CN111849185A - 植物纤维基抗菌材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物纤维基抗菌材料及其制备方法，所述植物纤维基抗菌材料由以下物质按照重量分数组成：植物纤维95～100份、淀粉2～20份、壳聚糖0.1～3份、改性助剂1～10份、异丙醇5～20份，水100～600份。本发明具有轻质、低成本、全降解、抗菌性能优异的特点，可广泛应用于卫生要求较高的食品及其他卫生材料直接接触包装领域。

Description

植物纤维基抗菌材料及其制备方法
技术领域
本发明属于植物纤维材料复合性能改良技术领域，具体涉及一种植物纤维基抗菌材料及其制备方法。
背景技术
植物纤维(秸秆、甘蔗渣、麻纤维、竹纤维等)作为一种可再生的环境友好纤维材料具有来源丰富、价格低廉、加工成本低，可回收、可降解、轻质、高强、耐腐蚀等特点，可以替代木材、塑料。尽管植物纤维材料优点众多，但植物纤维中含有大量的极性羟基等极性官能团，与非极性聚合物的相容性差，因此植物纤维与聚合物基体界面间难以形成很好的粘合，同时，天然植物纤维分子内含氢键，加热时会聚集在一起，导致其在基体中分散不均，从而影响复合材料的综合性能。
随着环境污染问题的日益严重，植物纤维的应用已经十分广泛，但是其理化性能有待改善，特别是在卫生要求较高的食品、日化、卫生材料等领域需对植物纤维进行改良后才能适应特殊的卫生要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种植物纤维基抗菌材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种植物纤维基抗菌材料，由以下物质按照重量分数组成：植物纤维95～100份、淀粉2～20份、壳聚糖0.1～3份、改性助剂1～10份、异丙醇5～20份，水100～600份。
上述方案中，所述植物纤维包含甘蔗浆、竹浆、秸秆浆、木浆、苇浆中的一种或至少两种组合。
上述方案中，所述淀粉包含玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉中一种或至少两种组合。
上述方案中，所述壳聚糖为海洋生物提取物。
上述方案中，所述改性助剂包含2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、醋酸、三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠、有机硅偶联剂。
本发明实施例还提供一种植物纤维基抗菌材料的制备方法，该方法通过步骤实现：
步骤1：植物纤维改性，把植物纤维添加在高温水里，加入修饰剂、有机硅偶联剂持续在罐内高速研磨搅拌，获得交联反应后的植物纤维素；
步骤2：壳聚糖改性，将壳聚糖溶于醋酸溶液中，调整pH值至3-4，加入三聚磷酸钠，75-85℃下搅拌溶解，反应2小时，离心获得壳聚糖纳米颗粒；
步骤3：淀粉和纳米壳聚糖改性，将所述壳聚糖纳米颗粒溶入异丙醇溶液中，加热至75-85℃并且保持1h，通过氢氧化钠调节pH至8-9，加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，保持75-85℃反应12h；加入淀粉，保持75-85℃继续反应12h，离心除去异丙醇，获得季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物；
步骤4：将所述交联反应后的植物纤维素、以及季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物与羧甲基纤维素钠共混、均质，在80度以上搅拌30分钟，获得混合物；
步骤5：植物纤维纳米改性，将所述混合物注射到模腔内，升温至200-250度保温保压10分钟进一步交联反应，然后抽真空10秒，开模取出干燥的植物纤维基纳米抗菌产品。
上述方案中，所述步骤1中修饰剂采用盐酸多巴胺水溶液，所述有机硅偶联剂采用硅烷。
与现有技术相比，本发明具有轻质、低成本、全降解、抗菌性能优异的特点，可广泛应用于卫生要求较高的食品及其他卫生材料直接接触包装领域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种植物纤维基抗菌材料，由以下物质按照重量分数组成：植物纤维95～100份、淀粉2～20份、壳聚糖0.1～3份、改性助剂1～10份、异丙醇5～20份，水100～600份。
所述植物纤维包含甘蔗浆、竹浆、秸秆浆、木浆、苇浆中的一种或至少两种组合。
所述淀粉包含玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉中一种或至少两种组合。
所述壳聚糖为海洋生物提取物。
所述改性助剂包含2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、醋酸、三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠、有机硅偶联剂。
本发明实施例还提供一种植物纤维基抗菌材料的制备方法，该方法通过步骤实现：
步骤1：植物纤维改性，把植物纤维添加在高温水里，加入修饰剂、有机硅偶联剂持续在罐内高速研磨搅拌，获得交联反应后的植物纤维素；
具体地，植物纤维结构中含有大量醇羟基，植物纤维物理结构上具有多毛细管性、比表面积大，天然纤维素自身具有较强的吸水性。把植物纤维添加在高温水里，加入修饰剂盐酸多巴胺水溶液、有机硅偶联剂硅烷持续在罐内高速研磨搅拌，处理后的纤维形态结构发生变化，使纤维表面和小孔增大，同时纤维素的分子内和分子间氢键断裂，纤维素超分子结构破坏，通过交联反应使纤维素具有更好的亲水结构，提高后续与其他材料的交联效率和材料稳定性。
步骤2：壳聚糖改性，将壳聚糖溶于醋酸溶液中，调整pH值至3-4，加入三聚磷酸钠，75-85℃下搅拌溶解，反应2h，离心获得壳聚糖纳米颗粒；
步骤3：淀粉和纳米壳聚糖改性，将所述壳聚糖纳米颗粒溶入异丙醇溶液中，加热至75-85℃并且保持1h，通过氢氧化钠调节pH至8-9，加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，保持75-85℃反应12h；加入淀粉，保持75-85℃继续反应12h，离心除去异丙醇，获得季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物；
具体地，虽然壳聚糖存在安全无毒、热稳定性好等优点，但是由于抑菌效果、长效稳定性、价格等原因还不能完全取代化学合成抑菌剂，因此有必要对壳聚糖抑菌材料进行化学改性，得到更加安全、经济和抑菌效果良好的生物质抑菌材料。
壳聚糖季铵盐衍生物的抑菌活性均要优于壳聚糖原料，推断可能是因为壳聚糖衍生物经季铵化改性后显著提高了自身的正电荷密度和正电性，导致对细胞膜显负电性的细菌静电吸引作用增强，最终导致细菌细胞膜发生破裂而死亡，从而显著提高壳聚糖衍生物的正电性，通过对比单纯的壳聚糖和壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵反应制备得到季铵盐纳米壳聚糖对大肠杆菌进行抑菌活性测试后发现，改性后的季铵盐纳米壳聚糖水溶性良好，对细菌的抑菌活性都有所提高。
步骤4：将所述交联反应后的植物纤维素、以及季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物与羧甲基纤维素钠共混、均质，在80度以上搅拌30分钟，获得混合物；
步骤5：植物纤维纳米改性，将所述混合物注射到模腔内，升温至200-250度保温保压10分钟进一步交联反应，然后抽真空10秒，开模取出干燥的植物纤维基纳米抗菌产品。
本发明通过植物纤维改性、壳聚糖纳米改性、淀粉改性、纳米壳聚糖和淀粉交联改性、植物纤维和纳米材料交联改性、注射成型等多种方法进行组合获得质轻、抗菌、全降解的纳米材料；同时该材料具有比普通纸塑制品更强的抗压性、耐破度和表面光滑性；整个生产过程无废水、废气、废渣产生，安全环保。
实施例1
材料配比(重量计)：
蔗浆纤维100份、玉米淀粉5份、壳聚糖1份、2，3一环氧丙基三甲基氯化铵0.2份、氢氧化钠0.01份、醋酸0.1份、三聚磷酸钠0.001份、羧甲基纤维素钠1份、盐酸多巴胺0.01份、硅烷0.4份、水300份、异丙醇10份。
A：植物纤维改性
将以上组分的蔗浆纤维置于80～100度的热水里，pH值调至6，加入盐酸多巴胺水溶液、硅烷持续在搅拌机中研磨搅拌30分钟，搅拌速度1000～3000转/分钟，获得交联改性的湿蔗浆。
B：壳聚糖改性
将以上组分的壳聚糖溶于醋酸溶液中，调整pH值为5，加入三聚磷酸钠，75～80度中速搅拌反应2小时，得到纳米壳聚糖溶液，离心获得壳聚糖纳米颗粒备用。
C：淀粉和纳米壳聚糖共混改性
在步骤B获得的壳聚糖纳米颗粒溶入异丙醇溶液中，80度保持1h，用氢氧化钠调节pH为8-9，加入2，3-环氧丙基三甲基氯化铵，80度反应12h，加入淀粉，80度继续反应12h，离心除去异丙醇，获得抗菌性能优秀的季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物。
D：羧甲基纤维素钠添加
将步骤A和步骤C获得的交联物与羧甲基纤维素钠共混、均质，在80度以上搅拌30分钟。
E：植物纤维纳米改性
将步骤D获得的混合物注射到模具内，升温至200-250度保温保压10分钟进一步交联接枝反应；然后抽真空10秒，开模取出干燥的具有纳米抗菌功能的植物纤维改性制品。
实施例2
进一步的，为了简化生产工艺流程，按以下方法制得的材料在功能性方面稍有不同，但是仍然保持了良好抗菌效果和物理性能。
材料配比(重量计)：
蔗浆纤维70份、竹浆纤维30份、玉米淀粉6份、壳聚糖1.5份、2，3一环氧丙基三甲基氯化铵1份、氢氧化钠0.01份、醋酸0.1份、三聚磷酸钠0.01份、水300份、异丙醇15份。
A：植物纤维物理改性
将以上组分的蔗浆纤维、竹浆纤维置于80～90度的热水里，pH值调至7，持续在搅拌机中研磨搅拌30分钟，搅拌速度2000～2500转/分钟。得到物理改性的湿植物纤维浆。
B：壳聚糖改性
将以上组分的壳聚糖溶于醋酸溶液中，调整pH值为5，加入三聚磷酸钠，75～80度中速搅拌反应2小时，得到纳米壳聚糖溶液。离心备用。
C：共混改性
在步骤B获得的壳聚糖纳米颗粒溶入异丙醇溶液中，用氢氧化钠调节pH为8-9，加入2，3-环氧丙基三甲基氯化铵，80度反应12h，加入淀粉，80度继续反应12h，离心除去异丙醇，加入步骤A获得的羧甲基纤维素钠，80度继续1h，获得季铵盐纳米壳聚糖、季铵盐淀粉和植物纤维改性的混合物。
D：热压成型
将步骤C获得的混合物注射到模具内，升温至200-250度保温保压10分钟进一步交联接枝反应；然后抽真空10秒，开模取出干燥的具有纳米抗菌功能的植物纤维改性制品。
通过上述各实施例的方法制备出的植物纤维基纳米抗菌材料具有质轻、抗菌、全降解的特点；同时该材料具有比普通纸塑制品更强的抗压性、耐破度和表面光滑度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种植物纤维基抗菌材料，其特征在于，由以下物质按照重量分数组成：植物纤维95～100份、淀粉2～20份、壳聚糖0.1～3份、改性助剂1～10份、异丙醇5～20份，水100～600份。
2.根据权利要求1所述的植物纤维基抗菌材料，其特征在于，所述植物纤维包含甘蔗浆、竹浆、秸秆浆、木浆、苇浆中的一种或至少两种组合。
3.根据权利要求1或2所述的植物纤维基抗菌材料，其特征在于，所述淀粉包含玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉中一种或至少两种组合。
4.根据权利要求3所述的植物纤维基抗菌材料，其特征在于，所述壳聚糖为海洋生物提取物。
5.根据权利要求4所述的植物纤维基抗菌材料，其特征在于，所述改性助剂包含2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、醋酸、三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠、有机硅偶联剂。
6.一种植物纤维基抗菌材料的制备方法，其特征在于，该方法通过步骤实现：
步骤1：植物纤维改性，把植物纤维添加在高温水里，加入修饰剂、有机硅偶联剂持续在罐内高速研磨搅拌，获得交联反应后的植物纤维素；
步骤2：壳聚糖改性，将壳聚糖溶于醋酸溶液中，调整pH值至3-4，加入三聚磷酸钠，75-85℃下搅拌溶解，反应2小时，离心获得壳聚糖纳米颗粒；
步骤3：淀粉和纳米壳聚糖改性，将所述壳聚糖纳米颗粒溶入异丙醇溶液中，加热至75-85℃并且保持1h，通过氢氧化钠调节pH至8-9，加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，保持75-85℃反应12h；加入淀粉，保持75-85℃继续反应12h，离心除去异丙醇，获得季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物；
步骤4：将所述交联反应后的植物纤维素、以及季铵盐阳离子淀粉和季铵盐纳米壳聚糖的混合物与羧甲基纤维素钠共混、均质，在80度以上搅拌30分钟，获得混合物；
步骤5：植物纤维纳米改性，将所述混合物注射到模腔内，升温至200-250度保温保压10分钟进一步交联反应，然后抽真空10秒，开模取出干燥的植物纤维基纳米抗菌产品。
7.根据权利要求6所述的植物纤维基抗菌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中修饰剂采用盐酸多巴胺水溶液，所述有机硅偶联剂采用硅烷。
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