一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜及其制备方法

本发明属于绿色生物质薄膜，具体涉及一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜及其制备方法。

背景技术：

1、目前，以木材为基础的生物材料是生产材料和化学品的矿物燃料的可行替代品，同时也在维持环境可持续性方面发挥着至关重要的作用。与从木材中生产平台化学品相比，木质纤维素生物聚合物的聚合形式具有更经济的潜力，因为它消耗更少的能源，通常生产成本更低。纤维素和木质素是木材的两种主要结构成分。纤维素是光学透明的，而木质素强烈吸收可见光区域的光。上述两种木材构件具有优良的延展性和强度、紫外线屏蔽、耐水性、结构可控性、生物相容性和低细胞毒性。因此，纤维素和木质素的纳米化和重组可用于食品和饮料的生物降解包装，并可作为生物医学的薄膜材料。

2、聚乙烯醇(pva)是一种高结晶、水溶性、无毒、可生物降解的合成聚合物，具有优良的成膜性能。纤维素纤维和木质素基的聚乙烯醇复合膜的制备已经有报道。例如，pva薄膜中加入了纤维素微纤维(cmf)、纤维素纳米晶体(cnc)和碳纳米纤维(cnf)，产生了具有高拉伸强度的纳米复合薄膜。此外，用木质素纳米粒子浸渍pva制备了耐紫外线的pva复合膜。然而，通过自下而上的方法制备的纤维素基pva薄膜由于缺乏有序的骨架结构，缺乏足够的机械强度和稳定性，制备成本昂贵。相比之下，木质素浸渍pva会降低pva复合膜的力学性能。因此，有必要进一步识别可与pva基质混合的生物质材料，以提供具有稳健力学性能的复合膜。

3、木材是由蜂窝状细胞组成的，其细胞壁由定向纤维素微原纤维的纳米复合层组成。纤维素微纤维为木材提供韧性和强度。木质素也是细胞壁的主要成分之一，有助于将细胞聚集在一起。因此，木质素赋予木材刚性和不易腐烂的特性。以前的研究表明，纤维素和木质素的重组使新材料具有低密度、低导热、迷人的机械性能和良好的光学性能。例如，bian等人表明，由木质纤维素纳米纤维悬浮液制备的薄膜具有优异的疏水性和热稳定性。sadeghifar等人发现，木质素与纤维素通过click化学反应形成均匀的薄膜，克服了纤维素/木质素混合材料的不均匀性，薄膜具有较高的光学透明度和较强的柔韧性。在类似的研究中，将胶质木质素颗粒加入到纤维素纳米纤维(cnfs)中，作为获得坚固、防水和紫外线屏蔽膜的策略进行了研究。

4、到目前为止，已经报道了一些关于制备纳米纤维素基pva薄膜的研究，但现有技术中的生物质薄膜存在抗紫外线性差和力学性能差等缺陷。此外，关于利用生物来源材料制备高强度多功能薄膜的报道很少。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)原木单板依次经脱木质素处理、脱半纤维处理后得到原木纤维素(wcs)；进一步的，所述原木单板为巴沙木单板、杨木单板、松木单板或杉木单板；所述原木单板的厚度为1～5mm。所述脱木质素处理的方法为：将原木单板浸渍在ph值为4～5的naclo2水溶液中，90-100℃保温6-8h，即完成脱木质素；所述脱半纤维处理的方法为：将经过脱木质素处理的原木单板浸渍在6-10％的naoh溶液中，70-90℃保温3-5h，以去除半纤维素，经洗涤后即得到原木纤维素。

5、(2)制备木质素纳米颗粒，方法为：将木质素原料溶解在有机溶剂中得到木质素溶液；搅拌条件下，将木质素溶液滴加至水中，得到悬浮液；将悬浮液装入透析袋中，并将透析袋放入水中进行透析处理12～48h以除去有机溶剂，最后经干燥后即得到木质素纳米颗粒(lnps)。

6、(3)将聚乙烯醇(pva)、增塑剂加入水中溶解得到聚乙烯醇水溶液；将木质素纳米颗粒分散在聚乙烯醇水溶液中得到含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液；进一步的，增塑剂为十甘油酯；所述含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液中木质素纳米颗粒的含量为1-8wt.％。

7、(4)将原木纤维素浸入到含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液中，并反复进行多次微波处理，最后经挤压、干燥后得到目标产品，即纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜。进一步的，所述微波处理的频率为2450mhz，功率为800w；每次微波处理的时间为0.5-2min；微波处理重复的次数为10-20次；所述挤压的压力为0.4-0.6kg，时间为0.3-0.5min。

8、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

9、(1)本发明所述的高强度抗紫外线复合膜的原料为原木单板和木质素，符合绿色可持续发展的理念，原木纤维素和木质素纳米粒子，制备方法简单，且原料绿色无污染；所添加的聚乙烯醇和十聚甘油也是安全可降解材料；制备的得到的复合膜强度高、透光性好、抗紫外线能力强，安全可降解。

10、(2)本发明在薄膜中加入聚乙烯醇和十聚甘油提高了薄膜的韧性；加入适量的木质素纳米粒子保留了薄膜较好的光透过性的同时，提高了薄膜的抗紫外线能力和热稳定性；原木纤维素保留了木材原有的纤维素骨架结构，为复合膜提供高强度的机械性能，类似于钢框架，显著提高了薄膜的力学性能。

11、(3)本发明基于木质素纳米粒子、pva以及纤维素之间存在强氢键相互作用，使各组分之间具有良好的界面相容性和结合性，制备得到的复合膜具有机械强度高、柔韧、防紫外线的性能，有望成为食品包装和生物医学应用中非常有用的生物降解生物薄膜。

技术特征：

1.一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述原木单板为巴沙木单板、杨木单板、松木单板或杉木单板；所述原木单板的厚度为1～5mm。

3.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述脱木质素处理的方法为：将原木单板浸渍在ph值为4～5的naclo2水溶液中，90-100℃保温6-8h，即完成脱木质素；所述脱半纤维处理的方法为：将经过脱木质素处理的原木单板浸渍在6-10％的naoh溶液中，70-90℃保温3-5h，经洗涤后即得到原木纤维素。

4.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，制备木质素纳米颗粒的方法为：将木质素原料溶解在有机溶剂中得到木质素溶液；搅拌条件下，将木质素溶液滴加至水中，得到悬浮液；将悬浮液装入透析袋中，并将透析袋放入水中进行透析处理以除去有机溶剂，最后经干燥后即得到木质素纳米颗粒。

5.根据权利要求4所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：所述透析处理的时间为12～48h。

6.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述增塑剂为十甘油酯。

7.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液中木质素纳米颗粒的含量为1-8wt.％。

8.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述微波处理的频率为2450mhz，功率为800w；每次微波处理的时间为0.5-2min；微波处理重复的次数为10-20次。

9.根据权利要求1所述的纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述挤压的压力为0.4-0.6kg，时间为0.3-0.5min。

10.一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜，其特征在于：其是采用如权利要求1至9任一项所述的制备方法制备所得。

技术总结
本发明公开了一种纤维素/木质素基高强度抗紫外线复合膜及其制备方法，该复合膜的制备方法包括以下步骤：原木单板依次经脱木质素处理、脱半纤维处理后得到原木纤维素；制备木质素纳米颗粒；将聚乙烯醇、增塑剂加入水中溶解得到聚乙烯醇水溶液；将木质素纳米颗粒分散在聚乙烯醇水溶液中得到含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液；将原木纤维素浸入到含有木质素纳米颗粒的聚乙烯醇悬浮液中，并反复进行多次微波处理，最后经挤压、干燥后得到目标产品。本发明利用木质素纳米粒子、PVA以及纤维素之间的相互作用，制备得到的复合膜具有机械强度高、柔韧、抗紫外线能力强的性能，且安全可降解，具有很好的应用前景。

技术研发人员：周宇,蔡照胜,孙开涌,黄旭娟,闫鑫焱,谷峰,王旺霞
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12