一种高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜的制备方法

本发明属于新型高韧性羧甲基纤维素基食品包装薄膜材料的制备，具体涉及一种高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜的制备方法。

背景技术：

1、随着社会经济的快速发展，大量石油基塑料应用于日常生活中，产生了大量的白色污染，因此开发环保、无污染、可持续发展的可生物降解塑料至关重要。在可生物降解环保材料中，羧甲基纤维素基(cmc)复合薄膜因其低成本、可再生、可用性广、可生物降解等优点显示出巨大的应用潜力。

2、研究证明通过添加纳米填料或金属交联等方式可以大幅度提高cmc基薄膜机械强度，但对应的断裂伸长率很低，往往不超过10％，限制了高强度cmc基薄膜的实际应用。聚乙烯醇(pva)具有良好的机械性能、平面锯齿形结构和半结晶性质，生产过程不依赖石油，常被用于和其它机械性能较差的材料共混，极大改善了薄膜的机械性能。此外，蒙脱土(mmt)的片层结构赋予其大比表面积和优异的离子交换能力，因此常用于增强cmc基薄膜的抗拉强度。然而，原始的mmt颗粒往往存在团聚现象，限制了其纳米效应的发挥。

3、瓜儿豆胶(gg)和cmc结构类似，常被用作cmc的共混材料。蒙脱土(mmt)是最常用的层状硅酸盐，可通过在cmc基体中形成插层提高cmc基薄膜的致密度，从而提高cmc基薄膜的抗拉强度。

4、为了平衡cmc基薄膜高抗拉强度和低断裂伸长率，本发明通过调控增强材料mmt的粒径和引入柔性高分子聚合物pva增强cmc基薄膜断裂伸长率，同时保证抗拉强度不受大幅度损失，从而提高cmc复合薄膜整体的韧性。其中，均质化处理可以减小mmt粒径范围，增强mmt在薄膜基质中的分散性，提高复合薄膜致密度，从而提高薄膜抗拉强度和断裂伸长率。柔性高分子pva可以与薄膜多种基质产生氢键交联，薄膜的应力得到了有效的传递，同时引起裂纹偏转，达到消耗能量的目的，同时提升cmc基薄膜的断裂伸长率和韧性。因此，该高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜材料在可降解食品包装领域具有潜在应用前景，可有效减少包装废弃物对环境的压力，并替代传统石油基食品包装薄膜，进一步推动环保和可持续发展目标的实现。目前尚没有该方面的相关报道。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜的制备方法，该方法利用羧甲基纤维素、瓜儿豆胶、聚乙烯醇作为薄膜的基底材料，利用cacl2作薄膜交联剂，再加入均质化处理的蒙脱土和深共晶溶剂分别作增强剂和增塑剂，最终制得高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜。本发明制备的高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜既具有高抗拉强度又保持了良好的断裂伸长率。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜的制备方法，其特征在于具体过程为：

3、步骤s1：将羧甲基纤维素分散于去离子水中并搅拌混合均匀得到物料a；

4、步骤s2：将瓜儿豆胶分散于去离子水中并搅拌混合均匀得到物料b；

5、步骤s3：将蒙脱土分散于去离子水中并以600-1000r/min的搅拌速率搅拌2h-14d，再将蒙脱土悬浮液经过离心超声后真空冷冻干燥得到物料c；

6、步骤s4：将步骤s3得到的物料c分散于步骤s2得到的物料b中并搅拌混合均匀得到物料d；

7、步骤s5：于100℃将聚乙烯醇分散于去离子水中并搅拌混合均匀得到物料e；

8、步骤s6：于100℃将甜菜碱、乳酸和尿素搅拌混合均匀得到深共晶溶剂即物料f；

9、步骤s7：将步骤s4得到的物料d、步骤s5得到的物料e、步骤s6得到的物料f和步骤s1得到的物料a搅拌混合均匀得到物料g；

10、步骤s8：将步骤s7得到的物料g涂覆在聚四氟乙烯板上并于室温干燥得到物料h；

11、步骤s9：将cacl2溶解在去离子水中并搅拌混合均匀得到cacl2溶液即物料i；

12、步骤s10：用步骤s9得到的物料i浸泡步骤s8得到的物料h，再用去离子水洗涤，然后于室温干燥得到目标产物高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜。

13、进一步优选，步骤s1中所述物料a中羧甲基纤维素的浓度为0.025g/ml。

14、进一步优选，步骤s2中所述物料b中瓜儿豆胶的浓度为2.5mg/ml。

15、进一步优选，步骤s3中所述蒙脱土为钙基蒙脱土和钠基蒙脱土，搅拌时间为14d。

16、进一步优选，步骤s4中所述物料d中蒙脱土的浓度为2.5mg/ml。

17、进一步优选，步骤s5中所述物料e中聚乙烯醇的浓度为0.0375-0.0875g/ml。

18、进一步优选，步骤s6中所述深共晶溶剂中甜菜碱、乳酸和尿素的摩尔比为1:2:1。

19、进一步优选，步骤s9中所述物料i中cacl2的浓度为0.15g/ml。

20、本发明所述的高强度羧甲基纤维素基薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

21、步骤s1：将2g羧甲基纤维素分散于80ml去离子水中，以600r/min的搅拌速率搅拌混合均匀得到物料a；

22、步骤s2：将0.2g瓜儿豆胶分散于20ml去离子水中，以600r/min的搅拌速率搅拌混合均匀得到物料b；

23、步骤s3：将钙基蒙脱土或钠基蒙脱土分散于去离子水中，以800r/min的搅拌速率搅拌7d后，再将蒙脱土悬浮液经过离心超声3次后真空冷冻干燥得到物料c；

24、步骤s4：将0.12g步骤s3得到的物料c分散于步骤s2得到的物料b中，以600r/min的搅拌速率搅拌2h得到物料d；

25、步骤s5：于100℃将1.5-3.5g聚乙烯醇分散于40ml去离子水中，以600r/min的搅拌速率搅拌2h得到物料e；

26、步骤s6：于100℃将0.43g甜菜碱、0.36g乳酸和0.21g尿素混合，以600r/min的搅拌速率混合2h后得到深共晶溶剂即物料f；

27、步骤s7：将步骤s4得到的物料d、步骤s5得到的物料e、步骤s6得到的物料f和步骤s1得到的物料a混合，以600r/min的搅拌速率搅拌4h得到物料g；

28、步骤s8：将步骤s7得到的物料g涂覆在聚四氟乙烯板上并于室温干燥得到物料h；

29、步骤s9：将cacl2溶解在去离子水中，以600r/min的搅拌速率搅拌10min配制成0.15g/ml的cacl2溶液即物料i；

30、步骤s10：用步骤s9得到的物料i浸泡步骤s8得到的物料h，5min后用去离子水洗涤，再于室温干燥得到目标产物高韧性羧甲基纤维素基复合薄膜，该薄膜既具有高抗拉强度又保持了良好的断裂伸长率。

31、本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

32、1、本发明选用绿色、无毒无害、来源广泛的可降解原材料，能够降低可生物降解材料的制备成本；

33、2、本发明以羧甲基纤维素、瓜儿豆胶、聚乙烯醇为基底，均质化处理蒙脱土为增强剂，甜菜碱基深共晶溶剂为增塑剂，cacl2为交联剂，可以显著提高样品的韧性，其抗拉强度可以达到155mpa，断裂伸长率可以达到101％；

34、3、本发明制备的羧甲基纤维素薄膜机械性能优异，抗拉强度和断裂伸长率性能已超过同类型羧甲基纤维素基薄膜和传统石油基薄膜。