半纤维素/壳聚糖复合膜的制备及性能研究

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纤维素、半纤维素和木素是植物纤维原料的三大组分,是自然界最丰富且可再生的生物资源。半纤维素是连接纤维素和木素的一类不均一的多糖,但其分子的分支度高、多分散性以及无定形等结构,限制了它的开发利用。壳聚糖作为自然界唯一大量存在碱性基团(-NH2)的多糖,受到人们的广泛关注。由于壳聚糖具有生物相容性、生物降解性以及抗菌性等性能,广泛应用于生物医学、食品、环境保护等领域。制备壳聚糖/半纤维素生物基复合材料,对于半纤维素的高值化利用,以及开发新的功能性生物基复合材料具有重要意义。本论文以商品玉米芯木聚糖和山毛榉木聚糖为原料,以戊二醛、京尼平为交联剂制备壳聚糖/半纤维素复合膜,研究复合材料的性能,并优化制备工艺条件;对比两种不同半纤维素对壳聚糖膜性能的影响;对两种木聚糖、两种交联剂制备的壳聚糖复合膜进行FTIR、X-射线衍射、热重以及紫外分析,初步获得半纤维素的化学组成对复合膜性能的影响。分别以戊二醛和京尼平为交联剂,制备玉米芯半纤维素/壳聚糖复合膜,研究两种复合膜的交联度、润胀性、机械性能、pH敏感性以及抗氧化性,优化其工艺条件。结果表明:两种交联剂制备的复合膜均具有较强的pH敏感性,尤其是在酸性条件下。对比传统交联剂戊二醛和天然生物交联剂京尼平,相同条件下,京尼平制备的壳聚糖复合物具有更高的拉伸强度、抗氧化性,以及更低的润胀率和交联度,但是,当木聚糖/壳聚糖配比增至7/3时,由使用两种交联剂引起的膜的上述性能差距变小。京尼平为交联剂时,增加木聚糖的配比,复合膜的交联度、润胀性和抗氧化性明显增加,但机械强度急剧下降,润胀性能逐渐增加。另外,随着京尼平配比的增加,复合膜的交联度、机械强度明显上升,润胀率急剧下降,对pH的响应性无影响,过量的京尼平会降低膜的抗氧化性。不同的添加方式表明,壳聚糖、木聚糖和交联剂同时加入有利于提高复合膜的各项性能。山毛榉半纤维素/壳聚糖复合膜的制备与性能。结果表明:相对京尼平交联剂,戊二醛制备的复合膜的交联度明显高出很多,尤其是半纤维素配比增加至70%时,氨基的交联度接近于零。对比戊二醛交联剂,京尼平交联的复合膜具有较低的交联度。随着壳聚糖配比的增加,复合膜的拉伸强度降低,且京尼平交联有利于提高膜的机械性能和抗氧化性。半纤维素配比的增加有利于提高复合膜的抗氧化性,尤其是以京尼平为交联剂、木聚糖配比为70%时,相对纯壳聚糖膜,复合膜的抗氧化性提高了127%。对比山毛榉和玉米芯木聚糖在两种交联剂存在下制备的壳聚糖复合膜的性能,研究半纤维素化学组成对其性能的影响。结果表明:山毛榉存在较高含量的木素,溶解性小于玉米芯半纤维素,以戊二醛为交联剂制备的复合膜交联度高出京尼平交联膜的3.5倍,这是由于木素与醛的缩合反应所致。相对玉米芯半纤维素,山毛榉半纤维素更有利于增强复合膜的拉伸强度和pH敏感性,但是其抗氧化性要低约30%,润胀性相差不多。其中,山毛榉木聚糖/京尼平/木聚糖复合膜显示最高的pH敏感性。对壳聚糖复合产物进行FTIR, XRD、TG和UV进行分析,结果表明,交联剂存在下,木聚糖与壳聚糖发生的美拉德反应增强;相对山毛榉半纤维素,玉米芯半纤维素制备的壳聚糖复合膜结晶度要高,相对京尼平,戊二醛交联的壳聚糖复合膜的结晶度下降;与纯壳聚糖膜相比,半纤维素/壳聚糖复合膜的热稳定性降低。相对玉米芯半纤维素,山毛榉半纤维素制备的复合膜的热稳定性要好,戊二醛和京尼平交联的复合膜热稳定性相差不大;相对玉米芯半纤维素,山毛榉半纤维素改性的壳聚糖产物量要大,另外,玉米芯半纤维素/京尼平/壳聚糖的反应产物量虽反应时间增加急速上升。因此,半纤维素中保留一定量的木素有利于改善复合膜的强度和热稳定性,促进交联反应的发生。
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