CN117285751A - 一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制备方法与应用，它是由如下原料制备而成的：玉米淀粉、聚乙烯醇、铁基配合物。本发明还提供了上述强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜的制备方法，所制备的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氧气阻隔性、氨气响应变色与溶剂响应变色性能，且制备工艺简单、环保、成本低廉，适于放大生产，在氨气的可视化检测、紫外阻隔材料、抗菌材料、食品包装、智能材料、环境监测与安全等领域具有广泛的应用价值。

Description

一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制 备方法与应用
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制备方法与应用。
背景技术
淀粉属于高分子碳水化合物，来源丰富，价格低廉，具有完全可降解的特性，以及高生物相容性和良好的成膜性，是最有潜力的天然生物降解材料之一。然而，淀粉基材料具有较差的机械性能和水汽阻隔性能、紫外线屏蔽性能、高能短波蓝光阻隔性能局限性制约了淀粉的使用价值。因此，一种克服淀粉缺点的方法是将其与天然生物聚合物混合。聚乙烯醇与淀粉作为生物可降解材料，具有良好成膜性能、生物相容性以及环境友好性，在食品包装、生物医疗、智能凝胶等领域具有广泛的应用前景。在淀粉材料中加入聚乙烯醇可以提高材料的机械性能，生产出更经济更环保的淀粉/聚乙烯醇复合材料。但是，淀粉/聚乙烯醇复合材料具有较差的紫外阻隔、氧气阻隔等性能，同时缺少氨气响应、抗菌等功能，使其在实际运用中受到了一定的限制。本发明以淀粉/聚乙烯醇为基质，利用纳米花状铁基配合物作为功能性填料，以此来改善淀粉/聚乙烯醇复合材料的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氧气阻隔性、氨气响应变色、溶剂响应变色等性能，开发兼具紫外阻隔和氨气响应功能的强韧淀粉/聚乙烯醇纳米复合材料，拓宽其在食品包装、智能材料、生物医学、氨气响应材料、氨气检测、环境监测与安全等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，以玉米淀粉、聚乙烯醇为基料、纳米花状铁基配合物为填料，提供一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜及其制备方法，将花状铁基配合物纳米粒子添加到玉米淀粉/聚乙烯醇基体中以后，能够有效地改善玉米淀粉/聚乙烯醇复合膜材料的紫外线屏蔽性能、高能短波蓝光阻隔性能、力学强度、韧性、氧气阻隔性、氨气响应变色、溶剂响应变色等性能，且制备工艺简单环保，成本低廉，适于放大生产。
本发明的技术方案：
本发明提供了一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜，由以下重量份的组分组成：玉米淀粉100份，聚乙烯醇100份，铁基配合物2-6份。
所述铁基配合物为花状纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
(1) 将97.5质量份的1H-吲唑-6-羧酸溶解于1000质量份去离子水中，备用；(2)将54质量份的六水合氯化铁溶解于1000质量份去离子水，备用；(3) 将上述步骤(2)的氯化铁溶液缓慢滴加至步骤(1)溶液中，在室温下搅拌反应1 h，然后离心、洗涤、干燥，即得到铁基配合物。
本发明还提供了上述溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用；
（2）将2-6份铁基配合物分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌1h，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤（2）所得分散液加入到步骤（1）所得的共混溶液中，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤（3）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜。
本发明具有的有益效果：
本发明利用纳米花状铁基配合物作为功能性填料，能够有效地改善淀粉/聚乙烯醇复合膜材料的性能。本发明所制备得到的溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氧气阻隔性、氨气响应变色、溶剂响应变色性能，且制备工艺简单环保，成本低廉，适于放大生产，在氨气的可视化检测、紫外阻隔材料、抗菌材料、食品包装、智能材料、环境监测与安全领域等领域具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明所涉及的铁基配合物的扫描电镜图；
图2为本发明所涉及的铁基配合物的红外光谱图；
图3为本发明对比例1得到的淀粉/聚乙烯醇膜样品实物照片。
图4为本发明实施例3得到的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜样品实物照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
在具体实施例和对比例配方中，1H-吲唑-6-羧酸是由上海毕得医药科技股份有限公司提供的分析纯级试剂；六水合氯化铁、甲醇是由西陇化工股份有限公司提供的分析纯级试剂，玉米淀粉是由上海易恩化学技术有限公司提供的产品；聚乙烯醇（PVA-2899）是由上海影佳实业发展有限公司提供的产品。
在具体实施例和对比例配方中，本发明所涉及的铁基配合物为花状纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：（1）将97.5质量份的1H-吲唑-6-羧酸溶解于1000质量份去离子水中，备用；（2）将54质量份的六水合氯化铁溶解于1000质量份去离子水，备用；（3）将上述步骤(2)的氯化铁溶液缓慢滴加至步骤(1)溶液中，在室温下搅拌反应1 h，然后离心、洗涤、干燥，即得到铁基配合物。
实施例1
一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜，由以下重量份的组分组成：玉米淀粉100份，聚乙烯醇100份，铁基配合物2份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用；
（2）将2份铁基配合物分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌1h，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤（2）所得分散液加入到步骤（1）所得的共混溶液中，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤（3）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜。
实施例2
一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜，由以下重量份的组分组成：玉米淀粉100份，聚乙烯醇100份，铁基配合物4份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用；
（2）将4份铁基配合物分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌1h，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤（2）所得分散液加入到步骤（1）所得的共混溶液中，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤（3）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜。
实施例3
一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜，由以下重量份的组分组成：玉米淀粉100份，聚乙烯醇100份，铁基配合物6份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用；
（2）将6份铁基配合物分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌1h，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤（2）所得分散液加入到步骤（1）所得的共混溶液中，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤（3）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜。
对比例
作为以上各个实施例的对比标准，本发明提供在不含铁基配合物的情况下制备淀粉/聚乙烯醇膜材料，包括如下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用
（2）向步骤（1）所得的共混溶液中加入1000份去离子水，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（3）将步骤（2）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到淀粉/聚乙烯醇膜材料。
性能测试：
对上述对比例制备得到的淀粉/聚乙烯醇膜材料和实施例制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜材料进行性能测试，其中拉伸性能按照GB/T 1040-2006测试，紫外可见性能采用紫外分光光度计（Lambda750，珀金埃尔默仪器公司）测试，并参照GB/T 18830-2009计算紫外线(UVA、UVB与UVC)平均透过率。
氧气透过系数测试方法如下：将膜样品（直径：1.8cm）密封装有3g脱氧剂（其中包括1.0g活性炭、1.5g氯化钠和0.5g还原铁粉）的玻璃小瓶，对小瓶进行称重（记为W1），然后将其置于相对湿度为90%、温度为25 ℃的密闭容器中，放置48h后，对小瓶重新称重（记为W2），氧气透过系数OP =（W2–W1）/（S×t），其中S和t表示薄膜样品的面积和放置时间。
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。
表1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（%） 13.2 3.9 0.1 39.3
紫外线UVB平均透过率（%） 0.4 0 0 30.3
紫外线UVC平均透过率（%） 0 0 0 15.6
高能短波蓝光平均透过率（%） 28.7 18.2 2.5 44.3
拉伸强度（MPa） 24.1 38.5 46.2 19.2
韧性（MJ/m3） 11.2 13.7 14.0 9.0
氧气透过系数（10-3g/m2⋅s） 2.12 2.05 1.91 2.28
氨气响应测试实验结果证明，对比例制备得到的淀粉/聚乙烯醇膜是无色透明的，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；将实施例1制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇膜复合材料是浅土黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为浅棕褐色；实施例2制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇膜复合材料是土黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为棕褐色；实施例3制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇膜复合材料是土黄色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为棕褐色。
取实施例3制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜样品（直径：1.8cm），在其表面滴加氨水，膜样品呈棕褐色；取实施例3制备得到的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜样品（直径：1.8cm），在其表面滴加N,N-二甲基甲酰胺（DMF），膜样品呈红棕色，说明该淀粉/聚乙烯醇复合膜具有明显的溶剂响应变色性能。
总之，由上述样品性能测试数据看出，本发明所制备得到的氨敏型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜材料具有优异的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氧气阻隔性、氨气响应变色、溶剂响应变色性能，且制备工艺简单环保，成本低廉，适于放大生产，在氨气的可视化检测、紫外阻隔材料、抗菌材料、食品包装、智能材料、环境监测与安全领域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)

1.一种溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜，其特征在于，由以下重量份的组分组成：玉米淀粉100份，聚乙烯醇100份，铁基配合物2-6份；
所述铁基配合物为花状纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
（1）将97.5质量份的1H-吲唑-6-羧酸溶解于1000质量份去离子水中，备用；
（2）将54质量份的六水合氯化铁溶解于1000质量份去离子水，备用；
（3）将上述步骤(2)的氯化铁溶液缓慢滴加至步骤(1)溶液中，在室温下搅拌反应1 h，然后离心、洗涤、干燥，即得到铁基配合物。
2.根据权利要求1所述的溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将100份玉米淀粉、100份聚乙烯醇加入到3000份去离子水中，在95℃下搅拌1h，得到均匀的共混溶液，备用；
（2）将2-6份铁基配合物分散于1000份去离子水中，在室温下搅拌1h，得到均匀的分散液，备用；
（3）将步骤（2）所得分散液加入到步骤（1）所得的共混溶液中，并在95℃下搅拌1h，得到均匀的成膜液，备用；
（4）将步骤（3）中的成膜液浇注到塑料模具上，在55℃的真空烘箱中干燥24h，即得到溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜。
3.根据权利要求1所述的溶剂和氨气响应型的强韧淀粉/聚乙烯醇复合膜的应用，其特征在于，可应用于氨气的可视化检测、紫外阻隔材料、抗菌材料、食品包装、智能材料、环境监测与安全领域。
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