CN113372595B - 一种稀土金属络合聚乙烯醇膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土金属络合聚乙烯醇膜及其制备方法。制备方法包括,将PVA加入溶剂中,添加催化剂调节pH至酸性,搅拌溶解;加入含醛基的芳香族化合物反应;加入含羧基和磺酸基的芳香族化合物,继续反应;加入稀土离子,反应后静置脱泡,流涎成膜,得到稀土金属络合聚乙烯醇膜;其中,所述芳香族化合物均含有羟基。本发明通过PVA与醛基进行交联反应,减少羟基数量,增加膜的疏水性,接着苯环上的羟基、羧基等之间会形成氢键,同时由于稀土金属离子的存在,与羧基、羟基、磺酸基进行络合,提高PVA膜的强度,所添加的稀土金属离子使膜拥有抗菌性能,从而形成抗菌、高强度、耐水膜。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学领域,尤其是一种稀土金属络合聚乙烯醇膜及其制备方法。
背景技术
在几十年前,人们就已经表明稀土金属离子具有很好的抗菌效果,但是单一的稀土金属离子抗菌性能较差,远远不如常规的杀菌剂和抗生素。而研究表明稀土金属离子可与环上的羟基、羧基、磺酸基芳香族化合物形成络合物,从而加强抗菌效果。聚乙烯醇(PVA)由于其优异的生物相容性、无毒性、气体阻隔性,耐有机溶剂性、透明度、抗静电性,水溶性等特点,受到大量的关注。与此同时,PVA制品可分解为二氧化碳和水,不会对环境造成任何污染,是百分之百的绿色环保性材料。在提倡保护环境的主流意识中,PVA作为一种可降解材料,深受大家的关注。
PVA膜因其优异的阻隔性被应用于肉类、蔬菜等保鲜材料。因其含有大量的羟基,具有很强的亲水性。使得其在使用过程中容易因吸水而软化,从而膜破裂甚至溶解,导致产品不能使用。有很多学者采用多层挤出的方式,让PVA作为阻隔内层,再选用其他膜材料作为上下外层。这种多层膜的加工方式比较复杂繁琐、难以控制。作为保鲜或包装材料,具有优异的力学性能是必不可少的。相关学者将PVA与无机粉体TiO2、ZnO、Fe2O3等混合进行吹塑来提升力学性能和赋予膜抗菌性能。但在进行加工过程中,由于存在静电、范德华力等,粉体之间易发生团聚。采用这种方式得到的膜产品存在粉体分散不均、膜迁移率高等缺点。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明的目的是,克服现有技术中的不足,提供一种稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,通过PVA与醛基进行交联反应,减少羟基数量,增加膜的疏水性,接着苯环上的羟基、羧基等之间会形成氢键,同时由于稀土金属离子的存在,与羧基、羟基、磺酸基进行络合,提高PVA膜的强度,所添加的稀土金属离子使膜拥有抗菌性能,从而形成抗菌、高强度、耐水膜。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:一种稀土金属络合聚乙烯醇-抗菌、高强度、耐水膜的制备及其方法,将PVA加入溶剂中,添加催化剂调节pH至酸性,搅拌溶解;
加入含醛基的芳香族化合物反应;
加入含羧基和磺酸基的芳香族化合物,继续反应;
加入稀土离子,反应后静置脱泡,流涎成膜,得到稀土金属络合聚乙烯醇膜;
其中,所述芳香族化合物均含有羟基。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述PVA,其醇解度为80%~99%。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述溶剂包括二甲基亚砜、水、乙二醇中的一种。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述催化剂包括盐酸、硫酸、乙酸中的一种或多种。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述调节pH至酸性,调节pH至0.5~2。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述芳香族化合物,其结构中苯环个数为1~2个,且化合物中的醛基、羧基、磺酸基的基团总数为1~2个。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述含醛基的芳香族化合物,包括对羟基苯甲醛、3,5-二羟基苯甲醛、3-羟基苯甲醛、6-羟基-2-萘甲醛、5-羟基间苯二甲醛、3-羟基-5-甲基苯甲醛、3-羟基苯乙醛、4-羟基苯乙醛、3,5-二羟基苯乙醛种的一种或多种。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述含羧基和磺酸基的芳香族化合物,包括香草酸、4-羟基邻苯二甲酸、2,3,4-三羟基苯甲酸、4-甲氧基水杨酸、3,4-二羟基苯甲酸、4-羟基-2-甲基苯甲酸;4-羟基苯磺酸、2,4,5-三羟基苯磺酸中的一种或多种。
作为本发明稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法的一种优选方案,其中:所述稀土离子,包括钇离子或镧离子。
本发明的另一个目的是,克服现有技术中的不足,提供一种稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法制得的产品,所述产品,接触角均达75°以上,表达了很好的耐水性能,且具有99.9%以上的白色葡萄球菌抗菌性能。
本发明有益效果:
与常规膜相比,稀土金属离子的添加使PVA膜具有优异的抗菌功能,其抗白色葡萄球菌性能高达99.9%;由于增加了苯环,增加了膜的耐水性,解决了目前PVA膜在使用中易吸水而被破坏的问题;反应过程中,羟基之间形成了氢键,羟基、羧基、磺酸基与稀土离子络合会使氢键得以固定,使膜的力学性能增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为PVA(1799)与对羟基苯甲醛、3,5-二羟基苯甲酸、对羟基苯磺酸以及稀土金属元素反应的示意图。其中,n、n1、n2为自然数,M为稀土金属离子。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中流涎成膜的方法为先将涂膜器的刮刀调整距离180~220μm,然后将静止脱泡后的液体倒在玻璃板上,启动刮刀涂膜,涂膜速度为3m/min,最后将膜置于60℃烘箱中烘干12h。
实施例1
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1g对羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.1g 3,5-二羟基苯甲酸和1.5g对羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入0.8g硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
实施例2
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1g对羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.1g 3,5-二羟基苯甲酸和1.5g对羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入0.71g硝酸钇,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
实施例3
称取10g PVA(牌号217,购自日本可乐丽),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1.2g对羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.3g 3,5-二羟基苯甲酸和1.6g对羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入0.9g硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
实施例4
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1.2g3,5-二羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.4g 3,5-二羟基苯甲酸和1.8g对羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入1g硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
实施例5
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1.2g3,5-二羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.5g 2,3,4-三羟基苯甲酸和2g 2,4,5-三羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入1.1g硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
对比例1
在搅拌的情况下,将10g PVA(牌号1799,购自川维石化)溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,并将温度升到95℃,待形成透明溶液之后静止脱泡流涎成膜。
对比例2
在搅拌的情况下,将10g PVA(牌号217,购自日本可乐丽)溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,并将温度升到95℃,待形成透明溶液之后静止脱泡流涎成膜。
对比例3
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1g对羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.1g 3,5-二羟基苯甲酸和1.5g对羟基苯磺酸,反应2h,静置脱泡后流涎成膜。
对比例4
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃并搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入0.8g硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。
性能测试
实验测量实施例1~5以及对比例1~4制得样品的力学性能、抗菌性能及耐水性能,测试结果如表1所示。
力学性能测试:将PVA膜裁剪成长×宽=15cm×1cm,用万能试验机的夹子夹住薄膜测试力学性能,通过软件点击测试开始,测试完毕后即可得到力学性能。反复测试5次计算平均值。
抗菌性能测试:首先配制10-5大肠杆菌菌液,然后取1ml菌液放入1mg/mL的PVA生理盐水(将溶液用生理盐水稀释)中,每隔一段时间后取1ml混合液放入已灭菌的平板计数琼脂培平皿中,用涂布棒推涂均匀后放入37℃生化培养箱中倒置培养24~48h。记录平板上的菌落总数。杀菌率=(实验前平板菌落总数-实验后平板菌落总数)/实验前平板菌落总数。
耐水性能测试:首先将PVA膜裁剪成1cm×1cm,用双面胶固定在载玻片上。打开接触角测量仪,并在电脑上打开测试软件,通过测试软件的图像寻找到平整的区域,接着通过软件操作让仪器滴一滴水,最后通过软件算法即可得到接触角。
表1 不同实施例下制得产品的性能
由表1可以看出,我方发明实施例1~5制备的稀土金属络合聚乙烯醇膜相较于对比例1~4具有优异的抗菌功能;在抗菌的同时,增加了稀土金属络合聚乙烯醇膜的耐水性,解决了目前PVA膜在使用中易吸水而被破坏的问题;我方发明实施例1~5制备的稀土金属络合聚乙烯醇膜的力学性能相较于对比例1~4明显增强。
实施例6
称取10g PVA(牌号1799,购自川维石化),溶于pH为1的二甲亚砜(DMSO)中,将温度升到95℃搅拌使其完全溶解。
待形成透明溶液之后,将温度调到80℃,向其中加入1g对羟基苯甲醛,反应5h,之后分别加入1.1g 3,5-二羟基苯甲酸和1.5g对羟基苯磺酸,反应2h后,向其中加入硝酸镧,反应1h,静置脱泡后流涎成膜。其中硝酸镧的添加量及所制得的PVA性能如表2所示。
表2 不同硝酸镧下得到PVA的性能
由表2可以看出,每10g PVA(牌号1799,购自川维石化)中,当添加硝酸镧的量为0.9g时,所制得PVA薄膜具有较高的断裂强度和耐水性能。
本发明采用溶胶-凝胶的方式。首先在PVA上接枝带苯环的羟基,接着再加入羧基、羟基、磺酸基的化合物,这些基团之间以及与PVA均会形成氢键。由于氢键的形成,PVA分子之间会连接,形成一种交错网络,使得膜的力学性能得到提高。而后加入稀土金属离子与羟基、羧基、磺酸基进行络合,络合可以固定氢键、让氢键不轻易被破坏,同时也让膜具备抗菌功能。另外,由于苯环类疏水基团的存在,让膜具有了优异的耐水性能。因此,利用这种方法可制备出高强度、耐水性、抗菌性的PVA膜,进一步扩展了PVA的应用。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:包括,
将PVA加入溶剂中,添加催化剂调节pH至酸性,搅拌溶解;
加入含醛基的芳香族化合物反应;
加入含羧基的芳香族化合物和磺酸基的芳香族化合物,继续反应;
加入稀土离子,反应后静置脱泡,流涎成膜,得到稀土金属络合聚乙烯醇膜;
其中,所述芳香族化合物均含有羟基。
2.如权利要求1所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述PVA,其醇解度为80%~99%。
3.如权利要求1或2所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述溶剂包括二甲基亚砜、水、乙二醇中的一种。
4.如权利要求1或2所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述催化剂包括盐酸、硫酸、乙酸中的一种或多种。
5.如权利要求4所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述调节pH至酸性,调节pH至0.5~2。
6.如权利要求1、2、5中任一项所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述芳香族化合物,其结构中苯环个数为1~2个,且化合物中的醛基、羧基、磺酸基的基团总数为1~2个。
7.如权利要求6所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述含醛基的芳香族化合物,包括对羟基苯甲醛、3,5-二羟基苯甲醛、3-羟基苯甲醛、6-羟基-2-萘甲醛、5-羟基间苯二甲醛、3-羟基-5-甲基苯甲醛、3-羟基苯乙醛、4-羟基苯乙醛、3,5-二羟基苯乙醛种的一种或多种。
8.如权利要求6所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述含羧基的芳香族化合物和磺酸基的芳香族化合物,包括香草酸、4-羟基邻苯二甲酸、2,3,4-三羟基苯甲酸、4-甲氧基水杨酸、3,4-二羟基苯甲酸、4-羟基-2-甲基苯甲酸;4-羟基苯磺酸、2,4,5-三羟基苯磺酸中的一种或多种。
9.如权利要求1、2、5、7、8中任一项所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法,其特征在于:所述稀土离子,包括钇离子或镧离子。
10.一种如权利要求1~9中任一所述稀土金属络合聚乙烯醇膜的制备方法制得的稀土金属络合聚乙烯醇膜。
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