CN115260600B - 一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子复合材料技术领域，涉及具体一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料及其制备方法与应用，它是由如下原料制备而成的：羧甲基纤维素、Co‑MOF纳米粒子。本发明还提供了上述羧甲基纤维素纳米复合材料的制备方法。本发明所制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料具有优异的水汽阻隔、力学强度、韧性、紫外屏蔽、蓝光屏蔽、抗菌、氨气响应变色等性能，同时还能保持高的可见光透明性，可用作智能指示材料及时有效地指示虾等肉类食品在贮藏过程中的新鲜度变化情况，且该复合材料制备工艺简单、环保、成本低廉、适于放大生产，在食品包装、智能材料、生物医学、抗菌材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
羧甲基纤维素是一种天然纤维素经过化学改性后获得的水溶性聚阴离子纤维素化合物，它能吸水溶胀形成透明的粘稠胶液，具有良好的增稠性、保水性、成膜性，可降解又有营养价值，价格低且产量丰富，可作为活性成分、可食性薄膜、涂料、凝胶、稳定剂和增稠剂的载体，已广泛应用于食品包装材料中。然而，由于羧甲基纤维素具有亲水性羧甲基基团，制成的膜易碎、较硬且易吸潮，具有较差的水汽阻隔、力学强度、韧性等，同时缺少氨气响应、抗菌、紫外屏蔽、蓝光屏蔽等功能，使其在实际运用中受到了一定的限制。本发明以羧甲基纤维素为基质，利用一种钴基金属有机框架(Co-MOF)纳米粒子作为功能性填料，以此来改善羧甲基纤维素材料的水汽阻隔、力学强度、韧性、紫外屏蔽、蓝光屏蔽、抗菌、氨气响应变色等性能，创制兼具抗菌与氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料，拓宽其在食品包装、智能材料、生物医学、抗菌材料、氨气检测、环境监测与安全等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料及其制备方法与应用。该复合材料具有优异的水汽阻隔、力学强度、韧性、紫外屏蔽、蓝光屏蔽、抗菌、氨气响应变色等性能，同时还能保持高的可见光透明性，可用作智能指示材料及时有效地指示虾等肉类食品在贮藏过程中的新鲜度变化情况，且该复合材料制备工艺简单、环保、成本低廉、适于放大生产。
本发明技术方案：
本发明提供了一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素100份，Co-MOF纳米粒子1-5份；
所述Co-MOF纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
(1)将7.5份四水合乙酸钴溶于4800份无水乙醇中，向其中加入50份月桂酸，搅拌混合均匀，得到均匀的共混液；
(2)将16份均苯三甲酸溶于4800份的N,N-二甲基甲酰胺中，得到均苯三甲酸溶液；
(3)将步骤(2)所得均苯三甲酸溶液加入至步骤(1)所得共混液中，在室温下搅拌反应5min，随后依次经离心分离、洗涤、干燥，即得到Co-MOF纳米粒子。
本发明还提供了上述兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
(2)将1-5份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
(3)将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
(4)将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
本发明所制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料具有优异的水汽阻隔、力学强度、韧性、紫外屏蔽、蓝光屏蔽、抗菌、氨气响应变色等性能，同时还能保持高的可见光透明性，可用作智能指示材料及时有效地指示虾等肉类食品在贮藏过程中的新鲜度变化情况，且该复合材料制备工艺简单、环保、成本低廉、适于放大生产，在食品包装、智能材料、生物医学、抗菌材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明所涉及的Co-MOF纳米粒子的扫描电镜图；
图2为本发明实施例3所制备的羧甲基纤维素纳米复合材料的断面扫描电镜图；
具体实施方式
为了更好地解释本发明，下面结合具体实施例对本发明进一步详细解释，但本发明的实施方式不限于此。
在下述具体实施例和对比例配方、制备方法中，所述羧甲基纤维素是由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供的产品(CAS号:9004-32-4，分子量250000，取代度DS＝0.9)；月桂酸是山东西亚化学股份有限公司提供的分析纯级试剂；无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺是由天津市富宇精细化工有限公司提供的分析纯级试剂；均苯三甲酸是由上海凌恩科技有限公司提供的分析纯级试剂；四水合乙酸钴是由西陇科学股份有限公司提供的分析纯级试剂。
在下述具体实施例和对比例配方、制备方法中，所述Co-MOF纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
(1)将7.5份四水合乙酸钴溶于4800份无水乙醇中，向其中加入50份月桂酸，搅拌混合均匀，得到均匀的共混液；
(2)将16份均苯三甲酸溶于4800份的N,N-二甲基甲酰胺中，得到均苯三甲酸溶液；
(3)将步骤(2)所得均苯三甲酸溶液加入至步骤(1)所得共混液中，在室温下搅拌反应5min，随后依次经离心分离、洗涤、干燥，即得到Co-MOF纳米粒子(其扫描电镜图见图1)；所得到的Co-MOF，其分子式为Co3(C9H3O6)2。
实施例1
一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素100份，Co-MOF纳米粒子1份。
制备方法，包括如下步骤：
(1)将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
(2)将1份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
(3)将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
(4)将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
实施例2
一种兼具抗菌与氨气响应功能的羧甲基纤维素纳米复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素100份，Co-MOF纳米粒子3份。
制备方法，包括如下步骤：
(1)将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
(2)将3份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
(3)将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
(4)将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
实施例3
一种兼具抗菌与氨气响应功能的羧甲基纤维素纳米复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素100份，Co-MOF纳米粒子5份。
(1)将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
(2)将5份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
(3)将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
(4)将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
对比例
作为以上实施例的对比标准，本发明提供在不含有Co-MOF纳米粒子的情况下所制备的羧甲基纤维素材料，包括如下步骤：
(1)将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
(2)将1000份去离子水加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
(3)将步骤(2)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24h，即得到羧甲基纤维素材料。
结构与性能测试：
对上述对比例制备得到的羧甲基纤维素材料及实施例制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料进行结构与性能测试，其中羧甲基纤维素纳米复合材料的断面形貌是通过SEM(SU-5000，日本高新技术公司)仪器来表征；紫外可见性能采用紫外可见光谱仪(Lamdba365，铂金埃尔默仪器公司)测试，并参照GB/T18830-2009计算紫外线(UVA、UVB、UVC)平均透过率；拉伸性能按照GB/T1040-2006测试；水汽透过系数按照ASTME96测试；按照QBT2591-2003进行材料的抗菌性测试；氨气响应测试方法如下：将样品材料暴露于氨气环境中，观察样品材料的颜色变化。
虾新鲜度监测实验：从市场购买鲜虾，将虾(质量：30g)放置在皮氏培养皿内，并使用皮氏培养皿盖密封，盖的下面附有对比例制备的羧甲基纤维素材料及实施例所制备的羧甲基纤维素纳米复合材料(预先裁剪为直径为1cm的样品材料)，随后将上述虾样品置于25℃烘箱中贮藏，观察并记录虾的新鲜度变化以及样品材料的颜色变化，并根据GB5009.288-2016方法测试虾样品在贮藏过程中释放的挥发性盐基氮(TVB-N)的值。
上述性能测试数据如表1与表2所示。
表1样品性能测试数据
表2虾新鲜度监测实验结果(其中t为鲜虾的贮藏时间)
羧甲基纤维素纳米复合材料的SEM结果表明，Co-MOF纳米粒子能够均匀地分散在羧甲基纤维素基体中，意味着Co-MOF纳米粒子与羧甲基纤维素基体之间具有良好的相容性，有利于获得性能优异的羧甲基纤维素纳米复合材料。
氨气响应测试实验结果证明，对比例制备得到的羧甲基纤维素材料是无色透明的，暴露于氨气环境中后，其颜色没有发生变化，还是呈现出无色透明的光学性质；实施例1制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料是浅淡粉色的，暴露于氨气环境中后，其颜色变为浅黑褐色；实施例2制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料是浅粉色的，暴露于氨气环境中后，其颜色变为黑褐色；实施例3制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料是浅粉色的，暴露于氨气环境中后，其颜色变为黑褐色；这表明本发明所制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料具有优异的氨气响应变色性能。
总之，由样品性能测试数据(见表1与2)看出，本发明所制备得到的羧甲基纤维素纳米复合材料具有优异的水汽阻隔、力学强度、韧性、紫外屏蔽、蓝光屏蔽、抗菌、氨气响应变色等性能，同时还能保持高的可见光透明性，可用作智能指示材料及时有效地指示虾等肉类食品在贮藏过程中的新鲜度变化情况(见表2)，且该复合材料制备工艺简单、环保、成本低廉、适于放大生产，在食品包装、智能材料、生物医学、抗菌材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有潜在应用价值。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：羧甲基纤维素100份，Co-MOF纳米粒子1-5份；
所述Co-MOF纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
（1）将7.5份四水合乙酸钴溶于4800份无水乙醇中，向其中加入50份月桂酸，搅拌混合均匀，得到均匀的共混液；
（2）将16份均苯三甲酸溶于4800份的N,N-二甲基甲酰胺中，得到均苯三甲酸溶液；
（3）将步骤(2)所得均苯三甲酸溶液加入至步骤(1)所得共混液中，在室温下搅拌反应5min，随后依次经离心分离、洗涤、干燥，即得到Co-MOF纳米粒子；
所述兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
（2）将1-5份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24 h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将100份羧甲基纤维素加入至7000份去离子水中，在80℃下搅拌30min，得到均匀的羧甲基纤维素溶液，备用；
（2）将1-5份Co-MOF纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到Co-MOF纳米粒子的均匀分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的Co-MOF纳米粒子分散液加入到步骤(1)所得到的羧甲基纤维素溶液中，在80℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤(3)所得的成膜液浇注到平底玻璃皿中，在60℃的烘箱中干燥24 h，即得到兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料。
3.根据权利要求1所述的兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料的应用，其特征在于，用于食品包装、智能材料、氨气检测、环境监测与安全领域。
4.根据权利要求1所述的兼具抗菌和氨气响应功能的强韧羧甲基纤维素纳米复合材料的应用，其特征在于，用于制备抗菌材料。
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