纤维素/壳聚糖抗菌膜的制备与表征

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随着以石油为代表的不可再生资源的急剧消耗,采用天然高分子材料替代石油化工产品制备功能化膜材料引起了广大膜科学工作者的高度重视。其中,纤维素和壳聚糖因其优异的性能而倍受青睐。将纤维素与壳聚糖结合制备的膜材料在水处理、食品包装、生物医药等领域有着广阔的应用前景。最常见的纤维素-壳聚糖基膜材料是纤维素/壳聚糖复合膜,但目前纤维素/壳聚糖复合膜的制备仍存在相容性差、力学性能差或抗菌性能不显著等问题。论文采用不同的离子液体溶解纤维素和壳聚糖,筛选出对纤维素和壳聚糖均具有良好溶解性能的离子液体,制备了相容性好、性能优越的纤维素/壳聚糖复合膜。论文还对纤维素进行氧化,通过氧化纤维素与壳聚糖之间的反应制备壳聚糖接枝氧化纤维素膜,开辟了纤维素-壳聚糖基膜材料制备的新途径。首先,论文研究了1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl)、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl)和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EmimAc)三种离子液体对纤维素的溶解性能。结果表明,纤维素在EmimAc中的溶解性能优于AmimCl和BmimCl,纤维素在离子液体中的溶解度随着溶解温度的升高和溶解时间的延长而逐渐增大,再生纤维素的聚合度随着溶解温度的升高和溶解时间的延长不断下降。溶解温度90°C、溶解时间45min时,纤维素在EmimA中的溶解度达到8.3%,再生纤维素聚合度为375,结晶度为50.2%。其次,论文研究了1-丁基-3-甲基咪唑氯盐/1-氢-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl/HmimCl)、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐/1-氢-3-甲基咪唑氯盐(AmimCl/HmimCl)和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EmimAc)三个离子液体体系对壳聚糖的溶解性能。研究发现,壳聚糖在EmimAc中的溶解性能明显优于BmimCl/HmimCl和AmimCl/HmimCl,壳聚糖在离子液体中的溶解度随着温度的升高和时间的延长而逐渐增大。溶解温度90°C、溶解时间60min时,壳聚糖在EmimAc离子液体中的溶解度达到8.3%,而在BmimCl/HmimCl和AmimCl/HmimCl中分别仅为0.5%和1%。;6%壳聚糖/EmimAc溶液的表观黏度小于1%壳聚糖/BmimCl/HmimCl和1%壳聚糖/AmimCl/HmimCl溶液。然后,论文选用EmimAc同时溶解纤维素和壳聚糖,制备纤维素/壳聚糖复合膜,并对其性能和结构进行测试和表征。研究发现,纤维素/壳聚糖复合膜中壳聚糖含量越大,复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能越好,但是力学性能随之变差。复合膜的FTIR和XRD分析结果表明复合膜的两组分间具有很好的相容性,纤维素和壳聚糖分子间能够形成氢键作用,这种分子间的相互作用使得复合膜具有比纤维素膜和壳聚糖膜更好的热稳定性能。当复合膜中纤维素和壳聚糖的质量比为1/1时,复合膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为43.1MPa和6.0%,初始降解温度和最大失重速率温度分别为236.4°C和263.8°C。最后,论文制备了壳聚糖接枝氧化纤维素膜,并对其性能与结构进行测试和表征。论文研究了反应条件对壳聚糖接枝氧化纤维素反应产率和壳聚糖接枝氧化纤维素膜力学性能的影响。研究结果表明,较适宜的SmimHSO4用量和反应时间分别为5%和2h,此时,壳聚糖接枝氧化纤维素膜中的氮含量和壳聚糖分别为0.69%和8.3%,其拉伸强度和断裂伸长率分别为12.3MPa和12.3%,初始降解温度和最大失重速率温度分别为215.7°C和259.1°C;壳聚糖接枝氧化纤维素膜的红外光谱在1643cm-1出现的C=N的伸缩振动吸收峰及其X射线光电子能谱在400.0eV处产生的C=N峰证明了氧化纤维素与壳聚糖之间的N-取代亚胺反应;壳聚糖接枝氧化纤维素膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抗菌性能。
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