[发明专利]一种甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合膜的制备方法，属于天然高分子领域、也属地于化学、生物工程、包装工程、新材料领域。

背景技术

甲壳素（chitin），又称为甲壳质、几丁质，是一种在自然界中储量丰富、来源广泛的生物质材料。在地球上产量最大的三大天然多糖中，甲壳素是数量仅次于纤维素而高于淀粉的第二大生物质资源，估计其每年生物合成量高达100亿吨，是一种取之不尽、用之不竭的天然可再生资源。在自然界中，纤维素主要来自植物，而甲壳素主要来自动物，它广泛存在于节肢动物（如虾、蟹，蜈蚣，蜘蛛和昆虫等）的外壳，软体动物（如牡蛎、乌贼等）的外壳和软骨，低等植物菌类、藻类的细胞和高等植物的细胞壁等中。甲壳素也是自然界中除蛋白质外产量最大的含氮天然有机化合物。地球上的岩石圈、水圈、生物圈和气圈中存在一定量的甲壳素酶、溶菌酶和壳聚糖酶等，在它们的催化水解作用下，甲壳素会被完全生物降解，参与生态系统的碳和氮循环，对地球生态与环境起重要的调控协同作用。因此，甲壳素是一种重要的绿色生物质材料，在自然界和人类活动中占有重要地位。

在生物体内，甲壳素作为一种多糖，不是以游离状态存在，而是与其他结构物质结合在一起。在真菌的细胞壁中，甲壳素是与其他多糖相连，而在动物体内，甲壳素却是通过共价和非共价的形式与蛋白质键合形成蛋白聚糖。例如，虾、蟹外壳中的甲壳素与蛋白质是通过共价形式结合的，是以蛋白聚糖的形态存在的，同时填充有碳酸钙和少量碳酸镁等其他无机盐，以及一些糖类和少量色素。因此，人们利用生物质甲壳素资源制备甲壳素纳米纤维时，一般首先采用化学方法处理，用稀酸稀碱溶液和酒精将其中的矿物质、蛋白质和色素等脱除，提纯得到纯甲壳素，然后采用物理方法处理纯甲壳素，破碎分离得到甲壳素纳米纤维。目前，物理方法主要包括研磨法、超声法、高速搅拌法、高压均质法和静电纺丝法。

聚乳酸（polylactide，缩写为PLA）又称为聚丙交酯，是以微生物发酵产物乳酸为原料，在一定条件下经化学反应聚合而成的一类高分子聚合物。其中，作为聚乳酸单体的乳酸主要由自然界的谷物或植物秸秆等生物质资源发酵得到，原料储量丰富、来源充分、可再生。此外，聚乳酸的生产过程清洁无污染，产品可以被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢，最终分解为水和二氧化碳，实现在自然界中的循环，对环境不造成任何污染。因此，聚乳酸被认为是一种理想的绿色高分子材料。

在聚乳酸改性所使用的增强材料中，甲壳素纳米纤维是一种纳米级的纤维材料，具有高强度、高弹性模量和高轴向刚度，并且具有的纳米尺度、高比表面积、高长径比使其在聚乳酸基体材料中分散均匀、形成网状结构，比一般的纤维、纳米颗粒具有更加优异的增强增韧效果，能够大幅度改善聚乳酸的韧性、增强机械强度、提高耐热性、降低热膨胀系数。同时，甲壳素纳米纤维的表面含有大量羟基，可以增加甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合材料中亲水基团的比例，改善聚乳酸的疏水性。

发明内容

本发明提出一种甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合膜的制备方法，选用甲壳素纳米纤维作为增强材料对聚乳酸进行改性。

本发明的技术解决方案：一种甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合膜的制备方法,其特征是该方法包括化学处理和机械处理两个阶段，其中化学处理阶段分1）利用稀盐酸溶液处理原料，去除其中的无机盐；2）利用稀氢氧化钠溶液处理彻底去除蛋白质；3）利用无水乙醇或双氧水处理去除色素，提纯得到纯甲壳素粉末；

物理处理阶段分1）采用研磨法、超声法和高压均质法依次对纯甲壳素粉末进行破碎、开纤，从而分离得到具有纳米尺度、高长径比、高比表面积的甲壳素纳米纤维；2）将甲壳素纳米纤维制备成薄膜；3）将甲壳素纳米纤维与聚乳酸制备成光学透明复合膜材料。

本发明的优点：甲壳素纳米纤维作为增强材料与聚乳酸复合不仅开发利用了甲壳素，而且在无损于聚乳酸生物相容性的基础上，改善了聚乳酸性能，制备出高强度、高柔韧性、耐高温且环境友好的甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合材料。甲壳素纳米纤维和聚乳酸都是生物质材料，具有相似性能。复合制备的甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合材料属于全生物降解高分子体系，其原料丰富、可再生、可循环、可生物降解，具有优异的生物相容性、无毒安全性、抗菌性等特性，是一种新型绿色功能材料。

具体实施方式

一种甲壳素纳米纤维/聚乳酸复合膜的制备方法,其特征是该方法包括化学处理和机械处理两个阶段，其中化学处理阶段分1）利用稀盐酸溶液处理原料，去除其中的无机盐；2）利用稀氢氧化钠溶液处理彻底去除蛋白质；3）利用无水乙醇或双氧水处理去除色素；4）提纯得到纯甲壳素粉末。