一种具有三级粗糙结构的PVA/PDMS抗菌疏水膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种由静电纺丝/静电喷雾复合工艺制备的具有疏水、抗菌、防腐、可降解等多项性能复合的PVA/PDMS纳米功能膜。通过“纤维

【技术实现步骤摘要】
一种具有三级粗糙结构的PVA/PDMS抗菌疏水膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种纳米复合功能性包装膜以及其制备方法，构造出一种具有三级粗糙结构的疏水模型，使大多数醇类亲水材料由此方法改良吸水溶解失效等现象。特别提供一种简易且廉价的可负载纳米颗粒实现功能型的多孔结构制备方法。
技术背景
[0002]细菌感染在全球范围内一直都是人类健康的隐患与威胁。根据世界卫生组织(WHO)的数据，在过去15年里，在低收入国家细菌感染导致的死亡率一直居于首位。在细菌感染分类中，食源性细菌感染尤为重要，其是指有毒有害物质(包括生物性病原体)通过食物途径进入人体所造成的疾病。同时，由于食品被细菌感染造成了大量的腐坏浪费。比如夏季果蔬食品类由于高温细菌滋生而容易腐烂，含营养成分较多的鱼肉蛋白食品容易被氧化变质，水果罐头只能通过加入防腐剂来延长其保质期。这不仅弱化了食品本身的风味，也无法满足人们对食品日益增长的质量标准和健康要求。普通研制的抗菌或抗氧化包装材料功能比较单一，且效果不佳，譬如易吸潮、不耐酸耐碱等。因此制备可适用于多级环境下并实现长效缓释效果的纳米包装膜是当务之急。大多数细菌的尺寸为2
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6um之间，而本专利技术专利纺制的纳米纤维由于其纳米级直径以及孔隙可以对大多数细菌进行物理性过滤，相较普通膜有效减少细菌侵入膜内，发挥初步阻隔作用。其次，通过静纺法复合添加纳米级颗粒以及低表面能物质PDMS构造较低表面能的多级粗糙表面，提高材料表面的接触角达到疏水性薄膜。因此，通过静电纺丝/喷雾法可有效对亲水材料进行疏水改性。
[0003]以聚乙烯醇为例的醇类物质具有较好的自降解性以及分散性，将其制备为纳米纤维作为包装膜的基底材料，可以均匀负载活性纳米颗粒进行功能膜的复合。但由于PVA分子式内含有大量羟基，导致其极易吸水潮解失效。故在纤维表面构造三级粗糙结构可有效改善其吸水性。基于Cassie
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Baxte模型中的疏水理论，假如此种材料表面的粗糙度达到了一定的程度，当有液滴在其表面滴落时，材料表面有许多凹凸不平的沟槽堆积了许多空气，由此产生可以阻止水分进入材料表面的“空气垫”。本专利技术设计在醇类材料表面构造具有多级凹凸不平的“空气垫”，将“纤维
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微球
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多孔结构”复合重组，以结构改性为主要方法对聚乙烯醇亲水材料进行疏水改性。而三级粗糙疏水结构的建立不仅可防止水溶液的浸入，也可有效阻挡细菌以及粉尘等污染物的粘连及渗入。
[0004]随着时代的发展，由于包装失效产生的废弃物造成的环境污染以及食品质量安全问题等原因，具有多性能性的安全绿色包装受到研究者的极大关注。消费者对产品的质量安全要求也越来越高，因此包装对产品的阻隔保护性、材料无害性、抗菌保鲜性、耐蚀机械力学性等多性能复合的要求也愈来愈强。因此未来包装材料的发展应当与时俱进，充分利用多工艺交叉复合以及结构改性等带来的技术革新，实现包装的多性能协同化；同时充分利用我国的生物资源，解决食品安全问题的同时提倡可持续发展，并致力于工艺技术的提高。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提供一种醇类亲水材料通过构造三级粗糙结构对其进行疏水改性,通过在PVA表面交联低表面能物质PDMS减少膜内羟基含量并降低复合膜表面能；此外，在PDMS内介入纳米TiO2颗粒构造微球表面的凸起多孔结构，负载于PVA纳米纤维内的纳米银颗粒通过表面多孔结构进行抗菌缓释，实现疏水
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抗菌
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耐久
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可降解包装材料的制备。
[0006]一种具有三级粗糙结构的PVA/PDMS抗菌疏水膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)静电纺丝基体纤维溶液的配制：分别用电子天平称取适量PVA粉末置于去离子水中配置浓度为5％、8％、10％、12％的溶液，再分别加入3％纳米银颗粒进行混合，由于PVA不易溶于常温水溶液，故将其放置于保持80℃恒温的磁力搅拌器进行加热搅拌，10h后静置为澄清的PVA/Ag纺丝溶液。
[0008](2)静电喷雾PDMS/TiO2液的配制:将质量比为1:2的正己烷和无水乙醇作为溶剂进行混合并置于磁力搅拌器充分搅拌，30分钟后将质量分数为10％PDMS液体溶解于溶剂中，并分别称取质量分数为0％、3％、5％、8％的TiO2粉末分别通过磁力搅拌器在40℃恒温下搅拌10h,完成10％PDMS/1％～8％TiO2复合液的配制。
[0009](3)静电纺丝制备纳米纤维：将配置好的PVA溶液装入10mL的塑料注射器中，并放在静电纺丝装置中，为纺丝做准备。将铝箔作为固定在滚筒上作为收集板，调节工艺参数开始纺丝，2h后纺丝结束，将PVA纤维膜置于室温环境下干燥10h。
[0010](4)静电喷雾复合工艺：同样的方法将PDMS/TiO2液置于注射器中，调节各项参数,将其在纺制出的PVA/Ag膜层表面交联喷覆2h，结束后将复合膜揭下进行后处理。该复合膜通过复合工艺构造纤维
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微球复合结构，由于加入了纳米TiO2颗粒，故在微球表面有大量粗糙多孔结构，制备出具有三级粗糙结构的疏水膜。
[0011](如图1)
[0012](5)烘干处理：为使膜内溶剂挥发完全，置于烘干箱中进行80℃恒温加热，将膜内未挥发完全的去离子水、无水乙醇、正己烷挥发彻底，防止膜内由于羟基遇水后发生二次结构变化。整体工艺图(如图2)。
[0013](6)优选后，步骤1中PVA最佳浓度为8％；
[0014](7)优选后，步骤2中TiO2最佳添加量为3％；
[0015](8)优选后，步骤3中纺制PVA/Ag纳米纤维的工艺参数为：电压18KV,接收距离为15cm，推胶速率0.3ml/h，转速为600r/min。
[0016](9)优选后，步骤4中静电喷雾PDMS/TiO2的工艺参数为：电压23KV,接收距离为15cm，推胶速率3.0ml/h，转速为500r/min。
[0017](10)优选后，步骤5中烘干时间为1.5h。
[0018]相较于已有技术，该方法简单可行，成本较低，由“纤维
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微球
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多孔结构”制备的三级粗糙结构可由微球尺寸、孔隙率、膜层厚度等调控疏水性及纳米颗粒析出率，(如图3)实现抗菌缓释性能的自调控。
[0019]本专利技术提供的制备方法中，由于PVA分散性极佳，可防止纳米颗粒的团聚现象，(如图4)可实现纳米银抗菌性能的均匀性。,由三级粗糙结构制备出疏水稳定性复合膜，(如图5)并由其表面多孔结构析出达到长效抗菌的特点(如图6)。而PVA自身优良的可降解性以及无毒性对环境较为友好，减少了对生态环境的威胁，响应了全面加强生态环境保护的号召，
打好污染防治攻坚战，提升生态文明,对于未来食品及药物的多性能复合包装领域具有不可小觑的发展前景.
附图说明
[0020]图1为三级粗糙结构模型；
[0021]图2为静电纺丝/喷雾复合工艺制备膜流程；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三级粗糙结构的PVA/PDMS抗菌疏水膜的制备方法，其特征在于，该复合膜由“纳米纤维
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微球
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多孔结构”复合建立了三级粗糙疏水结构，通过结构调控使PVA接触角由33.8
°
增长至152.8
°
、PVA内负载的纳米银由膜表面多孔结构缓释，耐久性提高，复合膜对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌抑菌率达98％。2.一种根据权利要求1所述具有三级粗糙结构的PVA/PDMS抗菌疏水膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)静电纺丝基体纤维PVA溶液的配制：分别用电子天平称取适量PVA粉末置于去离子水中配置浓度为5％、8％、10％、12％的溶液，再分别加入3％纳米银颗粒进行混合，由于PVA不易溶于常温水溶液，故将其放置于保持80℃恒温的磁力搅拌器进行加热搅拌，10h后静置为澄清的PVA/Ag纺丝溶液；(2)静电喷雾PDMS/TiO2液的配制:将质量比为1:2的正己烷和无水乙醇作为溶剂进行混合并置于磁力搅拌器充分搅拌，30分钟后将质量分数为10％PDMS胶状体溶解于溶剂中，并分别称取质量分数为0％、3％、5％、8％的TiO2粉末分别通过磁力搅拌器在40℃恒温下搅拌10h,完成10％PDMS/1％～8％TiO2复合液的配制；(3)静电纺丝制备纳米纤维：将配置好的PVA溶液装入10mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿，李新梅，布热比耶，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：