超声波交联壳聚糖—纤维素共混膜的制备及透光性能研究

李兴扬，戚德福，朱玲婷，张桂凤

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000)



超声波交联壳聚糖—纤维素共混膜的制备及透光性能研究

李兴扬，戚德福，朱玲婷，张桂凤

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000)

在超声波辐射条件下，以壳聚糖CS和二乙胺基乙基纤维素(DEC)为基本原料，在交联剂的作用下制备出一系列共混膜．首先，通过单因素实验研究了共混比、交联剂的用量、反应时间和超声波辐射功率对共混膜透光率的影响.其次，通过正交实验确定了各因素的最佳水平及组合.研究表明，共混比为1.5∶1、交联剂体积为2.5 mL、超声波交联时间为1.5 min及超声波功率为280 W时共混膜的透光率最大．

超声波交联；壳聚糖；纤维素；共混膜；透光率

壳聚糖CS是甲壳素脱乙酰的产物，它具有良好的生物相容性、抑菌、止血、可降解性、易加工、良好的成膜性且来源广泛[1]，已在食品及农产品、医药、纺织、化工、造纸等领域得到广泛应用[2-3]．由于壳聚糖分子中含有大量羟基和氨基等功能团，易于进行改性及成膜，且具有特殊的耐有机溶剂性能，是一种极有潜力的膜材料[4]．壳聚糖膜已成为包装膜和抗菌材料领域具有潜在应用价值的研究热点之一[5]，已用于制作如食品保鲜涂膜、可食用膜、生物可降解包装膜、分离滤膜、防水膜和医疗用膜等，越来越受到人们的重视[6-7]．但是，纯的壳聚糖膜脆性大、力学性能以及透光性能欠佳，使其应用受到了一定的限制[8]，因此对壳聚糖膜进行改性是十分必要的．由于纤维素具有良好的亲水性、原料丰富且成膜性能较好的优点，已被广泛应用于制备多种复合膜[9]．因此，结合两者的优点，有望制备出性能优良的壳聚糖/纤维素复合膜．

以壳聚糖和二乙胺基乙基纤维素(DEC)为基本原料，在超声波条件下，以甲醛作为交联剂制备出一系列共混膜，已考察了共混膜的弹性模量和断裂伸长率[10]．透光率也是膜性能的主要指标，影响其应用范围，因而进一步考察共混膜的透光率，优化其透光性能，为制备壳聚糖共混膜提供有益的实验探索．

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

壳聚糖(工业级，潍坊科海甲壳素有限公司)；二乙胺基乙基纤维素(AR，上海方试剂二厂)；冰乙酸(AR，蚌埠化学试剂厂)；甲醛(AR，蚌埠化学试剂厂)；KQ-400KDB高功率数控超声清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；722分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)．

1.2 实验方法

(1)共混膜的制备方法.按文献[10]制备．

(2)透光率的测定.采用722分光光度计来测量膜的透光率．将共混膜剪成合适的尺寸，放入比色皿．用空的比色皿作参比，在最佳工作波长λmax=430 nm 处测定其透光率T．

2 结果与讨论

2.1 共混膜透光性能的影响因素

(1)共混比对透光率的影响.在交联剂用量2.0 mL、反应时间2 min、超声波功率400 W的条件下，改变共混比为1∶2、1∶1.5、1∶1、1.5∶1、2∶1，按1.2实验方法操作(共混比是指DEC与CS的质量比)，得到一系列共混膜，测其透光率，结果如图1所示．由图1可以看出，随着纤维素用量的增加，共混膜的透光率呈现先提高后降低的趋势，当共混比为1.5∶1时，透光率达最大．表明DEC在一定范围内可以改善混合膜的透光性能，但是，在共混比大于1.5∶1时，交联不完全导致透光率下降．

(2)交联剂用量对透光率的影响.在共混比1.5∶1、反应时间2 min、超声波功率300 W的条件下，改变交联剂用量为1.0 mL、1.5 mL、2.0 mL、2.5 mL、3.0 mL，按1.2实验方法得到一系列共混膜，测其透光率，透光率与交联剂用量关系曲线如图2所示．由图2可以看出，随着交联剂用量的增加，膜的透光率呈现先提高后降低的趋势，在交联剂用量为2.0 mL时，透光率达到最大，当交联剂用量过多时，得到的共混膜含气泡较多，使其透光率降低．

图1 共混比对透光率的影响 图2 交联剂用量对透光率的影响

(3)反应时间对透光率的影响.保持共混比1.5∶1、交联剂用量2.0 mL、超声波功率280 W不变，改变交联时间为0.5 min、1.0 min、1.5 min、2.0 min、2.5 min进行实验，按1.2实验方法得到一系列共混膜，测其透光率，结果如图3所示．由图3可以看出，在交联时间小于1.5 min时，反应不完全，此时的透过率比较低；随时交联反应的进行，透光率逐渐提升，在1.5 min时共混膜的透光率达最大；随后继续增加反应时间(>1.5 min)，交联程度增加致使交联密度增大，随着交联密度的增大，使得共混膜的透光率有所减少．因此，较适宜的交联时间为1.5 min．

(4)超声波功率对透光率的影响.保持共混比1.5∶1、交联剂用量2.0 mL、反应时间2 min不变，改变超声波功率为160 W、240 W、280 W、360 W、400 W进行实验，按1.2实验方法得到一系列共混膜，测其透光率，结果如图4所示．由图4可以看出，超声波的功率明显影响交联反应的速率，因此，反应时间一定时，不同功率下得到的共混膜的交联密度不同，通过率也不同．随着超声波功率的提高，共混膜的透光率呈现先增大后减小的趋势，在280 W时达到最大．

图3 反应时间对透光率的影响 图4 超声波功率对透光率的影响

2.2 正交设计L9(34)优化实验条件

在单因素实验的基础上，设计4因素3水平的正交实验，试验次数为9次．4因素分别为共混比、交联剂用量、反应时间和超声波功率，按正交实验表L9(34)组合，以共混膜的透光率为考察指标，实验结果及分析如表1所示．

3 结论

使用甲醛作为交联剂，在微波辐射的条件下成功制备了壳聚糖/二乙胺基乙基纤维素共混膜，方法简单、反应时间短.在单因素的基础上，通过正交实验得到优化方案：共混比为1.5∶1、甲醛体积为2.5 mL、超声波交联时间为1.5 min及超声波功率280 W时(A2B3C2D2)所得共混膜的透光率最大．

表1 正交实验结果分析

[1] 郭瑞,赛明泽,张敏,等.壳聚糖接枝聚乙烯吡咯烷酮复合碘膜的制备及其性能[J].应用化学,2015,32(5):498-503.

[2] 何莹,刘昕,唐旭炎.静电纺壳聚糖-聚己内酯纳米纤维膜引导骨再生的体外研究[J].上海口腔医学,2015,24(2):129-134.

[3] 马莎莎,陈泽智,龚惠娟,等.壳聚糖/聚砜复合中空纤维膜的制备及其CO2/N2分离性能研究[J].现代化工,2013,33(6):50-53.

[4] 黄征青,杨丽.壳聚糖超滤膜的研究进展[J].膜科学与技术,2015,35(3):121-125.

[5] 宋慧君,汤克勇,王芳,等.聚乙二醇对明胶/壳聚糖复合膜性能的影响[J].功能材料,2014,45(14):14 031-14 036.

[6] 王斌,张培培,权静,等.四氧化三铁/壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮复合纳米纤维膜的制备及其表征[J].纺织学报,2013,34(4):17-21.

[7] 张慧敏,阮弦,胡勇有,等.静电纺壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维膜对Cu2+、Ni2+及Cd2+的吸附特性[J].环境科学学报,2015,35(1):184-193.

[8] 刘娟丽,李兴旺,黄大建.海泡石增强壳聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜的制备及性能[J].精细化工,2015,32(4):371-375.

[9] 贝俊杰,曹云峰.纤维素基表面活性剂的研究进展及在造纸工业中的应用[J].纤维素科学与技术,2012,20(4):65-72.

[10] 李兴扬,林刘送,冯丹丹,等.超声波交联壳聚糖-纤维素共混膜的制备及性能研究[J].应用化工,2014,42(12):2 168-2 170.

Preparation and Light-transmitted Properties of Ultrasonic Wave Crosslinked Chitosan-cellulose Blend Films

LI Xing-yang，QI De-fu,ZHU Ling-ting,ZHANG Gui-feng

(College of Biological and Chemical Engineering，Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Under ultrasonic wave radiation condition, chitosan and diethylamino ethyl cellulose are used as the basic raw materials to make the blend films by blending and crosslinking.The affection of the proportion of blending,dosage of the crosslinker, time of the reaction and power of the ultrasonic was investigated by single factor method.The result showed that by the orthogonal test the blend membrane,made under the condition of blending ratio 1.5∶1, crosslinking agent 2.5 mL, reaction time 1.5 min, ultrasonic power 280 W, has the biggest transmittance.

ultrasonic wave crosslink;chitosan;cellulose;blend films;transmittance

1672-2477(2016)05-0010-03

安徽高校省级科学研究基金资助项目(201510363203)

李兴扬(1980-)，男，安徽亳州人，讲师，硕士．

TB34；TQ341

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