玉米淀粉_生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能_徐振光.pdf
《玉米淀粉_生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能_徐振光.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《玉米淀粉_生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能_徐振光.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 40 卷第 3 期 精 细 化 工 Vol.40,No.3 2023 年 3 月 FINE CHEMICALS Mar.2023 收稿日期:2022-06-17;定用日期:2022-09-17;DOI:10.13550/j.jxhg.20220563 基金项目:广西自然科学基金(2016GXNSFAA380203)作者简介:徐振光(1999),男,硕士生,E-mail:。联系人:于淑娟(1977),女,博士,教授,E-mail:;刘乐平(1980),男,博士,教授,E-mail:。玉米淀粉/生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能 徐振光,鲁诗言,李晓婷,于淑娟*,刘乐平*(南宁师范大学 化学
2、与材料学院,广西天然高分子化学与物理重点实验室,广西 南宁 530001)摘要:以壳聚糖(CS)、N-(2-羟乙基)-乙二胺和无水柠檬酸(CA)为主要原料,通过水热法合成了壳聚糖接枝柠檬酸碳点P(CS-g-CA)CDs。然后以玉米淀粉(CST)为基体材料,通过流延法制备了一系列不同P(CS-g-CA)CDs 用量的玉米淀粉/壳聚糖基碳点复合光转换薄膜CST/P(CS-g-CA)CDs5、CST/P(CS-g-CA)CDs10、CST/P(CS-g-CA)CDs20。采用荧光分光光度计、万能试验机、接触角测量仪和土埋降解实验研究了复合薄膜的光学性能、力学性能、亲水性能和降解性能。结果表明,随着
3、P(CS-g-CA)CDs 用量的增加,该复合薄膜的拉伸强度先升高后降低,断裂伸长率整体呈现增加趋势;复合薄膜的接触角从 37.50 提高到 87.00,复合薄膜亲水性能下降;纯玉米淀粉薄膜无荧光响应,CST/P(CS-g-CA)CDs20 能将 374 nm 处紫外光区的光转换为 459 nm 的蓝色荧光,该复合薄膜具有蓝光转光性能;混入难水溶的碳点可以延缓纯玉米淀粉薄膜的降解,延长薄膜使用寿命,实现降解速率可调控。关键词:玉米淀粉;碳点;光转换薄膜;生物质材料;转光性能;淀粉化学品 中图分类号:O613.71;S626.4;TB383.2 文献标识码:A 文章编号:1003-5214(20
4、23)03-0650-06 Preparation and properties of corn starch/bio-based carbon dots composite films for light conversion XU Zhenguang,LU Shiyan,LI Xiaoting,YU Shujuan*,LIU Leping*(Guangxi Key Laboratory of Natural Polymer Chemistry and Physics,College of Chemistry and Materials,Nanning Normal University,N
5、anning 530001,Guangxi,China)Abstract:Chitosan-grafted citric acid carbon dots P(CS-g-CA)CDs were firstly synthesized via hydrothermal reaction of chitosan(CS),N-(2-hydroxyethyl)-ethylenediamine and anhydrous citric acid(CA).Then,a series of corn starch/chitosan-based carbon dots composite light-conv
6、erting films CST/P(CS-g-CA)CDs5,CST/P(CS-g-CA)CDs10,CST/P(CS-g-CA)CDs20 with different P(CS-g-CA)CDs dosages were prepared by flow-delaying method.The optical,mechanical,hydrophilic and degradation properties of the composite films synthesized were analyzed by fluorospectro photometer,universal test
7、ing machine,contact angle instrument and soil degradation test.The results showed that,as the dosage of P(CS-g-CA)CDs,in the composite films increased,the tensile strength of the composite films increased first and then decreased while the elongation at break displayed an increasing trend as a whole
8、.The contact angle of the composite films increased from 37.50 to 87.00,indicating reduced hydrophilicity.While film of pure corn starch showed no fluorescence response,CST/P(CS-g-CA)CDs20 composite film exhibited blue light conversion capacity by converting light in the UV region at 374 nm to blue
9、fluorescence at 459 nm.Moreover,the combination of water insoluble carbon dots could delay the degradation of corn starch,prolong the film service life,and achieve adjustable degradation rate.Key words:corn starch;carbon dots;light-converting film;biomass materials;light transfer performance;starch
10、chemicals 淀粉化学品 第 3 期 徐振光,等:玉米淀粉/生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能 651 在过去十几年里,全球塑料包装的生产和使用规模扩大导致了白色污染问题。生物基聚合物材料因其无毒、无污染、生物可降解且较易获取而具有很大的潜力替代传统塑料1-2。玉米淀粉是一种高相对分子质量(简称分子量)碳水聚合物,由葡萄糖分子聚合而成,其来源丰富、可再生、可降解、价格低廉,是有望替代传统塑料的生物聚合物之一3。2021 年 9 月 24 日,中国马延河团队实现了实验室从二氧化碳到淀粉的全合成4,这对可持续性发展和减缓温室效应有着重要作用,淀粉材料发展进入新纪元。与单一材料形成的膜相比,
11、淀粉基复合膜具有优异的机械和阻隔(水分和氧气)性能以及功能多样性等优点,扩大了其在包装、农用膜等相关产业的应用范围5-6。荧光碳点具有优良的生物相容性、荧光性质容易调控、发光稳定性、无毒性和易表面改性等优点7-9,特别地,碳点表面具有丰富的亲水官能团,如NH2、OH、COOH 等,易与聚合物链上的亲水官能团形成氢键,从而可以提升聚合物材料的力学性能;此外,碳点的加入还能赋予薄膜转光性能。根据植物生理学,植物对光线最强的吸收带通常位于蓝光(400500 nm)和红光(600680 nm)区域,蓝光和红光能激发叶绿素合成10-11;紫外光(400 nm以下)则相反,会加速植物枝干老化,并诱发虫病等
12、,严重影响植物的正常生长。因此,利用光能转换技术有效增强光照中的蓝光或红光、减弱紫外光辐照对农作物的增产具有重要意义12。目前,制备转光膜常用的转光剂通常为有机染料类、无机盐类或稀土配合物类化合物,但存在易分解、使用寿命短、激发峰与作物反射光谱难以匹配、制备工艺复杂、造价较为昂贵等缺点13。本 文 将 前 期 合 成 的 壳 聚 糖 基 聚 合 物 碳 点P(CS-g-CA)CDs14-15,作为一种转光剂混入玉米淀粉薄膜中赋予薄膜蓝光转光性。在薄膜降解方面,纯淀粉薄膜易吸水分解,通过混入难水溶的碳点,可以延缓纯玉米淀粉薄膜的降解,实现降解速率可调控。利用储量丰富且廉价的生物质材料开发出能自然
13、降解的蓝光转光膜,可以克服纯玉米淀粉薄膜易老化、柔韧性较差、耐水性差等缺陷16,有望替代传统不可降解塑料薄膜。1 实验部分 1.1 试剂与仪器 无水柠檬酸(CA)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1-乙 基-(3-二 甲 基 氨 基 丙 基)-碳 二 亚 胺 盐 酸 盐(EDC)、N-(2-羟乙基)-乙二胺,AR,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;壳聚糖(CS),工业级,浙江澳兴生物科技有限公司;玉米淀粉(CST),食用级,广西南宁市明阳生化股份有限公司;丙三醇,AR,西陇科学股份有限公司;冰醋酸,AR,广东光华科技股份有限公司。1.2 P(CS-g-CA)CDs 的制备 根据课题组前期研究14-
14、15采用水热法制备P(CS-g-CA)CDs。首先,将 5 g CS、5 g CA 和 100 mL去离子水添加到三口瓶中,开始搅拌使 CS 和 CA 充分溶解,再加入 0.1 g EDC和 0.1 g NHS作为偶联剂,搅拌反应 48 h 后,产物用透析袋(截留分子量800014000)透析 48 h 后,20 冷冻干燥 24 h获得壳聚糖接枝柠檬酸(CS-g-CA)白色粉末状产物。然后,将 0.5 g CS-g-CA、0.5 mL N-(2-羟乙基)-乙二胺和 20 mL 去离子水加入到水热反应釜中,180 水热反应 4 h 后,于 10000 r/min 离心收集沉淀,再透析(截留分子量
15、 500)12 h,20 冷冻干燥24 h获得浅黄色P(CS-g-CA)CDs粉末,产率约为70%。P(CS-g-CA)CDs 的基本表征如参考文献14-15,本文测试了该碳点的荧光光谱和紫外-可见吸收光谱。1.3 玉米淀粉/壳聚糖基碳点复合光转换薄膜的制备 取玉米淀粉 6 g、2 mL 甘油、质量浓度为 5 g/L的 P(CS-g-CA)CDs 溶液(用量分别为 0、5、10、20 mL,以质量分数 1%的冰醋酸为溶剂)和去离子水(92、87、82、72 mL)加入到三口烧瓶中,85 恒温搅拌 2 h,最后将混合溶液倒入直径为 10 cm 的培养皿中,置于干燥箱中 60 下干燥 24 h,脱
16、模,得到玉米淀粉/壳聚糖基碳点复合光转换薄膜(简称复合薄膜),分别命名为:CST、CST/P(CS-g-CA)CDs5、CST/P(CS-g-CA)CDs10、CST/P(CS-g-CA)CDs20。1.4 表征与性能测定 采用 Nicolet iS10 型傅里叶变换红外光谱仪(美国 Thermo Scientific 公司)测试壳聚糖接枝柠檬酸碳点P(CS-g-CA)CDs(KBr 压片法)及其复合薄膜的红外光谱,膜在 60 下干燥 6 h 后固定于样品台上进行测定;通过 RF-5301PC 型荧光分光光度计(日本岛津公司)测定 P(CS-g-CA)CDs 的荧光光谱,激光光源为 150 W
17、 氙气灯,扫描范围 200700 nm,激发发射狭缝为 5 nm,电压为 400 V,测试中将薄膜剪成 3 cm3cm 小方块;采用 UV-2600 型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)测定 P(CS-g-CA)CDs的紫外吸收光谱,以去离子水为基线,扫描波长范围为 200 700 nm;采用 AG-XLON-10KN 型万能试验机(日本岛津公司)测试复合薄膜的拉伸强度,根据 ASTM D6382014 标准,试样样条为哑铃型,长为 115 mm,宽为 25 mm,拉伸速率为 20 mm/min;采用 Discovery Series 型热重分析仪(美国 TA 仪器公652 精 细 化 工
18、FINE CHEMICALS 第 40 卷 司)测试薄膜的热分解过程,升温速率为 20/min,温度范围为 40600;采用 JC2000 型接触角测量仪(上海中晨数字技术设备公司)测试复合薄膜的接触角,将薄膜裁剪成 1 cm1 cm 的大小进行测试,滴加 1015 mL 的去离子水。1.5 复合薄膜的土埋降解性能测试 通过土埋法测试薄膜的质量损失率,以其变化来评价复合薄膜的降解性能。具体步骤为:首先从南宁师范大学武鸣校区化学楼前花园中取一些土带回实验室,并置于纸箱中,平整好;然后,将不同P(CS-g-CA)CDs 用量的复合薄膜裁成大小为 30 mm 30 mm,干燥至恒重(W0,g)后,掩
19、埋于土下约100 mm 处,在环境温度为 25,湿度为 55%条件下定期(时间 t,d)取出样品,分别用水、无水乙醇洗净,干燥后称重(Wt,g)。每个样品取 3 片为一组,取其平均值,质量损失率(G)计算公式如下:00/%100tWWGW-=2 结果与讨论 2.1 荧光光谱分析 图 1a 和 b 为 P(CS-g-CA)CDs 的荧光光谱和紫外吸收光谱。图 1a 的紫外吸收光谱中,340 nm 处的吸收峰归因于 CO 键的 n-*跃迁17。荧光光谱中,该聚合物碳点的荧光激发波长为 381 nm,发射波长为474 nm。图 1a 插图为 P(CS-g-CA)CDs 水溶液在日光和紫外光下的数码照
20、片,可以看出在日光下为无色透明状,在 365 nm 紫外光下发出蓝色荧光。图 1b 为 P(CS-g-CA)CDs 在 300420 nm 不同激发波长下的荧光发射光谱。可以看出,随着激发波长从 300 nm 增加至 420 nm,P(CS-g-CA)CDs 的荧光强度呈先增大后减小的变化趋势,表现出激发光依赖的发射行为。这可能归因于该聚合物碳点具有不同的表面态和尺寸,不同的表面态提供了多种电子迁移途径和能级差18。逐渐提高激发波长时,荧光发射峰出现先蓝移后红移,这可能是由于碳点表面的能量陷阱不同引发的。根据前期方法15,采用硫酸奎宁作为标准物,测试了 P(CS-g-CA)CDs 的荧光量子产
21、率为 55.1%,高荧光量子产率可能归因于CS 分子链上的胺基、羟基以及引入的 CA 以及氮掺杂试剂等多官能团增加了聚合物碳点作为激发能量陷阱的表面缺陷14。2.2 红外光谱分析 图 2 为 CST、P(CS-g-CA)CDs 和 CST/P(CS-g-CA)CDs20 薄膜的 FTIR 谱图。图 1 P(CS-g-CA)CDs 的 UV-Vis 光谱、荧光激发和发射光谱(a)(插图为日光和紫外光下照片);P(CS-g-CA)CDs在 300420 nm 不同激发波长下的荧光发射光谱(b)Fig.1 UV-Vis absorption,fluorescence excitation and e
22、mission spectra of P(CS-g-CA)CDs(a)(Insert is the picture of sample at sunlight and UV-light);Fluorescence emission spectra of P(CS-g-CA)CDs under different excitation wavelengths ranging from 300 to 420 nm(b)图 2 CST、P(CS-g-CA)CDs 和 CST/P(CS-g-CA)CDs20的 FTIR 谱图 Fig.2 FTIR spectra of CST,P(CS-g-CA)CD
23、s and CST/P(CS-g-CA)CDs20 由图 2 可见,3283 和 3282 cm1处为纯 CST 和CST/P(CS-g-CA)CDs20 中 OH 和 NH 的伸缩振动吸收峰,2931 cm1处为CH2的伸缩振动吸收峰,1649 cm1处为OH 的弯曲振动吸收峰19。在P(CS-g-CA)CDs 掺入后,CST 在 3283 cm1处的OH 拉伸振动峰透过率降低并移到 3282 cm1。在CST/P(CS-g-CA)CDs20 中,1649 cm1处结合水的OH 弯曲振动基本没有变化。该复合薄膜中,P(CS-g-CA)CDs 的OH 和NH2基团与玉米淀粉第 3 期 徐振光,
24、等:玉米淀粉/生物基碳点复合光转换薄膜的制备及性能 653 分子产生氢键作用,复合薄膜中的OH 和NH2基团减少,吸收峰波数降低,可以认为 P(CS-g-CA)CDs 通过氢键作用成功地混入到 CST/P(CS-g-CA)CDs20 中。2.3 力学性能分析 图3为 不 同P(CS-g-CA)CDs用 量 的CST/P(CS-g-CA)CDs 复合薄膜的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率。图 3 不同 P(CS-g-CA)CDs 用量的 CST/P(CS-g-CA)CDs复合薄膜的应力-应变曲线(a)、拉伸强度(b)、断裂伸长率(c)Fig.3 Stress-strain curves(a)
25、,tensile strength(b)and elongation at break(c)of CST/P(CS-g-CA)CDs composite films with different P(CS-g-CA)CDs dosages 由图 3a 可以看出,纯 CST 薄膜的力学性能较差;添加 P(CS-g-CA)CDs 后,随着 P(CS-g-CA)CDs用量的增加,复合薄膜的应力和应变有所提高。由图 3b 中可以看出,CST、CST/P(CS-g-CA)CDs5、CST/P(CS-g-CA)CDs10、CST/P(CS-g-CA)CDs20 的拉伸强度分别 1.47、2.89、2.83
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 玉米 淀粉 生物 基碳点 复合 转换 薄膜 制备 性能 徐振光
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。