CN117304658A - 一种强韧多功能型pbat基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，具体涉及一种强韧多功能型PBAT基复合膜及其制备方法与应用。它是由如下原料制备而成的：PBAT、多功能的纤维素纳米晶。本发明还提供了上述强韧多功能型PBAT基复合膜的制备方法，所制备的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、氨气响应变色、生物可降解、氧气阻隔等性能，同时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，在食品包装、智能材料、氨气检测、环境监测与安全等领域具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种强韧多功能型PBAT基复合膜及其制备方法与应用。
背景技术
塑料已广泛应用到人们生活的方方面面，但其在自然环境中难降解、持续累积已造成了严重的“白色污染”，使用可生物降解材料作为替代品是解决白色污染的重要手段之一。聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)具有优良生物可降解性，但力学性能较差、高能蓝光阻隔性能不足限制了其广泛应用。此外，PBAT还缺少氨气响应变色功能，这也不利于其广泛应用。纤维素纳米晶是一类来源于纤维素，且有绿色、高比表面积、高结晶度等特点的生物基纳米材料，常被用作生物可降解膜的“纳米填料”。然而，亲水性的纤维素纳米晶难以有效地分散在疏水性的PBAT基质中，这不利于纤维素纳米晶对PBAT基复合材料的改性作用，从而限制了纤维素纳米晶用作PBAT材料的“纳米填料”。本发明利用功能化改性的纤维素纳米晶作为功能性填料，可有效地分散在疏水性的PBAT基质中，以此来改善PBAT膜的力学强度、韧性、紫外阻隔、高能蓝光阻隔、氨气响应变色、氧气阻隔等性能，开发一种高性能多功能PBAT基复合膜材料，拓宽其在食品包装、智能材料、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，提供一种强韧多功能型PBAT基复合膜及其制备方法与应用。该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、氨气响应变色、氧气阻隔等性能，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。
本发明技术方案：
本发明提供了一种强韧多功能型PBAT基复合膜材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：PBAT 200份，多功能的纤维素纳米晶2-8份；
所述多功能的纤维素纳米晶，其制备方法包括以下步骤：
（1）将41份纤维素纳米晶分散于1000份去离子水和3000份甲醇的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）称取16.5份的二水合氯化铜，将其溶于2000份的甲醇中，得到均匀的氯化铜溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得氯化铜溶液加入至步骤(1)所得的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（4）称取16.6份1H-吲唑-6-羧酸、5.6份KOH溶解在3000份甲醇溶液，搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（5）将步骤(4)所得的共混液滴加到步骤(3)的共混液中，在室温下搅拌反应12h，随后依次经离心分离、用甲醇洗涤、干燥，即得到多功能的纤维素纳米晶。
本发明还提供了上述强韧多功能型PBAT基复合膜材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将2-8份多功能的纤维素纳米晶分散于1000份二氯甲烷中，在室温下搅拌60min，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)所得到的溶液中，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到强韧多功能型PBAT基复合膜材料。
所述强韧多功能型PBAT基复合膜材料的应用，其特征在于，用于食品包装、智能材料、氨气检测、环境监测与安全等领域。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
本发明利用功能化纤维素纳米晶作为功能性填料，可有效地分散在疏水性的PBAT基质中，获得均匀、致密的强韧PBAT基复合材料；此外，本发明所制备得到的强韧多功能型PBAT基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、氨气响应变色、生物可降解、氧气阻隔等性能，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、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为本发明所涉及的纤维素纳米晶与多功能的纤维素纳米晶的傅里叶红外图谱；
图2为对比例制备得到的PBAT膜实物照片。
图3为本发明实施例3制备得到的强韧多功能型PBAT基复合膜实物照片。
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，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4～10nm，长度为100～500nm；1H-吲唑-6-羧酸是上海毕得医药科技股份有限公司提供的分析纯级试剂；二氯甲烷、丙酮、甲醇、氢氧化钾、二水氯化铜是由西陇科学股份有限公司提供的分析纯级试剂；PBAT由德国巴斯夫公司提供的产品。
在下述具体实施例和对比例配方、制备方法中，所述功能化改性的纤维素纳米晶，其制备方法包括以下步骤：
（1）将41份纤维素纳米晶分散于1000份去离子水和3000份甲醇的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）称取16.5份的二水合氯化铜，将其溶于2000份的甲醇中，得到均匀的氯化铜溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得氯化铜溶液加入至步骤(1)所得的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（4）称取16.6份1H-吲唑-6-羧酸、5.6份KOH溶解在3000份甲醇溶液，搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（5）将步骤(4)所得的共混液滴加到步骤(3)的共混液中，在室温下搅拌反应12h，随后依次经离心分离、用甲醇洗涤、干燥，即得到多功能的纤维素纳米晶。
实施例1
一种强韧多功能型PBAT基复合膜材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：PBAT 200份，多功能的纤维素纳米晶2份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将2份多功能的纤维素纳米晶分散于1000份二氯甲烷中，在室温下搅拌60min，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)所得到的溶液中，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到强韧多功能型PBAT基复合膜材料。
实施例2
一种强韧多功能型PBAT基复合膜材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：PBAT 200份，多功能的纤维素纳米晶4份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将4份多功能的纤维素纳米晶分散于1000份二氯甲烷中，在室温下搅拌60min，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)所得到的溶液中，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到强韧多功能型PBAT基复合膜材料。
实施例3
一种强韧多功能型PBAT基复合膜材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：PBAT 200份，多功能的纤维素纳米晶8份。
制备方法，包括如下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将8份多功能的纤维素纳米晶分散于1000份二氯甲烷中，在室温下搅拌60min，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)所得到的溶液中，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到强韧多功能型PBAT基复合膜材料。
对比例
作为以上实施例的对比标准，本发明提供在不含有多功能的纤维素纳米晶的情况下所制备的PBAT膜材料，包括如下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将向步骤(1)所得的溶液中加入1000份二氯甲烷，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到PBAT膜材料
结构与性能测试：
对上述对比例制备得到的PBAT膜材料及实施例制备得到的强韧多功能型PBAT基复合膜材料进行结构与性能测试，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。
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PBAT膜材料及实施例3所制备的强韧多功能型PBAT基复合膜材料（预先裁剪为直径为1 cm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膜材料的颜色变化。
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）
氨气响应测试实验结果证明，对比例制备得到PBAT膜材料是无色透明的，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制备得到的强韧多功能型PBAT基复合膜材料是浅绿色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为浅蓝色；实施例2制备得到的强韧多功能型PBAT基复合膜材料是绿色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为蓝色；实施例3制备得到的强韧多功能型PBAT基复合膜材料是绿色，暴露于氨气环境中后，其颜色变为蓝色。
总之，本发明利用功能化纤维素纳米晶作为功能性填料，可有效地分散在疏水性的PBAT基质中，获得均匀、致密的强韧PBAT基复合材料；此外，本发明所制备得到的高性能多功能型PBAT基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、氨气响应变色、生物可降解、氧气阻隔等性能，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、氨气响应材料、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)
1.一种强韧多功能型PBAT基复合膜材料，其特征在于，由以下重量份的组分组成：PBAT200份，多功能的纤维素纳米晶2-8份；
所述多功能的纤维素纳米晶，其制备方法包括以下步骤：
（1）将41份纤维素纳米晶分散于1000份去离子水和3000份甲醇的混合溶剂中，在室温下搅拌30min，得到均匀的纤维素纳米晶分散液，备用；
（2）称取16.5份的二水合氯化铜，将其溶于2000份的甲醇中，得到均匀的氯化铜溶液，备用；
（3）将步骤(2)所得氯化铜溶液加入至步骤(1)所得的纤维素纳米晶分散液中，在室温下搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（4）称取16.6份1H-吲唑-6-羧酸、5.6份KOH溶解在3000份甲醇溶液，搅拌3h，得到均匀的共混液，备用；
（5）将步骤(4)所得的共混液滴加到步骤(3)的共混液中，在室温下搅拌反应12h，随后依次经离心分离、用甲醇洗涤、干燥，即得到多功能的纤维素纳米晶。
2.根据权利要求1所述的强韧多功能型PBAT基复合膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将200份PBAT加入到2000份丙酮中，在室温下搅拌60min，得到均匀的溶液，备用；
（2）将2-8份多功能的纤维素纳米晶分散于1000份二氯甲烷中，在室温下搅拌60min，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)所得到的溶液中，在室温下搅拌60min，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30℃的烘箱中干燥24 h，即得到强韧多功能型PBAT基复合膜材料。
3.根据权利要求1所述的强韧多功能型PBAT基复合膜材料的应用，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。
Priority Applications (1)
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| CN202311215356.2A CN117304658A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种强韧多功能型pbat基复合膜及其制备方法与应用 |
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