壳聚糖/功能化氧化石墨烯复合膜的制备及其性能研究
发布时间：2022-01-19 20:53
随着人们对环境资源的日益重视以及对食品质量安全要求的提高,利用天然高分子制成可降解的绿色功能型食品包装材料越来越受到广泛的关注。壳聚糖（Chitosan,CS）是一种生物相容性好、可再生、资源丰富的天然多糖类生物大分子,具有优良的抗菌、成膜性,是理想的食品包装用生物质材料之一,但较差的机械力学性能以及阻隔性能,较窄的抗菌谱限制了其在食品包装领域中的应用。因此,本研究拟通过一种天然抗菌物质迷迭香酸（Rosmarinic acid,RA）对石墨烯的衍生物氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）进行功能化改性,合成一种兼具优异的增强性能和抗菌性能的双功能碳基助剂氧化石墨烯/迷迭香酸（GO-RA）,并以此与壳聚糖共混复合制备出高强度、高阻隔、高抗菌性能的壳聚糖基食品包装材料。具体研究如下:（1）以天然抗菌物质RA对GO进行功能化改性制备出了GO-RA复合材料,采用FTIR、UV-Vis、XRD、TG、SEM和TEM等对其进行表征。结果表明,RA接枝在GO片层上能够进一步削弱其层间的范德华力,使其层间距增加,这有利于阻止GO的团聚现象,增加其分散稳定性;GO-RA与GO相比热稳定性有所降...
【文章来源】：福建农林大学福建省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
壳聚糖结构式[15]
第一章绪论61.3石墨烯类材料概述石墨烯类材料（GMs）包括石墨烯，氧化石墨烯、还原氧化石墨烯[41]。石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp2方式杂化紧密排列,形成六角型蜂窝状单层二维平面结构，是由英国Manchester大学的两位科学家Geim和Novoselov于2004年成功地从石墨中剥离而来[42]。石墨烯是目前发现的最薄的二维材料，其单层层厚约为0.3354nm，是构筑富勒烯（零维结构）、碳纳米管（一维结构）和石墨（三维结构）等碳材料的基本单元。石墨烯原子间的作用力很强,每个碳原子分别与周围最邻近的其他3个碳原子形成σ键，π电子与其它碳原子的π电子形成大π键，这种特殊的结构使得石墨烯具有许多优异的理化学性质，例如髙导电性、高热传导率、高透明度、优异的力学性能、高硬度以及大的比表面积和稳定的化学性能等[43]，正是因为这些优异的特质吸引了研究者们的广泛关注。理论上石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维片层结构,但是在实际研究及应用中,绝对单层的石墨烯很难制备与保存，此外石墨烯结构表面没有亲水基团,难以溶解在水中,而且由于石墨烯片层之间存在范德华力和π-π堆积作用很容易团聚[44],这些缺点严重地限制了它在各个领域中的应用。图1-2石墨烯构筑成富勒稀，碳纳米管和石墨的示意图[45]Fig.1-2Schematicdiagramofgraphenebuildingintofullerene,carbonnanotubesandgraphite1.3.1氧化石墨烯结构与性质石墨烯由于其易团聚和憎水性的缺点，不利于后续加工以及与其它材料的相互作用，因此，在它的应用过程会利用其氧化形态，即我们所熟知的氧化石墨烯。氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）是石墨稀的一种衍生物，其结构与石墨烯基本相同，不同的是GO在二维片状基面的表面和边缘引进了大量的含
壳聚糖/功能化氧化石墨烯复合膜的制备及其性能研究7氧基团如羟基（-OH）、环氧基（-C(O)C-）、羧基（-COOH）以及羰基（-C=O）等，这些含氧基团使得石墨烯层间的大π键遭到破坏，但同时层间的范德华力也因此而得到削弱，团聚现象得到了减轻，从而表现出与石墨烯完全不同的性质[46,47]。含氧基团破坏了大π键，虽然使得GO几乎完全丧失了导电能力，但是这些含氧基团使得GO具有很强的亲水性，弥补了石墨烯憎水性的缺陷；而且这些含氧基团是良好的反应活性位点，可以通过非共价键、共价键的方式与其他的小分子、大分子、离子以及聚合物等发生相互作用[48]；另外氧化石墨烯还具有良好的抗菌活性，并且在一定浓度范围内对哺乳动物细胞表现出无明显的毒性，具有良好的生物相容性[49]，这些优异的性质使得GO在生物医学、环境保护、包装材料等[50-52]各个领域中被广泛地应用。图1-3氧化石墨烯结构示意图[53]Fig.1-3SchematicdiagramofGOstructure1.3.2氧化石墨烯的制备方法氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得，传统的制备方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hofmann法和Hummers法[46]。目前氧化石墨烯的制备工艺相对成熟，其中改进的Hummers法[54]采用浓硫酸和磷酸混合后加入高锰酸钾、石墨粉进行分步氧化反应，得到的氧化石墨经超声波振荡剥离，可以在水中均匀分散形成单层的氧化石墨烯水溶液，它的制备过程较为简单安全，氧化效果好，结构缺陷少，是最常用的一种方法。1.3.3氧化石墨烯的抗菌机理氧化石墨烯是一种新型的绿色广谱抗菌材料，具有无细菌耐药性的特点。关于其抗菌机理现在还处于探索阶段，一般认为有以下三个理论[55-58]：机械破
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物降解食品包装材料简述[J]. 杨阳,王海鹏. 食品安全导刊. 2019(33)
[2]我国绿色包装材料的现状与发展[J]. 李瑞娟. 信息记录材料. 2019(11)
[3]Structure and synthesis of graphene oxide[J]. Ling Sun. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(10)
[4]Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites[J]. ANDrew T.Smith,Anna Marie La Chance,Songshan Zeng,Bin Liu,Luyi Sun. Nano Materials Science. 2019(01)
[5]壳聚糖在食品领域的应用研究进展[J]. 詹心瑜,马艺超,高彦祥. 中国食品添加剂. 2018(12)
[6]壳聚糖在食品工业中的应用[J]. 毕继才,姜宗伯,张亚征,梁壮壮,江海洋. 河南科技学院学报(自然科学版). 2018(05)
[7]壳聚糖/绿球藻多糖复合膜的制备及性能研究[J]. 孙彦峰,罗爱国,冯佳,吕俊平,刘琪,南芳茹,谢树莲. 食品与发酵工业. 2019(05)
[8]壳聚糖食品包装膜研究进展[J]. 王子璇,谢晶,薛斌,邵则淮,甘建红,孙涛. 食品工业科技. 2019(06)
[9]壳聚糖的抗菌能力研究进展[J]. 付俊锋,毛国梁. 化工科技. 2018(04)
[10]氧化石墨烯复合材料在包装领域应用的研究进展[J]. 孙玮婧,徐淑艳,田雯雯,谢静怡,武亚敏. 包装工程. 2018(11)
博士论文
[1]石墨烯基纳米复合材料的合成与抗菌性能研究[D]. 赵荣涛.中国人民解放军军事医学科学院 2017
[2]氧化石墨烯复合材料的制备及其吸附与抗菌性能研究[D]. 李平.吉林大学 2017
[3]明胶—壳聚糖基可生物降解膜的制备、结构与性能研究[D]. 宋慧君.郑州大学 2015
[4]大豆分离蛋白抑菌膜性能评价及抑菌剂释放研究[D]. 陈默.江南大学 2010
硕士论文
[1]米渣蛋白膜的制备及其性能表征[D]. 沈凯青.福建农林大学 2018
[2]氧化石墨烯/甜菜碱纳米复合材料的制备及性质的研究[D]. 苏迪.哈尔滨工业大学 2017
[3]壳聚糖/淡竹叶提取物复合膜的性能及其在油炸胖头鱼贮藏中的应用研究[D]. 王健.吉林农业大学 2017
[4]鲢鱼皮明胶性质分析、改性及可食性明胶复合膜的制备[D]. 李越.华中农业大学 2016
[5]氧化石墨烯复合材料对病原菌的抗菌效应研究[D]. 孙龙.华中农业大学 2016
[6]肉桂醛/壳聚糖抗菌膜的性能及其在生鲜猪肉保鲜中的应用[D]. 曾少甫.暨南大学 2016
[7]氧化石墨烯及其二氧化硅负载药物增强抗耐药细菌活性及其机理研究[D]. 陈旭.暨南大学 2016
[8]壳聚糖基复合膜的制备、性能及应用[D]. 王亚珍.上海海洋大学 2015
[9]木薯淀粉/聚乙烯醇/壳聚糖生物降解薄膜制备及性能研究[D]. 安永超.河北农业大学 2015
[10]氧化石墨烯基磁性荧光多功能复合纳米材料的研究[D]. 黄磊.重庆理工大学 2015
本文编号：3597544
【文章来源】：福建农林大学福建省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
壳聚糖结构式[15]
第一章绪论61.3石墨烯类材料概述石墨烯类材料（GMs）包括石墨烯，氧化石墨烯、还原氧化石墨烯[41]。石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp2方式杂化紧密排列,形成六角型蜂窝状单层二维平面结构，是由英国Manchester大学的两位科学家Geim和Novoselov于2004年成功地从石墨中剥离而来[42]。石墨烯是目前发现的最薄的二维材料，其单层层厚约为0.3354nm，是构筑富勒烯（零维结构）、碳纳米管（一维结构）和石墨（三维结构）等碳材料的基本单元。石墨烯原子间的作用力很强,每个碳原子分别与周围最邻近的其他3个碳原子形成σ键，π电子与其它碳原子的π电子形成大π键，这种特殊的结构使得石墨烯具有许多优异的理化学性质，例如髙导电性、高热传导率、高透明度、优异的力学性能、高硬度以及大的比表面积和稳定的化学性能等[43]，正是因为这些优异的特质吸引了研究者们的广泛关注。理论上石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维片层结构,但是在实际研究及应用中,绝对单层的石墨烯很难制备与保存，此外石墨烯结构表面没有亲水基团,难以溶解在水中,而且由于石墨烯片层之间存在范德华力和π-π堆积作用很容易团聚[44],这些缺点严重地限制了它在各个领域中的应用。图1-2石墨烯构筑成富勒稀，碳纳米管和石墨的示意图[45]Fig.1-2Schematicdiagramofgraphenebuildingintofullerene,carbonnanotubesandgraphite1.3.1氧化石墨烯结构与性质石墨烯由于其易团聚和憎水性的缺点，不利于后续加工以及与其它材料的相互作用，因此，在它的应用过程会利用其氧化形态，即我们所熟知的氧化石墨烯。氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）是石墨稀的一种衍生物，其结构与石墨烯基本相同，不同的是GO在二维片状基面的表面和边缘引进了大量的含
壳聚糖/功能化氧化石墨烯复合膜的制备及其性能研究7氧基团如羟基（-OH）、环氧基（-C(O)C-）、羧基（-COOH）以及羰基（-C=O）等，这些含氧基团使得石墨烯层间的大π键遭到破坏，但同时层间的范德华力也因此而得到削弱，团聚现象得到了减轻，从而表现出与石墨烯完全不同的性质[46,47]。含氧基团破坏了大π键，虽然使得GO几乎完全丧失了导电能力，但是这些含氧基团使得GO具有很强的亲水性，弥补了石墨烯憎水性的缺陷；而且这些含氧基团是良好的反应活性位点，可以通过非共价键、共价键的方式与其他的小分子、大分子、离子以及聚合物等发生相互作用[48]；另外氧化石墨烯还具有良好的抗菌活性，并且在一定浓度范围内对哺乳动物细胞表现出无明显的毒性，具有良好的生物相容性[49]，这些优异的性质使得GO在生物医学、环境保护、包装材料等[50-52]各个领域中被广泛地应用。图1-3氧化石墨烯结构示意图[53]Fig.1-3SchematicdiagramofGOstructure1.3.2氧化石墨烯的制备方法氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得，传统的制备方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hofmann法和Hummers法[46]。目前氧化石墨烯的制备工艺相对成熟，其中改进的Hummers法[54]采用浓硫酸和磷酸混合后加入高锰酸钾、石墨粉进行分步氧化反应，得到的氧化石墨经超声波振荡剥离，可以在水中均匀分散形成单层的氧化石墨烯水溶液，它的制备过程较为简单安全，氧化效果好，结构缺陷少，是最常用的一种方法。1.3.3氧化石墨烯的抗菌机理氧化石墨烯是一种新型的绿色广谱抗菌材料，具有无细菌耐药性的特点。关于其抗菌机理现在还处于探索阶段，一般认为有以下三个理论[55-58]：机械破
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物降解食品包装材料简述[J]. 杨阳,王海鹏. 食品安全导刊. 2019(33)
[2]我国绿色包装材料的现状与发展[J]. 李瑞娟. 信息记录材料. 2019(11)
[3]Structure and synthesis of graphene oxide[J]. Ling Sun. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(10)
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[5]壳聚糖在食品领域的应用研究进展[J]. 詹心瑜,马艺超,高彦祥. 中国食品添加剂. 2018(12)
[6]壳聚糖在食品工业中的应用[J]. 毕继才,姜宗伯,张亚征,梁壮壮,江海洋. 河南科技学院学报(自然科学版). 2018(05)
[7]壳聚糖/绿球藻多糖复合膜的制备及性能研究[J]. 孙彦峰,罗爱国,冯佳,吕俊平,刘琪,南芳茹,谢树莲. 食品与发酵工业. 2019(05)
[8]壳聚糖食品包装膜研究进展[J]. 王子璇,谢晶,薛斌,邵则淮,甘建红,孙涛. 食品工业科技. 2019(06)
[9]壳聚糖的抗菌能力研究进展[J]. 付俊锋,毛国梁. 化工科技. 2018(04)
[10]氧化石墨烯复合材料在包装领域应用的研究进展[J]. 孙玮婧,徐淑艳,田雯雯,谢静怡,武亚敏. 包装工程. 2018(11)
博士论文
[1]石墨烯基纳米复合材料的合成与抗菌性能研究[D]. 赵荣涛.中国人民解放军军事医学科学院 2017
[2]氧化石墨烯复合材料的制备及其吸附与抗菌性能研究[D]. 李平.吉林大学 2017
[3]明胶—壳聚糖基可生物降解膜的制备、结构与性能研究[D]. 宋慧君.郑州大学 2015
[4]大豆分离蛋白抑菌膜性能评价及抑菌剂释放研究[D]. 陈默.江南大学 2010
硕士论文
[1]米渣蛋白膜的制备及其性能表征[D]. 沈凯青.福建农林大学 2018
[2]氧化石墨烯/甜菜碱纳米复合材料的制备及性质的研究[D]. 苏迪.哈尔滨工业大学 2017
[3]壳聚糖/淡竹叶提取物复合膜的性能及其在油炸胖头鱼贮藏中的应用研究[D]. 王健.吉林农业大学 2017
[4]鲢鱼皮明胶性质分析、改性及可食性明胶复合膜的制备[D]. 李越.华中农业大学 2016
[5]氧化石墨烯复合材料对病原菌的抗菌效应研究[D]. 孙龙.华中农业大学 2016
[6]肉桂醛/壳聚糖抗菌膜的性能及其在生鲜猪肉保鲜中的应用[D]. 曾少甫.暨南大学 2016
[7]氧化石墨烯及其二氧化硅负载药物增强抗耐药细菌活性及其机理研究[D]. 陈旭.暨南大学 2016
[8]壳聚糖基复合膜的制备、性能及应用[D]. 王亚珍.上海海洋大学 2015
[9]木薯淀粉/聚乙烯醇/壳聚糖生物降解薄膜制备及性能研究[D]. 安永超.河北农业大学 2015
[10]氧化石墨烯基磁性荧光多功能复合纳米材料的研究[D]. 黄磊.重庆理工大学 2015
本文编号：3597544
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