基于玉米苞叶纳米纤维素的超疏水防伪复合包装膜的研究

作     者：熊洁怡 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈奇峰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：玉米苞叶 纳米纤维素 超疏水薄膜 防伪包装 氮掺杂碳量子点 

摘      要：随着经济的快速发展,消费市场和运输行业对包装材料的需求越来越大,要求也越来越高。在传统包装材料的基础上,人们还希望赋予包装材料更高的强度、更优异的防伪性、防腐性、超疏水性和自清洁性。目前,环境问题和资源问题得到越来越多人的重视,开发绿色环保的生物基功能性包装材料成为热门的研究课题。玉米苞叶是一种农业废弃物,具有可降解、无毒性、产量大、生长周期短等优点。玉米苞叶的纤维素含量大,但目前没有得到高值化的利用。在此背景下,本研究以玉米苞叶、L-组氨酸、正硅酸乙酯和硅烷偶联剂为原料,制备出具有优异的防伪性能、超疏水性能及自清洁性能的复合包装膜。本论文的研究可分为以下三个部分:1、木素在纤维中充当黏合剂或填充剂,常常与纤维素和半纤维素伴生在一起。因此,本论文的第一部分先对玉米苞叶进行一段法漂白脱木素,然后再碱处理,高效地提取出纤维素。这种方法全程在常压下进行,且对温度要求不高,废液符合国家规定的排放标准。通过TEMPO/溴化钠/次氯酸钠体系处理纤维素,最后经过高压均质得到纳米纤维素。研究表明,玉米苞叶纤维素的得率高达47.86%,结晶度为53.72%,表现为纤维素I的晶体结构,具有良好的单根分散性和较大的长径比。玉米苞叶纳米纤维素为棒状晶体,得率为63.48%,仍保留着原来纤维素I的类型和晶体结构,结晶度为64.53%,热稳定性更佳。2、纳米纤维素基薄膜不仅具有较高的透明度和机械强度,还有优异的热稳定性和可降解性。将玉米苞叶纳米纤维素制备成防伪薄膜不仅可以实现其高值化利用,还可以有效解决目前防伪包装材料的强度问题和不可降解问题。同时,纳米纤维素含有丰富的碳原子和氧原子,是制备荧光碳量子点的理想前驱体。而氮元素的加入可以增强碳量子点的荧光效果。所以,第二部分首先以玉米苞叶纳米纤维素为碳源,以L-组氨酸为氮源,采用方便快捷的一步微波法制备氮掺杂碳量子点(N-CDs),并且通过抽滤、透析对得到的N-CDs进行纯化。通过单因素变量实验探究了原料配比、反应温度和反应时间对所得的N-CDs的影响。结果显示,当原料配比为1:4,温度为100℃,时间为5 min时,得到的N-CDs的氮含量最高,为14.84%,荧光量子产率高达32.64%,荧光发射强度最高,荧光防伪效果最好。通过构造三维网络结构将NCDs均匀地截留在纳米纤维素薄膜内部,制备出荧光防伪薄膜。对比N-CDs含量不同的纳米纤维素薄膜发现,N-CDs的含量为45.66%的薄膜具有较好的透明度和荧光效果,其透光率为87.76%,拉伸强度为94.72 MPa,弹性模量为6265.25 MPa。3、纳米纤维素基防伪包装材料由于纤维的亲水性而容易被破坏,赋予包装材料优异的超疏水性可以更好地保护包装材料的其他性能及其包装物品。因此,第三部分在第二部分制备的荧光防伪薄膜的基础上,通过表面法和内部法分别在纳米纤维素薄膜上原位生成二氧化硅,以此构造粗糙的纳米结构,然后用十六烷基三甲氧基硅烷处理薄膜降低其表面能,制得了超疏水防伪复合薄膜。探究两种方法对复合薄膜的各项性能影响,结果显示,两种方法得到的改性薄膜不仅具有高的透明度和机械强度,还有优异的耐摩擦性、耐酸碱性、荧光防伪性和超疏水抗污性。表面法薄膜的各项性能更佳,其透明度为87.76%,拉伸强度为96.64 MPa,静态水接触角为165.7°。