组成部分,地衣,绿藻、酵母、水母及乌贼体内也含有。同时,甲壳素作为一种天然有机化合物,无毒无味,具有较好的化学稳定性、可生物降解性,良好的透气、吸附性,优异的吸湿、调湿性,独特的抗菌性、生物相容性及可生物降解性,在医药业、食工业、纺织业、农业等众多领域都有巨大的应用价值。
甲壳素晶即甲壳素纳米晶须,是以单晶形式存在的甲壳素纤维,由甲壳素分子有序堆积而成,因此它具备甲壳素所有良好性能(Wei Jing,Wan Yuqin,WangHongbo.Preparation and antibacterial performance of CNW/PLA compositenanofiber films[J].New Chemical Materials.2013,5(41):43)。同时,由于甲壳素纳米晶须的直径极小(纳米数量级),不含普通材料所具有的晶界、位错、空穴等缺陷,且原子排列高度有序,因而具有高强高模的特点,是一种性能优异、环境友好,是天然增强材料。
现有技术报道中虽然有关于纳米纤维素和纳米甲壳素制备的研究,也有少量关于纳米甲壳素和纳米纤维素混合制备透明膜的报道,但是其制备方法多为流延法和抽滤法,效率较低,并且膜的厚度和各项性能差异很大,不适合大面积推广。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处,本发明的首要目的在于提供一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜。
本发明的另一目的在于提供上述秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法。
本发明的再一目的在于上述一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的应用。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其由纳米纤维素、纳米甲壳素晶与聚丙烯酰胺制备得到;所述秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的结构如式(1)所示:
Figure BDA0001392453420000031
其中,n1和n2为甲壳素晶中脱乙酰部分和未脱乙酰部分所占比例,数值大于0小于1;n3和n4分别为纳米纤维素和聚丙烯酰胺的聚合度,其中n3为大于100小于800的自然数,n4为介于3.7×104和4.7×104之间的自然数。
上述秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)在秸秆纤维加入一定量的H2O、TEMPO试剂(2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物)、NaBr和NaClO,经过一段时间的TEMPO氧化处理后均质处理,得到纳米纤维素乳液;
(2)将甲壳素酸水解后进行离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液超声波细胞粉碎处理一定时间,得到部分脱乙酰的纳米甲壳素晶乳液;
(3)将步骤(1)制得的纳米纤维素乳液、步骤(2)制得的纳米甲壳素晶乳液和聚丙烯酰胺按照一定比例搅拌混合均匀,进行脱气处理后作为成膜液;
(4)将成膜液置于基板(如硅板)上,在一定转速下旋转,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作数次后干燥,取出揭膜即可得到高强度复合膜(即秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜)。
优选的,步骤(1)中所述TEMPO氧化处理中所用TEMPO试剂、NaBr和NaClO用量分别为(0.010~0.015)g/g绝干秸秆纤维、(0.05~0.1)g/g绝干秸秆纤维和(3~6)mmol/g绝干秸秆纤维,TEMPO氧化处理过程中秸秆纤维的质量浓度(即浆浓)为1%。
优选的,步骤(1)所述的均质处理为:在压力为10000~30000psi,温度为0~10℃的条件下均质若干次(优选5次)。
优选的,步骤(2)所述的酸水解中使用的酸为盐酸,盐酸浓度为(2~3)mol/L,用量为10ml/g甲壳素。
优选的,步骤(2)所述的酸水解反应为:在温度为100℃,转速为500rpm的条件下反应3h。
优选的,步骤(2)所述的离心操作条件为:在温度24℃,转速10000rpm,时间15min的条件下离心至出现悬浊液。
优选的,步骤(2)所述的超声波细胞粉碎处理条件为:在温度低于40℃,功率800W,输出功率20%条件下处理1h。
优选的,步骤(3)所述的纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液混合按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶质量比例为(1~3):(1~3)。
优选的,步骤(3)所述的聚丙烯酰胺的添加量为纳米纤维素和纳米甲壳素晶绝干总质量的0.01%~0.1%。
优选的,步骤(4)所述的旋涂操作转速为1000~5000rpm,重复旋涂5~20次。
优选的,步骤(4)所述的干燥温度为40~80℃,时间为10~60min;优选为干燥温度为60℃,时间为30min。
上述的秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜不仅具有良好的透光性,且强度有了很大的提高,可在食品保鲜、抗菌领域(如医疗抗菌领域)、膜电极材料、电子器件(尤其是柔性电子器件)等领域应用。
本发明利用纳米纤维素表面富含的羟基和甲壳素表面富含的氨基产生静电效应、配位作用和氢键作用,使得分子间的结合强度增加。在成膜液中加入少量的阳离子聚丙烯酰胺,适当调节成膜液粘度,改善成膜液稳定性。采用层层叠加组装技术制备出高模量的膜材料。
与现有技术相比,本发明具有以下优点及有益效果:
本发明所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,对现有的纳米纤维素膜材料进行强度的提高,通过加入甲壳素晶,制备二者的复合膜。图2为秸秆纳米纤维/甲壳素晶复合膜的XRD峰图,图中同时出现了纤维素和甲壳素的特征峰,说明该膜材料同时含有甲壳素和纤维素,甲壳素特征峰十分尖锐,说明甲壳素晶的结晶度很高。图3为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶和复合膜的FT-IR图,图中同时出现纤维素和甲壳素的特征吸收峰,同XRD图得出的结论一致,二者相互印证。复合膜干燥后纤维素和甲壳素表面的正、负电荷产生静电作用,同时羟基和氨基产生氢键作用,聚丙烯酰胺大分子的助留作用进一步提高了分子间的结合强度,显著提高了膜材料的弹性模量,扩大了纤维素和甲壳素的应用范围。
附图说明
图1为一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备过程示意图。
图2为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶须的复合膜AFM图。
图3为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶须的复合膜的XRD图。
图4为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶须的复合膜的FT-IR图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
本发明制备方法中各起始原料可从市场购得或按照现有技术方法制备获得。在本实施例中,秸秆纤维原料为麦草秸秆,甲壳素为市售的a-甲壳素。纳米纤维素制备可以参考现有技术已经报道的方法得到(杨建校等.TEMPO氧化法制备氧化纤维素纳米纤维[J].东北林业大学学报.2011.3,3(39):96-100);甲壳素纳米晶的制备可以参考现有技术已经报道的方法制备得到(彭琪.丁苯橡胶/甲壳素晶须(CNCs)纳米复合材料的制备及性能研究[D].暨南大学,2015.6),但纳米纤维素和纳米甲壳素晶的获得不限于该种方式。
实施例1
一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其制备方法如下:
(1)准确称取5.0000g麦秆浆,加入0.08gTEMPO试剂、0.5g NaBr和5mmol NaClO,反应1.5h后用压力为25000psi、温度为5℃的均质机处理5次,配制成质量分数为2%的纳米纤维素乳液。
(2)准确称取5.0000g甲壳素,加入3mol/L的HCl 150ml,在温度100℃,转速为500rpm条件下反应5h,反应完毕后在转速为10000rpm、温度20℃下离心处理15min,多次离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液用温度≦40℃、功率800W的超声波细胞粉碎机处理1h,配制成质量分数为2%的得到纳米甲壳素晶乳液。
(3)将纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶1:1质量比例搅拌混合均匀,加入相当于纳米纤维素和纳米甲壳素晶混合绝干质量0.01%的聚丙烯酰胺,搅拌均匀后进行脱气处理,作为成膜液。
(4)取5g成膜液置于硅板上,转速为1000rpm,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作5数次后置于40℃鼓风干燥箱60min后取出揭膜即可得到高强度复合膜。
通过原子力显微镜观察到秸秆纳米纤维晶和甲壳素晶的尺寸为纳米级;通过万能力学测试机测得秸秆纳米纤维/甲壳素复合膜的弹性模量为2498Mpa。
实施例2
一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其制备方法如下:
(1)准确称取5.0000g麦秆浆,加入0.08g TEMPO试剂、0.5g NaBr和5mmol NaClO,反应1.5h后用压力为25000psi、温度为5℃的均质机处理5次,配制成质量分数为2%的纳米纤维素乳液。
(2)准确称取5.0000g甲壳素,加入3mol/L的HCl 150ml,在温度100℃、转速为500rpm条件下反应5h,反应完毕后在转速为10000rpm,温度20℃下离心处理15min,多次离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液用温度≦40℃、功率800W的超声波细胞粉碎机处理1h,配制成质量分数为2%的得到纳米甲壳素晶乳液。
(3)将纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶1:2质量比例搅拌混合均匀,加入相当于纳米纤维素和纳米甲壳素晶混合绝干质量0.05%的聚丙烯酰胺,搅拌均匀后进行脱气处理,作为成膜液。
(4)取5g成膜液置于硅板上,转速为3000rpm,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作10数次后置于80℃鼓风干燥箱20min后取出揭膜即可得到高强度复合膜。
通过原子力显微镜观察到秸秆纳米纤维晶和甲壳素晶的尺寸为纳米级;通过万能力学测试机测得秸秆纳米纤维/甲壳素复合膜的弹性模量为4495Mpa。
实施例3
(1)准确称取5.0000g麦秆浆,加入0.08g TEMPO试剂、0.5g NaBr和5mmol NaClO溶液,反应1.5h后用压力为25000psi、温度为5℃的均质机处理5次,配制成质量分数为2%的纳米纤维素乳液。
(2)准确称取5.0000g甲壳素,加入3mol/L的HCl 150ml,在温度100℃、转速为500rpm条件下反应5h,反应完毕后在转速为10000rpm、温度20℃下离心处理15min,多次离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液用温度≦40℃、功率800W的超声波细胞粉碎机处理1h,配制成质量分数为2%的得到纳米甲壳素晶乳液。
(3)将纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶3:2质量比例搅拌混合均匀,加入相当于纳米纤维素和纳米甲壳素晶混合绝干质量0.1%的聚丙烯酰胺,搅拌均匀后进行脱气处理,作为成膜液。
(4)取5g成膜液置于硅板上,转速为2000rpm,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作15数次后置于70℃鼓风干燥箱40min后取出揭膜即可得到高强度复合膜。通过原子力显微镜观察到秸秆纳米纤维晶和甲壳素晶的尺寸为纳米级;通过万能力学测试机测得秸秆纳米纤维/甲壳素复合膜的弹性模量为5579Mpa。
实施例4
一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其制备方法如下:
(1)准确称取5.0000g麦秆浆,加入0.08g TEMPO试剂、0.5g NaBr和5mmol NaClO,反应1.5h后用压力为25000psi、温度为5℃的均质机处理5次,配制成质量分数为2%的纳米纤维素乳液。
(2)准确称取5.0000g甲壳素,加入3mol/L的HCl 150ml,在温度100℃,转速为500rpm条件下反应5h,反应完毕后在转速为10000rpm,温度20℃下离心处理15min,多次离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液用温度≦40℃、功率800W的超声波细胞粉碎机处理1h,配制成质量分数为2%的得到纳米甲壳素晶乳液。
(3)将纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶2:1质量比例搅拌混合均匀,加入相当于纳米纤维素和纳米甲壳素晶混合绝干质量0.08%的聚丙烯酰胺,搅拌均匀后进行脱气处理,作为成膜液。
(4)取5g成膜液置于硅板上,转速为4000rpm,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作20数次后置于50℃鼓风干燥箱50min后取出揭膜即可得到高强度复合膜。
通过原子力显微镜观察到秸秆纳米纤维晶和甲壳素晶的尺寸为纳米级;通过万能力学测试机测得秸秆纳米纤维/甲壳素复合膜的弹性模量为6832Mpa。
实施例5
一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其制备方法如下:
(1)准确称取5.0000g麦秆浆,加入0.08g TEMPO试剂、0.5g NaBr和5mmol NaClO,反应1.5h后用压力为25000psi、温度为5℃的均质机处理5次,配制成质量分数为2%的纳米纤维素乳液。
(2)准确称取5.0000g甲壳素,加入3mol/L的HCl 150ml,在温度100℃、转速为500rpm条件下反应5h,反应完毕后在转速为10000rpm,温度20℃下离心处理15min,多次离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液用温度≦40℃、功率800W的超声波细胞粉碎机处理1h,配制成质量分数为2%的得到纳米甲壳素晶乳液。
(3)将纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶3:1质量比例搅拌混合均匀,加入相当于纳米纤维素和纳米甲壳素晶混合绝干质量0.05%的聚丙烯酰胺,搅拌均匀后进行脱气处理,作为成膜液。
(4)取5g成膜液置于硅板上,转速为2000rpm,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作10数次后置于60℃鼓风干燥箱30min后取出揭膜即可得到高强度复合膜。
通过原子力显微镜观察到秸秆纳米纤维晶和甲壳素晶的尺寸为纳米级;通过万能力学测试机测得秸秆纳米纤维/甲壳素复合膜的弹性模量为7752Mpa。
对实施例5所得的秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜进行AFM观察,可以清晰地看到纳米尺寸的纤维素和甲壳素交错排列,结构紧密。对复合膜进行X射线衍射分析和傅里叶变换红外光谱分析,图3和图4分别为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的XRD图和FT-IR图。图3可知,2θ为9.8°和19.6°出现甲壳素[020]和[110]晶面的特征峰,2θ为12.1°、15.0°和22.9°时出现纤维素II型[110]和纤维素I型[110]和[200]晶面的特征峰,由此可见,复合膜同时含有纤维素和甲壳素,同时,甲壳素特征峰十分尖锐,说明甲壳素晶的结晶度很高。图4为秸秆纳米纤维素/甲壳素晶和复合膜的FT-IR图,3531cm-1的宽峰为羟基和酰氨基的伸缩振动以及他们之间形成的分子间氢键的特征吸收峰;2892cm-1为C-H的伸缩振动吸收峰;1424cm-1为C-H的弯曲振动吸收峰;1655cm-1为C=O的伸缩振动吸收峰即酰胺I带吸收峰;1634cm-1为-NH2面内变形振动振动即酰胺II带吸收峰;1160cm-1为C-C骨架振动吸收峰;895cm-1为葡萄糖苷键吸收峰;1376cm-1和1318cm-1为酰胺III带吸收峰;1028cm-1为C-O-C伸缩振动吸收峰;1058cm-1为C-O伸缩振动吸收峰,FT-IR图中同时出现纤维素和甲壳素的特征吸收峰,同XRD图得出的结论一致,二者相互印证。复合膜干燥后纤维素和甲壳素表面的正、负电荷产生静电作用,同时羟基和氨基产生氢键作用,进一步提高了分子间的结合强度,显著提高了膜材料的弹性模量,扩大了纤维素和甲壳素的应用范围。
实施例6:一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜机械性能的测试
对实施例1~5制备得到的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜进行力学性能(弹性模量,MPa)检测,用万能力学测试机进行测定。将膜裁剪成60mm×15mm的长条,并放置在温度和湿度分别为23℃和53%的恒温恒湿箱中均湿2d。测试初始夹距为30mm,测试速度为10mm/min。每组样品重复测定5次,取平均值。测试结果如表1所示。
表1.一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的弹性模量测试结果
Figure BDA0001392453420000101
由表1可见,把甲壳素晶加入到纳米纤维素膜中时,膜的弹性模量显著提高,但是甲壳素晶添加量增大时,复合膜又倾向于甲壳素膜较脆的特点,所以甲壳素添加量不宜过高,在本案例实施中,较好的纳米纤维素和甲壳素晶的质量比例为3:1,此时弹性模量高达7752Mpa。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜,其特征在于,其由纳米纤维素、纳米甲壳素晶与聚丙烯酰胺制备得到,其中纳米纤维素的绝干质量和纳米甲壳素晶的质量比例为(1~3):(1~3),聚丙烯酰胺的添加量为纳米纤维素和纳米甲壳素晶绝干总质量的0.01%~0.1%;所述秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的结构如式(1)所示:
Figure FDA0002300562970000011
其中,n1和n2为甲壳素晶中脱乙酰部分和未脱乙酰部分所占比例,数值大于0小于1;n3和n4分别为纳米纤维素和聚丙烯酰胺的聚合度,其中n3为大于100小于800的自然数,n4为介于3.7×104和4.7×104之间的自然数。
2.权利要求1所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在秸秆纤维加入一定量的H2O、TEMPO试剂、NaBr和NaClO,经过TEMPO氧化处理后均质处理,得到纳米纤维素乳液;
(2)将甲壳素酸水解后进行离心处理,直至离心出悬浊液,最后将悬浊液超声波细胞粉碎处理,得到纳米甲壳素晶乳液;
(3)将步骤(1)制得的纳米纤维素乳液、步骤(2)制得的纳米甲壳素晶乳液和聚丙烯酰胺按比例搅拌混合均匀,进行脱气处理后作为成膜液;
(4)将成膜液置于基板上,在一定转速下旋转,甩掉多余的成膜液,依次往复旋涂操作数次后干燥,取出揭膜即可得到秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜。
3.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述TEMPO氧化处理中所用TEMPO试剂、NaBr和NaClO用量分别为(0.010~0.015)g/g绝干秸秆纤维、(0.05~0.1)g/g绝干秸秆纤维和(3~6)mmol/g绝干秸秆纤维,浆浓为1%。
4.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述的均质处理为:在压力为10000~30000psi,温度为0~10℃的条件下均质若干次。
5.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述的酸水解中使用的酸为盐酸,所述的盐酸浓度为2~3mol/L,用量为10ml/g甲壳素。
6.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述的纳米纤维素乳液和纳米甲壳素晶乳液混合按照绝干纳米纤维素和纳米甲壳素晶的质量比例为(1~3):(1~3)。
7.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述的聚丙烯酰胺的添加量为纳米纤维素和纳米甲壳素晶绝干总质量的0.01%~0.1%。
8.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述的旋涂操作转速为1000~5000rpm,重复旋涂5~20次。
9.根据权利要求2所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述的干燥温度为40~80℃,时间为10~60min。
10.权利要求1所述的一种秸秆纳米纤维素/甲壳素晶复合膜在食品保鲜、抗菌领域、膜电极材料和电子器件领域中应用。
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