CN117736474A - 一种新型的mmt增强蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装薄膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法。按照10:1质量比例将羧甲基纤维素和瓜尔豆胶混合，加入戊二醛进行交联。然后在室温条件下，将甘油、MMT加入其中充分搅拌均匀后涂敷成膜，干燥得到新型的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装薄膜。本发明制备的新型的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜材料具备优异的力学性能，其韧性表现优良，抗拉强度可达53.5 MPa，伸长率最高可达83.7%；水接触角高达96.6°，因此该薄膜材料在新型环保塑料领域具有潜在应用前景。
Description
技术领域
本发明属于蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装薄膜材料的制备技术领域，具体涉及一种可生物降解蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜材料的制备方法。
背景技术
2019年全球塑料产量大约是3.68亿吨，由于COVID-19、支原体肺炎等传染病的爆发，近几年的塑料需求急剧上升。但是大约90％的塑料包装制品在日常生活中仅一次使用后就会成为塑料垃圾。因此迫切需要从使用塑料包装材料过渡到可持续、可生物降解或可堆肥的食品包装材料。
羧甲基纤维素具有成本低、无毒无害、生物相容性和可降解性等优异特性。瓜尔豆胶是从瓜尔豆中获得的一种水溶性多糖。可用作食品中的增稠剂和稳定剂。与其他生物聚合物相比，它在高温、各种pH环境中稳定，并且它们的薄膜具有很高的机械强度。而且瓜尔豆胶和羧甲基纤维素结构类似，与羧甲基纤维素共混后可以形成稳定的高分子聚合物网络结构。蒙脱土K-10是最常用的层状硅酸盐，因为它对环境友好，易于以相对较低的成本大量获得，而且在聚合物中添加低百分比的粘土可能会增加机械强度和耐热性。化学交联法通常是改善薄膜性能的最有效方法，经过化学交联处理可以增强薄膜的抗拉强度和疏水性能。而小分子增塑剂甘油掺入蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜中可以提高复合薄膜的断裂伸长率。由此制备的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜可以应用在食品包装领域，替代传统石油基食品包装薄膜，在可降解食品包装领域具有潜在应用前景。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单、成本低廉的新型蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜材料的制备方法，该方法利用羧甲基纤维素和瓜尔豆胶作为薄膜的基底材料，利用戊二醛作为薄膜的交联剂，然后加入蒙脱土K-10和甘油分别作为增强剂和增塑剂，充分搅拌后再将成膜液均匀涂覆在聚四氟乙烯板上制得蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜材料。本发明制备的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜材料具备高韧性、高透明度、疏水性和抗紫外性能等优势。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于羧甲基纤维素/瓜尔豆胶具有优异机械性能的食品包装材料，其特征在于具体过程为：
步骤S1：在常温条件下，将羧甲基纤维素溶解在去离子水中以300～600r/min搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：在常温条件下，将瓜尔豆胶溶解在物料A中得到物料B；
步骤S3：在常温条件下，将蒙脱土K-10溶解在去离子水中以600r/min搅拌速率混合30min得到物料C；
步骤S4：在室温条件下，将物料B和物料C混合后，加入戊二醛溶液，以300～600r/min搅拌速率混合4h得到物料D；
步骤S5：在室温条件下，将甘油溶解在物料D中，以600r/min搅拌速率混合1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，在20～40℃的室温条件下干燥得到目标产物为蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜。
进一步优选，步骤S1中所述羧甲基纤维素浓度为2.5％(w/v)。
进一步优选，步骤S2中所述的瓜尔豆胶的浓度为羧甲基纤维素物重的0～15％。
进一步优选，步骤S3中所述蒙脱土K-10浓度为羧甲基纤维素物重的0～12％。
进一步优选，步骤S4中所述物料B和物料C体积比为4:1，戊二醛溶液为物料B和物料C总体积的1％。
进一步优选，步骤S5中所述甘油质量为羧甲基纤维素物重的50％。
本发明所述的可生物降解淀粉基薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.12g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将物料B和物料C在室温条件下混合，加入1mL戊二醛溶液，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S5：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物以蒙脱土K-10为增强剂的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜。该薄膜表现出优异的抗拉强度、韧性、疏水性能。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1、本发明选用绿色、无毒无害、来源广泛的可降解原材料，能够降低可生物降解材料的制备成本；
2、本发明以羧甲基纤维素和瓜尔豆胶为基底，以蒙脱土K-10作为增强剂，可以显著提高样品的韧性，其抗拉强度可以达到53MPa，断裂伸长率可以达到83％；
3、本发明制得的羧甲基纤维素基薄膜材料具有优良的疏水性，水接触角达到97°。
附图说明
图1为实施例1-6制备目标产物H1-H6的样品图；
图2为实施例1-6和对比例7～9制备目标产物H1-H9的抗拉强度图；
图3为实施例1-6制备目标产物H1-H6红外光谱图；
图4为实施例1-6制备目标产物H1-H6的X射线衍射图；
图5是实施例1-6制备目标产物H1-H6的紫外光谱-透过率图；
图6为实施例1-6制备目标产物H1-H6的疏水性能图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和100mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以300～600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将1mL戊二醛溶液加入物料B中，以600r/min速率搅拌4h得到物料C；
步骤S4：将1g甘油加入到物料C中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料D；
步骤S6：将物料D涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H1。
实施例2
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.04g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将1mL戊二醛溶液加入物料C中，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S4：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H2。
实施例3
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.08g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将1mL戊二醛溶液加入物料C中，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S4：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H3。
实施例4
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.12g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将1mL戊二醛溶液加入物料C中，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S4：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H4。
实施例5
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.16g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将1mL戊二醛溶液加入物料C中，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S4：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H5。
实施例6
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和80mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.2g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将0.2g蒙脱土K-10和20mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌30min均匀得到物料C；
步骤S4：将1mL戊二醛溶液加入物料C中，以600r/min速率搅拌4h得到物料D；
步骤S4：将1g甘油加入到物料D中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H6。
对比例1
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和100mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将1mL戊二醛溶液加入物料A中，以600r/min速率搅拌4h得到物料B；
步骤S4：将1g甘油加入到物料B中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料C；
步骤S6：将物料C涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H7。
对比例2
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和100mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.1g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以300～600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将1mL戊二醛溶液加入物料B中，以600r/min速率搅拌4h得到物料C；
步骤S4：将1g甘油加入到物料C中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料D；
步骤S6：将物料D涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H8。
对比例3
步骤S1：将2g羧甲基纤维素和100mL去离子水混合后，以600r/min速率搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：将0.3g瓜尔豆胶加入到物料A中，在常温条件下以600r/min速率搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：将1mL戊二醛溶液加入物料B中，以600r/min速率搅拌4h得到物料C；
步骤S4：将1g甘油加入到物料C中，在室温条件下以600r/min速率搅拌1h得到物料D；
步骤S6：将物料D涂覆在聚四氟乙烯板上，于25℃条件下干燥得到目标产物为H9。
机械性能测试：将目标产物H1裁剪为8mm×30mm大小尺寸。使用万能材料实验机对目标产物H1进行拉伸测试，样品在夹具的有效长度为10mm，夹具夹持部分对样品进行保护，防止样品出现损伤造成数据不准确。用同样的方法测试目标产物H2～H9的拉伸性能。
水接触角测试：将目标产物H1裁剪为10mm×10mm大小尺寸，保证样品干燥，对目标产物H1进行接触角测试。用同样的方法测试目标产物H2～H6的水接触角。
所有实施例中样品的性能如下：如图2所示，为实施例1～6和对比例7～9所得目标产物H1～H9的拉伸曲线，由图可知实施例1～6制得的目标产物H1～H6的抗拉强度分别为30.6MPa、32.3MPa、42.4MPa、53.5MPa、38.6MPa和30.4MPa，对应的伸长率分别为23.7％、32.8％、61.8％、83.7％、49.1％和30％，以上结果表明目标产物H4具有较好的抗拉强度和断裂伸长率。对比例所得的目标产物H7～H9抗拉强度分别为18.4MPa、23.5MPa和20.4MPa，对应的伸长率分别为10.8％、17.5％和13.9％，以上结果表明，目标产物H4具有最佳的韧性和抗拉强度。如图6所示，实施例1-6所得目标产物H1-H6的水接触角分别为80.58°、84.8°、91.4°、96.6°、86.2°和83.3°，测试结果表明目标产物H4的疏水性能良好。如表1所示，目标产物H4性能同其他相似领域薄膜材料性能相比具有很大优势，在可降解塑料领域具有潜在应用前景
表1
通过对比发现，未添加蒙脱土的羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜力学性能较差，不能较好地满足使用需求。本发明制备的蒙脱土对羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基薄膜的力学性能有着良好的增强性能，其力学性能远超于对比例，且具有较好的韧性和抗拉伸强度。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (7)
1.一种新型蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于具体过程为：
步骤S1：在常温条件下，将羧甲基纤维素溶解在去离子水中，以600r/min搅拌速率混合2h得到物料A；
步骤S2：在常温条件下，将瓜尔豆胶溶解在物料A中，以600r/min搅拌速率混合2h得到物料B；
步骤S3：在常温条件下，将蒙脱土K-10溶解在去离子水中，以600r/min搅拌速率混合30min得到物料C；
步骤S4：在常温条件下，将物料B和物料C以体积比例4:1混合，加入戊二醛，以600r/min搅拌速率混合4h得到物料D；
步骤S5：在室温条件下，将甘油加入到物料D中以600r/min搅拌速率混合1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，在20～40℃的室温条件下干燥得到目标产物为蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装薄膜。
2.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中的羧甲基纤维素浓度为2％(w/v)。
3.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述的瓜尔豆胶浓度为羧甲基纤维素物重的0～15％。
4.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述蒙脱土K-10浓度为羧甲基纤维素物重的0～12％。
5.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中所述戊二醛溶液为混合溶液体积的1％。
6.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于：步骤S5中所述甘油质量为羧甲基纤维素物重的1％。
7.根据权利要求1所述的蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：在常温条件下，将2g羧甲基纤维素溶解在80mL去离子水中，以600r/min搅拌均匀得到物料A；
步骤S2：在常温条件下，将0～0.3g瓜尔豆胶溶解在物料A中，以600r/min搅拌均匀得到物料B；
步骤S3：在常温条件下，将0～0.24g蒙脱土K-10溶解在20mL去离子水中，以600r/min搅拌速率混合30min得到物料C；
步骤S4：在室温条件下，将物料B和物料C体积比例4:1混合，加入物料B和物料C总体积的1％的戊二醛溶液，以600r/min搅拌速率混合4h得到物料D；
步骤S5：在室温条件下，将甘油以羧甲基纤维素物重的50％溶解在物料D中，以600r/min搅拌速率混合1h得到物料E；
步骤S6：将物料E涂覆在聚四氟乙烯板上，在20～40℃的室温条件下干燥得到目标产物为蒙脱土增强羧甲基纤维素/瓜尔豆胶基食品包装薄膜。该薄膜具有较高的断裂伸长率和韧性，较好的疏水性和抗紫外性。
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