CN113321936A - 一种高强度生物质膜材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于包装材料制备技术领域，具体涉及一种高强度生物质膜材料及其制备方法；具体是以干酪素作为膜材料的基底原料，通过采用微晶纤维素和单宁对干酪素进行交联改性处理，得到一种具有优异力学强度和延伸极限的蛋白膜，制得的膜材料可降解，综合性能好，应用范围广泛。

Description

一种高强度生物质膜材料及其制备方法
技术领域
本发明属于包装材料制备技术领域，具体涉及一种高强度生物质膜材料及其制备方法。
背景技术
过去几十年来，不可降解的传统包装材料已对生态环境造成污染，严重威胁人类健康。据统计，世界上每年产生超过3亿吨的塑料垃圾，其中约79％是被填埋堆积到自然界中，其中食品塑料包装废弃物占很大比例。近年来，随着外卖、快递物流等行业的迅猛发展，短期使用的塑料包装袋消耗量剧增，进一步加剧了对环境造成的影响。
绿色包装材料通常是以可再生原料通过不同分子间的相互作用而形成的具有网格结构的薄膜，这些生物质薄膜在自然环境中一段时间后可以完全降解，不会对环境造成污染，绿色包装材料的发展迅速，应用前景广阔，主要包括纤维素衍生物类、聚酰胺类、聚酯类、聚烯烃类、乙烯类聚合物、含硅聚合物和含氟聚合物等。其中应用研究最早、应用最多的生物质膜材料为纤维素类膜材料。生物质膜材料虽然具有可再生、生物相容性较好，且废弃后能完全降解等优点，但是，生物质膜材料很难同时具有良好的亲水性、成膜性、热稳定性、抗污染性、化学稳定性、耐酸碱性和较好的机械强度等优点，因此需要对生物质膜材料进行改性处理，现有技术主要包括成膜前的化学改性、接枝共聚、交联等手段；成膜后的表面改性，如等离子体处理、表面刻蚀、表面化学反应、表面分子组装、表面物理涂覆、表面接枝改性等。
申请号为CN201110185437.3的专利文件公开了一种可食性干酪素保鲜膜的制备方法及在烤肉中的保鲜应用，其中，采用干酪素作为成膜的基质材料，干酪素溶于水后通过分子中的氢键、疏水键、配位键、共价键等与其他辅料发生反应，可形成复合保鲜膜。但该方法是在酸性或弱碱性条件下进行干酪素的溶解和成膜液的配制,制备的膜虽具有较高的抗拉强度，但延伸极限比较有限，最高仅为20％。
申请号为CN201611242806.7的专利文件公开了一种新型高分子塑料薄膜配方及制备工艺，原料组成为：聚乙烯、聚丙烯、羧甲基纤维素钠、氧化聚乙烯蜡、乙烯醚、干酪素、蒙脱石粉、降解材料、降解酶粉、润滑剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂、发泡剂、酸碱调节剂、微晶石蜡。但聚乙烯所需的降解时间很长，在大量消耗塑料包装袋的前提下，降解时间过长，导致消耗量远大于降解量，同样会对环境造成压力。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种高强度生物质膜材料及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
1、一种高强度生物质膜材料，其组成按重量份计包括：干酪素6份、改性剂0.5-3份、氧化剂5-10份、塑化剂1-3份、水100-200份。
进一步，所述的改性剂为微晶纤维素、单宁的其中一种或两种。
进一步，所述的微晶纤维素，其用量按重量份计为0.5-2份，单宁的用量按重量份计为0-1份。
进一步，所述的氧化剂为高碘酸钠，塑化剂为丙三醇。
2、上述高强度生物质膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将微晶纤维素溶于蒸馏水中，加入氧化剂，混合搅拌，得到氧化微晶纤维素，再加入单宁混匀，置于50-80℃恒温水浴中搅拌10-30min，得到改性增强体；
(2)将干酪素溶解于碱溶液中，使体系pH值在8-11范围内，搅拌均匀，得到基底液；
(3)将改性增强体与基底液混合搅拌均匀10min后加入塑化剂，升温至60-80℃，于恒温水浴中搅拌20-40min，直至均匀成为树脂膜液，冷却消泡后，倒入模具中浇筑成膜。
进一步，所述的碱溶液，具体为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、氨水中的一种或几种。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明以干酪素作为膜材料的基底原料，通过采用微晶纤维素和单宁对干酪素进行交联改性处理，得到一种具有优异力学强度和延伸极限的蛋白膜，制得的膜材料可降解，综合性能好，应用范围广泛。
其中，通过打破干酪素蛋白中氢键、离子键、二硫键和疏水键相互作用、偶极相互作用等维持其稳定结构的化学键，使蛋白质的内部疏水基团和巯基暴露在表面，形成新的二硫键，在空气-水界面中，蛋白质的疏水基团伸向空气中，亲水基团则保留在水中，从而在水平面形成定向排列的蛋白质层，得到具有一定阻隔性能和机械强度的蛋白膜，再采用微晶纤维素和单宁与蛋白膜进行交联，单宁的多元酚结构可以通过氢键、疏水键、离子键以及共价键与蛋白质结合，能有效提高膜的综合性能，制得的膜材料具有较高的力学强度和拉伸率，同时还具备一定的抗氧化性和抗菌性。所选用的原料均为可再生，减少了对石化产品的依赖性。制备工艺简单，易于工厂化生产，所制得的膜材料力学强度高，可降解，对自然环境友好。
附图说明
图1为采用实施例1的方法制备的高强度生物质膜。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
1、一种高强度生物质膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1g的微晶纤维素溶于50ml蒸馏水中，加入0.6g 6mol/L的高碘酸钠溶液，混合搅拌2h至均一，得到氧化微晶纤维素；称取0.3g(10％)单宁溶于1ml蒸馏水中；将氧化微晶纤维素和单宁水溶液混匀，置于70℃恒温水浴中搅拌反应20分钟，使其交联成为改性增强体；
(2)将6g干酪素溶于100ml蒸馏水中，用氢氧化钠溶液调节溶液pH值至11，强烈搅拌约0.5h至均匀，得到基底液；
(3)将改性增强体和基底液搅拌10分钟后加入3g丙三醇，升温至80℃恒温水浴中搅拌20分钟直至均匀成为树脂膜液。将制备好的成膜液冷却消泡，倒入模具中浇筑成膜。
实施例2
1、一种高强度生物质膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1g的微晶纤维素溶于50ml蒸馏水中，加入0.6g 6mol/L的高碘酸钠溶液，混合搅拌2h至均一，得到氧化微晶纤维素；称取0.6g(10％)单宁溶于2ml蒸馏水中；将氧化微晶纤维素和单宁水溶液混匀，置于60℃恒温水浴中搅拌反应10-30分钟，使其交联成为改性增强体；
(2)将6g干酪素溶于100ml蒸馏水中，用氢氧化钾溶液调节溶液pH值至8，强烈搅拌约0.5h至均匀，得到基底液；
(3)将改性增强体和基底液搅拌10分钟后加入2g丙三醇，升温至80℃恒温水浴中搅拌40分钟直至均匀成为树脂膜液。将制备好的成膜液冷却消泡，倒入模具中浇筑成膜。
实施例3
1、一种高强度生物质膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1g的微晶纤维素溶于50ml蒸馏水中，加入0.6g 6mol/L的高碘酸钠溶液，混合搅拌2h至均一，得到氧化微晶纤维素；称取0.9g(10％)单宁溶于2ml蒸馏水中；将氧化微晶纤维素和单宁水溶液混匀，置于60℃恒温水浴中搅拌反应10-30分钟，使其交联成为改性增强体；
(2)将6g干酪素溶于100ml蒸馏水中，用氨水溶液调节溶液pH值至10，强烈搅拌约0.5h至均匀，得到基底液；
(3)将改性增强体和基底液搅拌10分钟后加入3g丙三醇，升温至80℃恒温水浴中搅拌300分钟直至均匀成为树脂膜液。将制备好的成膜液冷却消泡，倒入模具中浇筑成膜。
对比例1
采用实施例1的原料配比及制备方法制备膜材料，区别在于不加入改性剂氧化微晶纤维素和单宁。
对比例2
采用实施例1的原料配比及制备方法制备膜材料，区别在于不加入改性剂氧化微晶纤维素。
对比例3
采用实施例1的原料配比及制备方法制备膜材料，区别在于不加入单宁。
对比例4
采用实施例1的原料配比及制备方法制备膜材料，区别在于加入的微晶纤维素未经高碘酸钠氧化，而是直接将微晶纤维素与单宁混合后加入到干酪素溶液中。
对实施例1-3及对比例1-4制备的膜材料进行拉伸强度、膨胀率和水溶性测试，结果如表1所示。
表1
名称 拉伸强度(MPa) 拉伸率(％) 膨胀率(％) 水溶性(％)
实施例1 4.42 155.67 285 28.2
实施例2 5.39 121.85 257 33.8
实施例3 3.53 68.87 250 33.9
对比例1 1.79 20.25 432 32.7
对比例2 3.98 25.58 222 27
对比例3 2.36 20.89 285 28.2
对比例4 2.89 28.95 234 28
由表1可知，用本发明方法所制备的膜材料具有优异的力学性能，与对比例相比，实施例在改性剂氧化微晶纤维素和单宁共同交联作用下，生物质膜具有较高的抗拉强度和延伸极限，实施例方法获得的膜强度和拉伸率约是对比例的几倍关系，优势明显。

Claims (8)

1.一种高强度生物质膜材料，其特征在于，其组成按重量份计包括：干酪素6份、改性剂0.5-3份、氧化剂5-10份、塑化剂1-3份、水100-200份。
2.如权利要求1所述的一种高强度生物质膜材料，其特征在于，所述的改性剂为微晶纤维素、单宁的其中一种或两种。
3.如权利要求2所述的一种高强度生物质膜材料，其特征在于，所述的微晶纤维素，其用量按重量份计为0.5-2份，单宁的用量按重量份计为0-1份。
4.如权利要求1所述的一种高强度生物质膜材料，其特征在于，所述的氧化剂为高碘酸钠，塑化剂为丙三醇。
5.一种高强度生物质膜材料的制备方法，其特征在于，是采用改性剂对干酪素进行改性处理后，经交联成膜制得。
6.如权利要求5所述的一种高强度生物质膜材料的制备方法，其特征在于，所述的改性处理，是先采用氧化剂对微晶纤维素进行氧化处理，与单宁进行交联反应后，再与干酪素混合，对其进行改性。
7.如权利要求5所述的一种高强度生物质膜材料的制备方法，其特征在于，具体制备方法为：
(1)将微晶纤维素溶于蒸馏水中，加入氧化剂，混合搅拌，得到氧化微晶纤维素，再加入单宁混匀，置于50-80℃恒温水浴中搅拌10-30min，得到改性增强体；
(2)将干酪素溶解于碱溶液中，搅拌均匀，得到基底液；
(3)将改性增强体与基底液混合搅拌后加入塑化剂，升温至60-80℃，于恒温水浴中搅拌直至均匀成为树脂膜液，冷却消泡后，倒入模具中浇筑成膜。
8.如权利要求7所述的一种高强度生物质膜材料的制备方法，其特征在于，所述的碱溶液，具体为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、氨水中的一种或几种。
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