聚(3-羥基丁酸-co-3-羥基戊酸共聚酯)復合膜的制備及其性能

2021-01-05 10:49:30余厚詠李營戰姚菊明金萬慧

紡織學報 2020年9期

唐峰，余厚詠，周穎，李營戰，姚菊明，王闖，金萬慧

(1. 浙江理工大學材料科學與工程學院，浙江杭州 310018； 2. 浙江理工大學紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，浙江杭州 310018； 3. 湖北省纖維檢驗局，湖北武漢 430000)

隨著塑料包裝材料的廣泛使用，截至2018年底，全球塑料產量接近3.6億t[1]。傳統塑料來源于石油化工，在使用過程中不可降解，給環境帶來極其嚴重的壓力[2-3]，因此，開發可生物降解的塑料迫在眉睫。聚(3-羥基丁酸-co-3-羥基戊酸共聚酯)(PHBV)是一種常見的生物塑料，可經由微生物[4-5]從農作物中含有的淀粉發酵而來，不僅擁有良好的生物可降解性以及優異的生物相容性，還擁有優良的機械加工性能以及物理性能[6]，然而由于PHBV的結晶度低、力學性能差、抗菌性差以及水蒸氣透過率低等缺點[7-8]，極大地限制了其在食品包裝領域的應用。

為提高PHBV的物化性能，通常采用有機或無機填料對PHBV進行增強，單獨的纖維素納米纖絲(CNF)[9-11]雖然可提升PHBV的結晶性能和力學性能，但無法提升PHBV在高阻隔抗菌保鮮領域的應用能力。張效林等[12]利用廢紙纖維/微晶纖維素對PHBV進行增強，只是提高了PHBV的力學性能。為此，本文提出以CNF為模板利用原位還原法制備CNF-Ag雜化材料，再與PHBV復合，通過對CNF-Ag雜化材料表面極性基團的調控，提升PHBV的結晶、物理性能的同時，賦予PHBV優異的抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：商用PHBV，數均分子量為5.90×104，寧波天安生物材料有限公司；商用微晶纖維素(MCC，直徑為25～30 μm)、鹽酸(分析純)、氨水(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；甲酸、抗壞血酸、氫氧化鈉、檸檬酸，均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硝酸銀(分析純)，廣東光華科技股份有限公司；氯仿(分析純)，杭州雙林化工試劑有限公司。

儀器：PHS-3E型雷磁pH計(上海儀電科學儀器有限公司)；DDS-307型雷磁電導儀(上海儀電科學儀器有限公司)；Discovery 型差示掃描量熱儀(DSC，美國TA儀器有限公司)；JSM-5610 LV型場發射掃描電鏡(FE-SEM，日本電子(JEOL)株式會社)；UH4150型紫外-可見光分光光度計(日立高新技術有限公司)；HWM-50型恒溫恒濕培養箱(寧波江南儀器廠)；Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR，美國Thermo Electron公司)；K-Alpha型X射線衍射儀(XRD，美國Thermo Fisher Scientific公司)；PYRIS 1型熱重分析儀(TG，美國Perkin-Elmer公司)；ES-315型高壓蒸汽滅菌鍋(美國TOMY公司)；5973型萬能材料試驗機(美國Instron公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維素納米纖絲的制備

將MCC以1∶50的固液比加入到不同混酸(混酸1：鹽酸和甲酸體積比為1∶9；混酸2：鹽酸、甲酸和檸檬酸的體積比為1∶4.5∶4.5；混酸3：鹽酸、甲酸和檸檬酸體積比為1∶1.5∶7.5。其中各種酸的濃度均為6 mol/L)的燒瓶中，在80 ℃條件下攪拌加熱4 h，經多次離心水洗將pH值調節至中性，冷凍干燥后得到纖維素納米纖絲，分別記為CNF、CNF(4.5)和CNF(7.5)。

1.2.2 纖維素納米纖絲/納米銀的制備

向100 mL濃度為0.05 mol/L 的AgNO3水溶液中滴加一定量的NH3·H2O制備銀氨溶液，待混合溶液變澄清后，將燒瓶用錫箔紙覆蓋進行避光處理，待用。

分別取1 g的CNF、CNF(4.5)和CNF(7.5)分散于100 mL去離子水中，超聲分散0.5 h得到CNF懸浮液，將懸浮液置于90 ℃水浴鍋中并用錫箔紙避光處理，隨后加入銀氨溶液，持續攪拌加熱直至混合溶液顏色無明顯變化，得到纖維素納米纖絲/納米銀樣品，分別記為CNF-Ag、CNF(4.5)-Ag和CNF(7.5)-Ag。

分別向3個裝有100 mL去離子水的燒杯中加入1 g的CNF后，再向3個燒杯中分別加入6.3 g抗壞血酸、6.3 g 檸檬酸、6.3 g抗壞血酸和6.3 g檸檬酸混合物，超聲0.5 h后，將得到的3種CNF懸浮液置于90 ℃水浴鍋中并用錫箔紙避光；然后分別向CNF懸浮液中加入制備好的銀氨溶液，直至溶液顏色不再變化，得到的纖維素納米纖絲/納米銀樣品，分別記為CNFA-Ag、CNFC-Ag以及CNFAC-Ag。

向裝有100 mL去離子水的燒杯中加入1 g CNF(7.5)后，然后繼續向燒杯中加入6.3 g抗壞血酸和6.3 g檸檬酸混合物，超聲0.5 h后，繼續按照上述步驟制備得到纖維素納米纖絲/納米銀樣品，記為CNF(7.5)A-Ag。

1.2.3 PHBV復合膜的制備

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental route

PHBV復合膜實驗制備流程圖如圖1所示。將PHBV分別和1.2.2節制備的7種不同雜化材料樣品以9∶1的質量比混合加入至氯仿(混合物和氯仿的質量比為1∶9)溶液中。通過溶液流延法制備得到厚度約為30～40 μm的復合膜，將制備好的PHBV復合膜置于40 ℃烘箱內干燥12 h，待用。復合膜依次記PHBV/CNF-Ag、PHBV/CNF(4.5)-Ag、PHBV/CNF(7.5)-Ag、PHBV/CNFA-Ag、PHBV/CNFC-Ag、PHBV/CNFAC-Ag、PHBV/CNF(7.5)A-Ag。

1.2.4 復合膜的表面形貌和化學結構測試

復合膜的脆斷截面采用場發射掃描電鏡進行觀察，測試前對樣品進行噴金處理。

復合膜的化學結構使用傅里葉變換紅外光譜儀進行分析，測量波長范圍為4 000～400 cm-1。

復合膜的光學性能使用紫外-可見光分光光度計進行分析，測試范圍為200～800 nm。

1.2.5 復合膜熱性能測試

稱量5～10 mg樣品，通過熱重分析儀在N2(30 mL/min)氣氛中，通過20 ℃/min的升溫速率從室溫升至600 ℃，測試復合膜的熱穩定性。

稱取5～10 mg樣品，通過差示掃描量熱儀，在氮氣氣氛中以20 ℃/min速率加熱至200 ℃，以消除熱歷史；然后以10 ℃ /min速率降溫至0 ℃，得到第1次降溫曲線；停留1 min，再以10 ℃ /min速率加熱至200 ℃，得到第2次升溫曲線。

1.2.6 復合膜的晶體結構測試

通過X射線衍射儀研究與分析復合膜的晶體結構，掃描速度為 2(°)/min，管電壓為 40 kV，管電流為 30 mA。樣品結晶度(Xc)計算公式[13]為

式中：Ac為結晶峰面積積分；Aa為非晶區峰的面積積分。

1.2.7 CNF-Ag雜化材料羧基含量的測定

稱取0.05 g干燥樣品添加到100 mL去離子水中。將溶液的pH值調節至2.5～3.0，充分攪拌。然后以0.1 mL/min的速度添加0.05 mol/L的NaOH溶液，直到樣品的pH值為11，采用電導率儀和pH計記錄電導率和pH值[12]。

1.2.8 復合膜的力學性能測試

將復合膜裁剪成啞鈴狀(長度為50 mm，寬度為4 mm，厚度為40～50 μm)，采用萬能材料試驗機以1 mm/min的速率進行拉伸實驗。每個實驗重復10次，取平均值。

1.2.9 復合膜的吸水率測試

截取尺寸為1 cm×10 cm的矩形狀樣品條，放入60 ℃烘箱中放置78 h直至質量恒定。然后，把樣品薄片置于相對濕度為95%，溫度25 ℃的恒溫恒濕培養箱中，使其充分吸水。吸水率的計算公式[14]為

式中：m0和mt分別為吸水前后樣品的質量，kg。每個樣品測試5次，取平均值。

1.2.10 復合膜的透濕遷移性能表征

按照GB/T 16928—1997《包裝材料試驗方法透濕率》對復合膜的水蒸氣透過率進行測試，蒸汽透過率計算公式[15]為

式中：Δm為被測試樣品在t(s)時間內的質量變化量，kg；S為被測試樣品的面積，m2；e為被測試樣品的厚度，m；P為實驗條件下飽和壓強，Pa。每個樣品測試3次，取平均值。

在裝有10 mL食品模擬液的樣品管中浸入10 cm2大小的樣品，首先在40 ℃條件下于體積分數為10%的乙醇溶液中浸置10 d；然后在20 ℃條件下于異辛烷溶液中浸置2 d。取出樣品，待PHBV復合膜上的食品模擬液蒸發后，稱取樣品的質量。整體遷移率即樣品中殘留的模擬液與初始樣品管中模擬液的質量比[16]，每個樣品重復測試3次，取平均值。

1.2.11 復合膜的抗菌性能測試

在填充有柱狀凝膠的培養皿中加入100 μL金黃色葡萄球菌菌液，隨后將培養皿放入37 ℃的培養箱中培養12 h，觀察并測量抑菌圈面積。

同時樣品于37 ℃條件下培養24 h后，記錄存活的菌落數量。抗菌率(AR)計算公式[17]如下：

AR=(N0-N)/N0×100%

式中：N0為純PHBV復合膜上金黃色葡萄球菌的初始平均數，CFU；N為復合膜上金黃色葡萄球菌的平均數，CFU。每個樣品測試3組，取平均值。

2 結果與討論

2.1 復合膜的表面形貌分析

不同PHBV復合膜截面的SEM照片如圖2所示。可知，CNF-Ag納米雜化粒子在PHBV基體中呈現出良好的分散性，且在橫截面中沒有出現微米級團聚或者明顯的相分離。綜上表明，CNF-Ag納米雜化粒子和PHBV基體之間擁有優良的相容性，進而使復合膜保留了 PHBV原有的透光性能。

圖2 不同PHBV復合膜截面掃描電鏡照片Fig.2 SEM images of fractured morphologies of different PHBV composite films

2.2 復合膜光學性能分析

圖3示出不同PHBV復合膜的紫外-可見光譜圖。可知，在所有復合膜中，PHBV/CNF-Ag的透過率最低，而PHBV/CNF(7.5)A-Ag的透過率最高。這是由很多因素造成的，包括高含量CNC-Ag不可避免的發生團聚以及其添加引起PHBV結晶度的變化，從而導致納米復合材料的透過率降低。此外，由于納米銀的量子效應，使得復合膜可吸收部分紫外線[7]。

圖3 不同PHBV復合膜的紫外-可見光譜圖Fig.3 UV-visible spectra of different PHBVcomposite films

2.3 復合膜化學結構分析

圖4 不同PHBV復合膜的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of different PHBV composite films

2.4 復合膜晶體結構分析

表1 PHBV復合膜的氫鍵系數及結晶度Tab.1 Hydrogen bond coefficient and crystallinity of PHBV composite films

圖5 PHBV復合膜的X射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction spectra of PHBV composite films

綜上表明，納米銀顆粒成功被引入PHBV復合膜中，同時其加入并未改變CNF和PHBV原有的晶體結構。同時，將純PHBV與PHBV復合膜特征峰對比可得出一個有趣的結論：CNF-Ag納米雜化粒子可作為成核劑用來提高PHBV基體的結晶性能。

2.5 復合膜熱性能分析

為探究CNF-Ag納米雜化粒子對PHBV結晶性能的影響機制，對PHBV復合膜熔融以及非等溫結晶行為進行測試分析。圖6示出PHBV復合膜DSC測試中第1次降溫以及第2次升溫曲線。在PHBV復合膜第1次降溫過程 (見圖6(a)) 中，全部復合膜樣品都出現了較為顯著的熔融結晶峰，而在第2次升溫過程中(見圖6(b))出現了冷結晶過程。其中，PHBV/CNF-Ag以及PHBV/CNFAC-Ag的熔融結晶溫度分別為94.9和34.9 ℃，在所有樣品中分別是最低與最高的。結合圖6 (b)可知，PHBV 復合膜的冷結晶溫度與熔融結晶溫度呈現相同變化趨勢。隨著CNF-Ag納米雜化粒子中羧基質量分數(見表1)的不斷增加，熔融結晶溫度隨之降低。只是由于CNF-Ag雜化材料分子間氫鍵作用增強，其與PHBV分子鏈上的酯基形成氫鍵增多，造成了分子運動折疊能力降低，因此，造成PHBV結晶能力降低。

再次，養老地產項目要有功能齊全的硬件設施，如醫療保健中心、老年活動中心、商業購物中心等大量的醫護及配套設施設備，以滿足老年人醫療、娛樂和購物的需求。

圖6 PHBV復合膜的DSC曲線Fig.6 DSC curves of PHBV composite films. (a) First cooling process; (b) Second heating process

為分析 PHBV復合膜的熱穩定性，PHBV復合膜的TGA和DTG曲線如圖7所示。可看出，所有PHBV/CNF-Ag復合膜樣品均只有1個熱降解過程，結合TGA曲線看出：樣品中納米銀含量最高和最低的分別是PHBV/CNF(4.5)-Ag和PHBV/CNFC-Ag (見圖7(b))，可得出納米銀的引入提高了PHBV復合膜的導熱性，從而促進了復合膜在低溫的分解，而納米銀的引入降低了PHBV復合膜的熱穩定性。

2.6 復合膜力學性能分析

不同PHBV復合膜的力學性能測試結果如表2所示。可知，所有樣品中PHBV/CNFAC-Ag的力學性能最為優異，其拉伸強度及彈性模量分別為66.7 MPa和7.6 GPa。這表明CNFAC-Ag與PHBV基體之間具有強的界面相互作用，有助于壓力在剛性納米雜化粒子與柔性 PHBV基體間運動。除此之外，因為PHBV 基體中存在分散性較好的CNF-Ag 納米雜化粒子，使得PHBV復合膜的性能優劣取決于分子間的氫鍵作用。較強的氫鍵作用和氫鍵網絡的形成有助于應力在PHBV復合膜大分子鏈上和CNF-Ag 納米雜化材料的滲透網絡間轉移[21-22]。但PHBV/CNFAC-Ag斷裂伸長率最低，為1.29%，這是因為在復合膜中添加 CNFAC-Ag納米雜化粒子后，較強的分子間與分子內較強氫鍵作用，使得復合膜的鏈段移動能力極弱，因此，復合膜的斷裂伸長率降低。

圖7 PHBV復合膜的TGA和DTG曲線Fig.7 TGA (a), partial of TGA (b) and DTG (c) curves of PHBV composite films

表2 PHBV復合膜的力學性能和透濕遷移性能Tab.2 Mechanical properties and moisture transfer properties of PHBV composite films

2.7 復合膜遷移性能分析

由表2中不同PHBV復合膜在食品模擬液(10%乙醇與異辛烷)中的整體遷移量可知，食品包裝材料在加工過程中往往會添加一些生物相容性較好的添加劑以及其他填料，因此，對于用于食品包裝的復合膜來說，遷移能力越差，可以阻隔越多有害物質經遷移至包裝的食品中，有效避免食品污染以及腐敗[7]。在本文所有樣品中，PHBV/CNF(7.5)-Ag復合膜的綜合遷移能力最差，在10%乙醇以及異辛烷中的遷移量分別為16.2和27.4 μg/kg。因為 PHBV 基體、CNF-Ag 納米雜化粒子在模擬液中的溶解性以及三者之間的極性差異，進而導致了PHBV復合膜在10%乙醇以及異辛烷的遷移量的差異。根據表1中列出的納米雜化粒子表面羧基含量可以說明，CNFAC-Ag表面羧基含量最大，提高了其親水性，使其在食品模擬液中的阻隔能力變差。

由表2可知，復合膜中PHBV/CNFAC-Ag的吸水率和水蒸氣透過率是最大的，分別為3.91%和8.13×10-14kg·m/(m2·s·Pa)；其他6組復合膜樣品的吸水率以及水蒸氣透過率均較純PHBV膜有所提高，這歸結于PHBV基體與納米粒子之間較弱的界面作用以及復合膜結晶度的下降。說明在PHBV基體中引入含有不同量羧基以及羥基的CNF-Ag納米雜化粒子后，提高了水分穿透進入PHBV基體的難度和曲折度。

2.8 復合膜抗菌性能分析

圖8示出不同PHBV/CNF-Ag復合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積。可知，細菌在固體培養基上培養12 h后，復合膜對金黃色葡萄球菌呈現出了抗菌現象。復合膜對金黃色葡萄球菌的抗菌圈大小為1.1～3.6 mm，其中PHBV/CNF(7.5)A-Ag的抑菌圈面積最大，對金黃色葡萄球菌的抗菌圈高達3.6 mm。這因為PHBV/CNF(7.5)A-Ag中含有的納米銀較多，使其產生了相對長久的抗菌效果以及面積最大的抑菌圈。除此之外，經過振蕩法定量研究了復合膜的抗菌率，結果如表3所示。可知，全部復合膜的抗菌率均在99%以上。