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廣西大學(xué)林寶鳳教授團(tuán)隊(duì):非熱塑加工新策略 - 按需定制多糖基3D包裝膜
2025-03-27  來(lái)源:高分子科技

  由于不可降解的塑料帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題的日益突出,迫切需尋求一種可降解材料用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料包裝材料。纖維素、淀粉和殼聚糖等天然多糖具有原料來(lái)源廣泛、可降解和可再生等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是石油基塑料的理想替代品。然而,由于多糖分子鏈上大量羥基等活性基團(tuán)存在的緣故,分子內(nèi)和分子間的氫鍵相互作用較強(qiáng)導(dǎo)致其熱塑性較差,難以通過(guò)常見(jiàn)的熱加工成型的方式制備具有3D形貌的包裝材料。盡管近年來(lái)很多研究者試圖通過(guò)物理或化學(xué)方法去改變多糖材料的熱塑性,但在工藝、成本和性能上仍無(wú)法滿足多糖包裝材料的規(guī)模化生產(chǎn)。因此,開(kāi)發(fā)一種用于制備多糖基3D包裝膜的新型加工方法對(duì)天然多糖可降解材料替代傳統(tǒng)石油基塑料,實(shí)現(xiàn)天然高分子材料的廣泛應(yīng)用具有重要的意義。


  近日,廣西大學(xué)林寶鳳教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種多糖基材料的非熱塑加工成型新策略。基于Zn2+與羧甲基殼聚糖(CMCS)之間強(qiáng)的配位交聯(lián),使其快速?gòu)牧鲃?dòng)的溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變到凝膠膜狀態(tài)。在成膜液引入可降解的聚乙烯醇作為力學(xué)性能增強(qiáng)材料,使其在制定的3D膜模具表面與Zn2+快速交聯(lián)成型,從而得到契合模具外形的3D膜,該方法被命名為反向模具交聯(lián)法。研究結(jié)果表明,所制備的CMCS/PVA/Zn 3D膜具有較好的力學(xué)性能、柔韌性和透明度等,符合包裝材料的使用要求,特別是該方法是一種通用的多糖基3D膜加工成型方法,通過(guò)調(diào)整3D模具的形狀和大小,能夠制備出不同形狀和大小的3D多糖包裝膜。更重要的是,通過(guò)在成膜液中加入具有抗菌、抗氧化和pH響應(yīng)的功能添加劑,分別能制備得到一系列的具有抗菌、抗氧化和智能響應(yīng)等3D多糖功能膜,易于實(shí)現(xiàn)多糖基3D膜的按需定制。這種在室溫下對(duì)多糖材料實(shí)現(xiàn)3D成型加工的新方法,比傳統(tǒng)熱成型加工更節(jié)能,規(guī)避多糖基材料熱塑性差的短板。因此,這種反向模具交聯(lián)新策略為開(kāi)發(fā)材料的新型加工技術(shù)提供參考,具有潛在應(yīng)用價(jià)值。


  該工作以Non thermoplastic 3D molding based on coordination crosslinking for on-demand customization carboxymethyl chitosan-based packaging bags為題發(fā)表于《Food Packaging and Shelf Life》。論文的通訊作者為廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院林寶鳳教授,第一作者為2021級(jí)博士研究生鄧永福。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(22175045)和廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2021GXNSFDA220005)的資助。


1.a)反向模具交聯(lián)法制備CMCS/PVA/Zn 3D膜的策略示意圖,(bCMCS/PVA/Zn 3D膜,(c)分別用CMCS、SACMC作為多糖基材制備的3D膜,(d)分別用Zn2+Cu2+Fe3+作為交聯(lián)劑制備的3D膜。


2.aCMCS/PVACMCS/PVA/Zn膜的TGDTG曲線,(b)樣品的FTIR譜圖,(c)樣品的XPS譜圖,(dZn 2p高分辨譜圖,(eC1s、(fN1s高分辨譜圖,(gCMCS、PVAZn2+的交聯(lián)示意圖。


3.aCMCS/PVACMCS/PVA/Zn膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,(b)樣品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,(cCMCS/PVA和 CMCS/PVA/Zn膜的楊氏模量,(dCMCS/PVA/Zn 3D膜的承重實(shí)驗(yàn),(eCMCS/PVA/Zn 3D膜在不同濕度環(huán)境中的裝載承重實(shí)驗(yàn),(fCMCS/PVA/Zn 3D膜在不同溫度環(huán)境中的裝載承重實(shí)驗(yàn),(g3D膜的柔性。


圖4. (a)不同形狀的CMCS/PVA/Zn 3D膜,(b)不同尺寸的CMCS/PVA/Zn 3D膜,(c)不同顏色的CMCS/PVA/Zn 3D膜,(dCMCS/PVA/Curcumin/Zn 3D 膜,(e)不同濃度的CMCS/PVA/Zn 3D膜和CMCS/PVA/Curcumin/Zn 3D膜浸泡在DPPH溶液中的顏色變化,(fDPPH自由基清除活性,(gCMCS/PVA/Cinnamaldehyde/Zn 3D膜,(h)樣品(iCMCS/PVA/Zn,iiCMCS/PVA/Cinnamaldehyde/Zn)對(duì)E. coli S. aureus的抑菌圈,(j)抑菌圈半徑,(kCMCS/PVA/Anthocyanin/Zn 3D膜,(l)在不同拍pHCMCS/PVA/Anthocyanin/Zn的顏色,(m)按需定制CMCS/PVA/Zn 3D膜的方案。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214289425000420

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