一种生物降解材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种生物降解材料及其制备方法和应用 (Biodegradable material and preparation method and application thereof ) 是由 何山 张杨 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种生物降解材料及其制备方法和应用,解决了现有技术中的生物降解材料制备条件苛刻,制备的生物降解材料形成的薄膜存在表面粗糙,切开后横截面有孔隙,延展性不好的问题。本发明的生物降解材料,制备效率高,制备工艺简单,不需要高温高压的苛刻条件,节约能耗,降解性能与传统的高温高压法制备得到的生物降解材料无明显差异,适合制备成膜应用到包装材料等领域中,制备的膜15天左右可以完全降解,本发明的生物降解材料,适合制备成膜应用到包装材料等领域中,制备的膜表面更加光滑、韧性和延展性相比传统高温高压条件制备的膜更加优良。(The invention provides a biodegradable material and a preparation method and application thereof, and solves the problems that the preparation conditions of the biodegradable material in the prior art are harsh, the surface of a film formed by the prepared biodegradable material is rough, the cross section after cutting is porous, and the ductility is poor. The biodegradable material disclosed by the invention is high in preparation efficiency, simple in preparation process, free of harsh conditions of high temperature and high pressure, energy-saving, free of obvious difference in degradation performance from the biodegradable material prepared by a traditional high-temperature and high-pressure method, and suitable for preparing a film to be applied to the fields of packaging materials and the like, and the prepared film can be completely degraded within about 15 days.)
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及一种生物降解材料及其制备方法和应用。
背景技术
通过传统石油化学途径制备的塑料材料对环境造成的负面影响日益显著，而塑料造成的环境污染则推动了可降解聚合物的研究。
聚合物的降解主要是通过主链或侧链的断裂来发生的，具体包括热降解反应、氧化反应、光化学降解、辐射化学降解及水合反应。一些聚合物的降解发生在生物环境中，如活细胞或组织周围，这些生物环境包括土壤、海洋、河流及湖泊，也包括人和动物的体内环境。
可生物降解的聚合物是一种特殊类型的聚合物，该类聚合物在达到其预期的寿命之后可以通过细菌进行分解，形成诸如CO2、N2、水和矿物质等产物。这些聚合物主要由酯，酰胺和醚官能团组成。
目前，主要通过高压热的反应来制备生物降解材料，而高压热的反应条件，一方面反应条件较为苛刻，另一方面，制备的生物降解材料形成的薄膜存在表面粗糙，切开后横截面有孔隙，延展性不好的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种生物降解材料，以解决现有技术中的生物降解材料制备条件苛刻，制备的生物降解材料形成的薄膜存在表面粗糙，切开后横截面有孔隙，延展性不好的问题。
本发明还提供了上述生物降解材料的制备方法。
本发明还提供了上述生物降解材料的应用。
本发明的第一方面提供了一种生物降解材料，制备原料包括琼脂、海藻酸盐和甘油，所述琼脂、海藻酸盐和甘油的质量比为(0.2～0.8)：1：(0.2～0.8)。
上述制备原料中，市售的海藻酸盐均可作为本发明的制备原料。
根据本发明的一些实施方式，所述生物降解材料的制备原料包括琼脂、海藻酸盐和甘油，所述琼脂、海藻酸盐和甘油的质量比为(0.2～0.5)：1：(0.2～0.5)。
根据本发明的一种实施方式，以重量份计，所述生物降解材料的制备原料包括：
琼脂：0.5份，
海藻酸盐：1份，
甘油：0.5份，
水：100份。
本发明的第二方面提供了上述生物降解材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按所述生物降解材料的配比，将所述琼脂、海藻酸盐和甘油加入水中混合，微波加热，得到混合液体；
S2：将步骤S1得到的混合液体进行干燥后，即得所述的生物降解材料。
与传统加热法的从外向内加热不同，微波加热时内外同时加热。微波把能量同时均匀的传给加热物质的内外，故可保证内外同时均匀加热。这种加热使生物降解薄膜的原料在制备时反应更完全，分子间共价键相互的连接更多、更密，故显著提高了可生物降解薄膜的机械强度。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述微波条件的功率为60～120Hz。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述微波条件的功率为80～100Hz。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述微波条件的功率为100Hz。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述加热的温度为60～100℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述加热的温度为80～100℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述加热的温度为80℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述加热的时间为20～40min。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述加热的时间为30min。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述干燥的温度为30～50℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述干燥的温度为45℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述干燥的温度为10～30h。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述干燥的温度为20h。
本发明的第三方面提供了一种生物降解薄膜，所述的生物降解薄膜包含上述的生物降解材料或由上述的方法制备得到。
根据本发明的一些实施方式，所述的生物降解薄膜，膜厚为50～150μm。
根据本发明的一些实施方式，所述生物降解薄膜在未降低生物降解性的前提下，其延展性显著提高。
本发明的生物降解材料，至少具有以下有益效果：
本发明的生物降解材料，制备效率高，制备工艺简单，不需要高温高压的苛刻条件，节约能耗，降解性能与传统的高温高压法制备得到的生物降解材料无明显差异。
本发明的生物降解材料，适合制备成膜应用到包装材料等领域中，制备的膜15天左右可以完全降解。
本发明的生物降解材料，适合制备成膜应用到包装材料等领域中，制备的膜表面更加光滑、韧性和延展性相比传统高温高压条件制备的膜更加优良。
附图说明
图1是实施例1和对比例1制备的生物降解膜的工程应力-应变曲线。
图2是实施例1制备得到的生物降解膜的表面微观形貌示意图。
图3是对比例1制备得到的生物降解膜的微观形貌示意图。
图4是实施例1制备得到的生物降解膜的边缘微观形貌示意图。
图5是对比例1制备得到的生物降解膜的边缘微观形貌示意图。
图6是实施例1和对比例1制备的生物降解膜的接触角示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例制备了一种生物降解膜，具体制备过程为：
S1：将2.5g琼脂、5g海藻酸盐和2.5g甘油混合在500mL水中，在微波设备中用100Hz微波功率，80℃加热30min得到混合液体；
S2：将步骤S1得到的混合液体倒入20cm×30cm的托盘，在45℃烘箱中干燥20h后成膜，膜厚为100μm。
实施例2
本例制备了一种生物降解膜，具体制备过程为：
S1：将1g琼脂、5g海藻酸盐和1g甘油混合在500mL水中，在微波设备中用100Hz微波功率，80℃加热30min得到混合液体；
S2：将步骤S1得到的混合液体倒入20cm×30cm的托盘，在45℃烘箱中干燥20h后成膜，膜厚为100μm。
实施例3
本例制备了一种生物降解膜，具体制备过程为：
S1：将4g琼脂、5g海藻酸盐和4g甘油混合在500mL水中，在微波设备中用100Hz微波功率，80℃加热30min得到混合液体；
S2：将步骤S1得到的混合液体倒入20cm×30cm的托盘，在45℃烘箱中干燥20h后成膜，膜厚为100μm。
对比例1
本例通过传统的高温高压法制备了一种生物降解膜，具体制备过程为：
S1：将2.5g琼脂、5g海藻酸盐和2.5g甘油混合在500mL水中，在压力为3bar的高压反应釜中，120℃条件下加热30min得到混合液体；
S2：将步骤S1得到的混合液体倒入20cm×30cm的托盘，在45℃烘箱中干燥20h后成膜，膜厚为100μm。
检测例1
本例测试了实施例1和对比例1制备得到的生物降解膜的降解性能。
测试方法为：将膜切成25mm×25mm的正方形，约150g，然后先在水里浸泡3min，再在96％的乙醇内浸泡2min。浸泡完成后，膜在室温下干燥16h，干燥后进行第一次称重。称重后放入装有200mg土壤的容器中30天。每5天取出膜一次，记录膜重量的损失。结果如表1所示。
表1膜重量损失检测结果
从表1可以看出，实施例1制备的膜的生物可降解性未降低。对比例1和实施例1制备的膜均在15天左右完全降解。
检测例2
本例测试了实施例1和对比例1制备得到的生物降解膜的力学性能。
测试方法为：
单轴拉伸试验。在室温下进行。设备为Instron 5960万能试验机，称重传感器容量量程500N。加载速率恒定为5mm/min，从测试系统记录位移和加载的数值。刚性夹点之间的样本长度指定为60mm，样品固定在宽度20mm，厚度(约0.1mm)的数字卡尺上测量。
实施例1和对比例1制备的生物降解膜的工程应力-应变曲线参考图1所示。
图1反映了薄膜变形过程中的应力应变关系。其中，应力应变值代表被测材料的脆性和延展性。从图1可以看出，实施例1和对比例1的薄膜相比，实施例1的制备方法显著提高了薄膜的机械强度，薄膜的脆性40MPa降低到37MPa，延展性从0.04％增加到0.15％。实施例1中，由于是微波加热，微波加热是由内向外同时加热。微波把能量同时均匀地传给加热物质的内外部，材料内外被同时均匀加热，这种加热方式使生物降解膜的制备原料反应更加完全，相互的连接更多、更密，因此实施例1的生物降解膜的机械强度显著提高。
检测例3
本例通过FEI-F50型扫描电子显微镜(SEM)观察了实施例1和对比例1制备得到的生物降解膜的微观形貌。
光斑尺寸为2.0，电压为5.0kv。扫描电镜样品制备方法为：将薄膜浸入液氮中2min，然后用手术刀将薄膜切成5mm×5mm×2mm(长×宽×厚)的薄片，然后用铂溅射法在样品表面镀上一层约2nm厚的涂层。
实施例1制备得到的生物降解膜的表面微观形貌如图2所示，对比例1制备得到的生物降解膜的微观形貌如图3所示。实施例1制备得到的生物降解膜的边缘微观形貌如图4所示，对比例1制备得到的生物降解膜的边缘微观形貌如图5所示。
比较图4和图5可以发现，两种方法制备的生物降解膜边缘有较大差异。对比例1制备的生物降解膜的边缘观察到带裂缝的中空内部结构，而实施例1制备的生物降解膜的边缘是填充完全、无任何裂缝的实心砖式结构。微波加热具有定向于一个方向的强烈微观混合的高效性，可以将交联材料粉碎成更小的尺寸并按一个方向排列。相比之下，传统的高温高压法加工的材料，排列随意，方向不均匀，导致了空心内边缘结构出现裂缝。
与传统加热法的从外向内加热不同，微波加热时内外同时加热。微波把能量同时均匀地传给被加热物质的内外部，保证了材料内外同时均匀加热。这种加热使生物降解薄膜的原料在制备时同时反应，没有延迟，因此实施例1制备的生物降解薄膜的表面规则、平坦且朝一个方向分布有清晰的条纹。而传统加热法由于从外向内加热，热量传递延迟明显，故生物降解薄膜的原料在制备时不能同时反应，制备得到的生物降解薄膜的表面不规则、粗糙、无规则条纹。
检测例4
本例测试了实施例1和对比例1制备的生物降解膜的接触角，结果如图6所示。
测量方法为：在环境条件(22℃)下，使用标准Ramé Hart 250角度计进行接触角测量，并使用DROP Image Advanced V2.8软件进行记录。对于固定滴技术，在基板上沉积5–7μL的水滴，并在5s内测量接触角。对于俘获气泡法，在带有倒针(28量规，304不锈钢RaméHart)的界面处提供一个体积为6μL的气泡。使用Image J(Drop snake analysis)软件对录像中的接触角进行了分析。
在0s、60s和180s时测量每层薄膜的接触角3次。实施例1制备的生物降解膜由80.91°变为52.36°。对比例1制备的生物降解膜由52.77°变为42.04°，在每一次测量中，实施例1制备的生物降解膜的接触角都高于对比例1制备的生物降解膜。表面粗糙度对接触角有很大的影响。表面越均匀，由表面化学性质引起的润湿性就越小，接触角越大。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种纳米甲壳素复合气凝胶及其制备方法和应用