抑菌剂淀粉-ZnO纳米粒子与淀粉基抑菌膜的制备工艺研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hdw1978
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淀粉膜是一种可降解、可再生、经济环保的膜材料,但其机械性能和阻隔性能较差。添加氧化锌(ZnO)纳米粒子可解决上述问题,且赋予淀粉膜抑菌性能。然而,ZnO纳米粒子具有极高的反应活性,与淀粉膜的相容性较差、易聚集,导致ZnO纳米粒子改善淀粉膜的效果降低甚至丧失。研究表明,在ZnO纳米粒子的制备体系中加入多糖可有效阻止ZnO纳米粒子聚集。其中,淀粉的分散、稳定效果最佳,这可能是因为淀粉的螺旋空腔结构可包裹ZnO纳米粒子,从而进一步限制ZnO纳米粒子的聚集。此外,支链淀粉侧链链长短于直链淀粉的链长,且支链淀粉含有多分支结构,对螺旋空腔结构的形成具有阻碍作用。故而,直链淀粉与客体分子的络合能力强于支链淀粉。由此推测,淀粉中直链淀粉含量越高,其对ZnO纳米粒子的分散、稳定效果越强。因此,本论文以不同直链淀粉含量的淀粉为稳定剂制备抑菌剂ZnO纳米粒子,研究淀粉的直链淀粉含量对ZnO纳米粒子结构与性质的影响;并将得到的ZnO纳米粒子用于淀粉膜的制备,探究由不同直链淀粉含量淀粉稳定的ZnO纳米粒子对淀粉膜性质的影响,获得效果最佳的ZnO纳米粒子类型;最后,对其添加量进行优化。主要研究内容和结果如下。(1)以醋酸锌为前体物质、氢氧化钠为沉淀剂、不同直链淀粉含量的淀粉为稳定剂,通过化学沉淀法制备抑菌剂——ZnO纳米粒子。扫描电镜分析表明,ZnO粒子均为六方纤锌矿晶体结构,且稳定剂即淀粉的最佳添加量为2.0%。X-射线衍射分析表明,在添加或不添加淀粉的制备体系中均制备出ZnO粒子。透射电镜分析表明在制备ZnO纳米粒子的体系中添加淀粉时,制得的ZnO粒子被淀粉所包覆,这表明淀粉可与ZnO纳米粒子形成淀粉-ZnO杂化纳米粒子。然而,蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子周围散落着大量的淀粉颗粒。此外,纯ZnO纳米粒子、高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子、普通玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子和蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子的平均粒径分别为204.0 nm、7.7 nm、34.6nm和148.3 nm。这证明直链淀粉含量高的淀粉分散、稳定ZnO纳米粒子的能力更强。热重分析表明高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子、普通玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子、蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子中淀粉含量分别为19.1%、12.4%、28.9%,结合透射电镜结果,在蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子周围出现了一些淀粉颗粒,这可能是蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子中淀粉含量最高的原因。此外,高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子具有最强的结晶度、紫外吸收能力和抑菌能力。综上所述,高直链玉米淀粉分散、稳定ZnO纳米粒子的能力最强。(2)研究了(1)中制备的四种ZnO纳米粒子对淀粉膜机械性能、阻隔性能、抑菌能力和微观形貌的影响。首先,确定了淀粉膜的基本配方为3.0%淀粉、0.3%柠檬酸、1.0%甘油。此外,发现添加纯ZnO纳米粒子、高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子、普通玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子和蜡质玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子均可显著增强淀粉膜的机械性能、阻隔性能和抑菌性能。其中,高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子的添加对淀粉膜性能的改善效果最佳。当添加高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子后,淀粉膜的抗拉强度由0.86 MPa增强至14.01 MPa,水蒸气透过率由15.48×10-11 gm-1s-1Pa-1降低至8.63×10-11 gm-1s-1Pa-1,抑菌性能也得到显著提高。另一方面,扫描电镜结果表明四种ZnO纳米粒子与淀粉膜相容性良好,其中,高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子与淀粉膜相容性最佳。(3)以淀粉膜的机械性能、阻隔性能和抑菌性能为指标,对高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子的添加量进行优化,发现高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子的最适添加量为10.0%。这可能是因为当粒子添加量不超过10.0%时,高直链玉米淀粉-ZnO杂化纳米粒子与淀粉膜的相容性良好;而当粒子添加量超过10.0%时,粒子发生聚集,淀粉膜表面出现了大量颗粒。
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