CN117264283A - 一种高性能多功能纤维素复合膜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，具体涉及一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用，它是由如下原料制备而成的：纤维素纳米晶、功能性纳米粒子、丙三醇。本发明还提供了上述高性能多功能纤维素复合膜的制备方法，所制备的纳米复合材料具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、热致变色、氨气响应变色、生物可降解等性能，同时能保持较高的可见光透明性，且该复合材料制备工艺简单，在食品包装、智能材料、生物医学、热致变色材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有广泛的应用价值。

Description

一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用。
背景技术
纳米纤维素膜，作为一种光学性能与塑料制品相当的天然基体材料，其原料来源广泛、储量丰富，兼具可再生和可生物降解等特性，应用前景广阔。将纤维素纳米化，制备具有不同纳米尺寸效应的纳米纤维素材料，是目前高效化利用纤维素最成熟的方法，合成的纳米纤维素材料也被广泛应用于节能环保、食品工业、新能源、生物医药、吸附等领域。但是，纳米纤维素膜具有较差的力学性能，同时缺少热致变色、氨气响应、紫外阻隔等功能，使其在实际运用中受到了一定的限制。本发明以纤维素纳米晶为基质，利用功能性纳米粒子作为功能性填料，以此来改善纤维素纳米晶复合材料的力学、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、热致变色、氨气响应变色等性能，开发高性能多功能纤维素复合膜，拓宽其在食品包装、智能材料、生物医学、热致变色材料、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，提供一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用。该复合材料具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、热致变色、氨气响应变色等性能，可用作智能指示材料及时有效地指示肉类食品（如虾、猪肉、鱼等）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：
本发明提供了一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用，其特征在于，由以下重量份的组分组成：纤维素纳米晶60份，功能性纳米粒子3-9份；
所述功能性纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
（1）取17.42份的D-精氨酸，将其溶于2000份去离子水和5000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30min，得到均匀的D-精氨酸溶液，备用；
（2）取40份的硫酸铁，将其溶于2000份去离子水和2000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30min，得到均匀的硫酸铁溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得的硫酸铁溶液加入至步骤(1)所得的D-精氨酸溶液中，室温搅拌反应10 min，随后依次经离心分离、用水洗涤、冷冻干燥，即得到功能性纳米粒子；
本发明还提供了上述高性能多功能纤维素复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将3-9份功能性纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌20 min，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的分散液加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到一种高性能多功能纤维素复合膜。
所述高性能多功能纤维素复合膜的应用，其特征在于，用于食品包装、智能材料、生物医学、热致变色材料、氨气检测、环境监测与安全等领域。
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一种高性能多功能纤维素复合膜具有优异的力学强度、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氨气响应变色、生物可降解等性能，同时还能保持较高的可见光透明性，可用作智能指示材料及时有效地指示肉类食品（如虾、猪肉、鱼等）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、热致变色材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明所涉及的功能性纳米粒子的扫描电镜图；
图2为本发明所涉及的功能性纳米粒子和D-精氨酸的傅里叶红外图谱；
图3为本发明对比例所制备的纤维素膜样品与实施例所制备的高性能多功能纤维素复合膜样品的实物照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述， 有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。
在下述具体实施例和对比例配方、制备方法中，所述D-精氨酸采用的是由罗恩试剂有限公司提供的分析纯级试剂 (CAS号: 157-06-2)；纤维素纳米晶采用的是由桂林奇宏科技有限公司提供的产品，其直径为5～20nm，长度为100～500nm；丙三醇是由西陇科学股份有限公司提供的分析纯级试剂；硫酸铁采用的是由西陇科学股份有限公司提供的分析纯级试剂(CAS号: 10028-22-5)；乙醇采用的是由天津市富宇精细化工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，所述功能性纳米粒子，其粒径为100～400nm，制备方法包括以下步骤：
（1）将17.42份的D-精氨酸，溶于2000份去离子水和5000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30 min，得到均匀的D-精氨酸溶液，备用；
（2）将40份的硫酸铁，溶于2000份去离子水和2000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30 min，得到均匀的硫酸铁溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得的硫酸铁溶液加入至步骤(1)所得的D-精氨酸溶液中，室温搅拌反应10 min，随后依次经离心分离、用水洗涤、冷冻干燥，即得到功能性纳米粒子（其扫描电镜表征结果见图1）。
实施例1
一种高性能多功能纤维素复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分组成：纤维素纳米晶60份，丙三醇6份，功能性纳米粒子3份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30 min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将3份功能性纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌20 min，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的分散液加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到一种高性能多功能纤维素复合膜。
实施例2
一种高性能多功能纤维素复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分组成：纤维素纳米晶60份，丙三醇6份，功能性纳米粒子6份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将6份功能性纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌20 min，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的分散液加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到一种高性能多功能纤维素复合膜。
实施例3
一种高性能多功能纤维素复合膜及其制备方法与应用，其特征在于，由以下重量份的组分组成：纤维素纳米晶60份，丙三醇6份，功能性纳米粒子9份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将9份功能性纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌20 min，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的分散液加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到一种高性能多功能纤维素复合膜。
对比例
作为以上实施例的对比标准，本发明提供在不含有功能性纳米粒子的情况下所制备的纤维素膜，包括如下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将1000份去离子水加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到纤维素膜。
结构与性能测试：
对上述对比例制备得到的纤维素膜及实施例制备得到的高性能多功能纤维素复合膜进行结构与性能测试，其中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/T 18830-2009计算紫外线平均透过率；拉伸性能按照GB/T1040-2006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2 h，观察并记录样品材料的颜色变化，同时计算样品材料在氨气响应前后的色差值∆E（备注：∆E >3表示人眼可见的明显颜色变化）。
上述性能测试数据如表1所示。
表1 样品性能测试数据
组别 实施例1 实施例2 实施例3 对比例
紫外线UVA平均透过率（%） 5.4 0.5 0.1 65.9
紫外线UVB平均透过率（%） 0.2 0 0 38.3
紫外线UVC平均透过率（%） 0 0 0 12.4
高能短波蓝光平均透过率（%） 34.3 9.9 4.1 82.0
可见光（400~800nm）平均透过率（%） 54.6 31.4 21.9 88.2
拉伸强度（MPa） 49.3 55. 9 52.8 45.2
韧性（MJ/m3） 2.8 3.3 2.2 0.5
氨气响应测试实验结果证明，本发明对比例制备得到的纤维素膜是无色透明的，暴露于氨气环境中后，其颜色没有发生明显变化，还是呈现出无色透明的光学性质，其∆E值为0.7（即该色差是可以忽略的、是人眼无法分辨的）；本发明实施例1制备得到的高性能多功能纤维素复合膜是浅黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色发生明显变化，其∆E高达8.6（备注：∆E >3表示人眼可见的明显颜色变化）；本发明实施例2制备得到的高性能多功能纤维素复合膜是黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色发生显著变化，其∆E高达12.1（备注：∆E>3表示人眼可见的明显颜色变化）；本发明实施例3制备得到的高性能多功能纤维素复合膜是黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色发生显著变化，其∆E高达15.4（备注：∆E >3表示人眼可见的明显颜色变化）。
本发明对比例制备得到的纤维素膜是无色透明的，置于90℃的高温环境下，其颜色没有发生明显变化，还是呈现出无色透明的光学性质；本发明实施例3制备得到的高性能多功能纤维素复合膜是黄色的，置于90℃的高温环境下，其颜色变为深褐色，说明该高性能多功能纤维素复合膜具有优异的热致变色性能。
总之，由样品性能测试数据（见表1）看出，本发明所制备得到的高性能多功能纤维素复合膜具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、热致变色、氨气响应变色、生物可降解等性能，同时还能保持较高的可见光透明性，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、热致变色材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有广泛的应用价值。
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 (3)

1.一种高性能多功能纤维素复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分组成：纤维素纳米晶60份，丙三醇6份，功能性纳米粒子3-9份；
所述功能性纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
（1）将17.42份的D-精氨酸，溶于2000份去离子水和5000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30 min，得到均匀的D-精氨酸溶液，备用；
（2）将40份的硫酸铁，溶于2000份去离子水和2000份乙醇的混合溶剂中，室温搅拌30min，得到均匀的硫酸铁溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得的硫酸铁溶液加入至步骤(1)所得的D-精氨酸溶液中，室温搅拌反应10 min，随后依次经离心分离、用水洗涤、冷冻干燥，即得到功能性纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种高性能多功能纤维素复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将60份纤维素纳米晶和6份丙三醇加入至2000份去离子水中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）将3-9份功能性纳米粒子分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌20 min，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤(2)所得的分散液加入到步骤(1)所得到的均匀的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌30 min，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塑料皿中，在60℃的烘箱中干燥12 h，即得到一种高性能多功能纤维素复合膜。
3.根据权利要求1所述的一种高性能多功能纤维素复合膜的应用，其特征在于，用于食品包装、智能材料、热致变色材料、氨气检测、环境监测与安全领域。
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