再生纤维素基复合材料的制备及应用研究

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纤维素是自然资源中含量最丰富的天然高聚物材料之一,不仅易生物降解、可再生,而且性质稳定、性能优异,被看作是未来石油衍生材料的替代品。纤维素基膜材料强度较优,对氧气、二氧化碳和油脂也有积极的阻隔效果,但纤维素的多羟基结构导致其在高湿度条件下存在力学强度低、气体阻隔性差等固有缺陷,为了解决这一关键问题,扩大其应用范围,本文采取加入纳米填料和膜材表面疏水改性两种途径,共同作用于纤维素膜以改善其对环境湿度敏感的缺陷,并将该工艺应用于纸张涂布,以制得一种阻隔性优异、可降解的纤维素基涂布纸,最后根据纤维素基复合膜和纤维素基涂布纸的阻隔特性,研究两者对不同类型奶酪的保鲜效果。主要研究成果如下:(1)采用物理共混制备了纤维素/有机蒙脱土(RC/OMMT)复合膜,并用烷基烯酮二聚体(AKD)对复合膜表面进行疏水处理。对复合膜进行力学性能、水敏感性、热稳定性、气体阻隔性、光学性能分析以及微观结构表征,探究OMMT在纤维素基体的分散状态、OMMT添加量对复合膜综合性能的影响以及AKD对复合膜综合性能的改善效果。结果表明,3wt%OMMT时,复合膜综合性能最佳;OMMT和AKD可显著改善复合膜对水的敏感性,即便在较高湿度(75%RH)条件下,OMMT的加入仍可以提高复合膜的氧气阻隔性能;AKD疏水处理可显著增强复合膜在不同湿度下的气体阻隔性,但湿度较高(75%RH)时,复合膜的透氧系数下降并不显著。(2)用RC/OMMT成膜液对纸张进行涂布制得RC基涂布纸,并用AKD对涂布纸进一步疏水处理,研究涂布量对纸张的增强效果。结果表明,随着涂布量的增加,纸张的干湿强度、抗油性、疏水性及气体阻隔性均呈上升趋势,涂布量对纸张的抗油性能和氧气阻隔性有显著影响。涂布量仅为1.9 g/m~2时,纸张防油等级显著上升为6级,增加到5.8 g/m~2后,稳定在12级;涂布量为9.7 g/m~2时,纸张透氧系数显著降低至4.451×10-14 cm~3·cm·cm-2·s-1·Pa-1,比PE的透氧系数低1个数量级,继续增加涂布量,纸张透氧系数的数量级不变,仅发生系数变化。(3)根据RC基复合膜和涂布纸的阻隔特性,将其以不同的包装组合方式分别应用在硬质奶酪和半软质奶酪包装中,以奶酪的感官评价、p H值及过氧化值作为指标对奶酪的保鲜效果进行评估。结果表明,RC/OMMT/AKD复合材料相较于RC复合材料具有更优的保鲜效果;RC/OMMT/AKD复合膜对硬质奶酪具有15 d以上的保质期,涂布纸对半软质奶酪可实现短期(约6 d)保鲜,证实了其在奶酪包装中的应用可及性。(4)对比RC基复合膜与常见的塑料薄膜性能,结果表明,RC/OMMT/AKD复合膜具有优异的透明度、疏水性、热稳定性,其拉伸强度远优于市面上常见的包装膜材,氧气阻隔性尤为优异,可与EVOH相媲美。
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