木质素基超疏水涂层的制备与表征

　　摘 要：利用油酸对玉米秸秆纤维素乙醇残渣木质素进行疏水改性后，配制成喷涂液喷涂于基材表面获得木质素基超疏水涂层。采用红外光谱、扫描电镜、接触角测试等分析方法对木质素基超疏水涂层进行表征。结果表明，木质素基超疏水涂层表面形貌与荷叶相似，由葡萄串状微纳米结构组成。木质素基超疏水涂层在抗酸碱腐蚀实验中表现出良好的耐酸碱性;在酸性或碱性溶液中，木质素基超疏水涂层的表面接触角始终都稳定在约153°。同时，该涂层对不同黏稠度的流体食品均有良好的抗粘附能力，相对于在普通塑料杯中，蜂蜜在该涂层表面的残留量降低了93.5%。因此，实验制得的木质素基超疏水涂层应用在食品包装容器内壁，可有效防止流体食物在包装上的残留，减少浪费。

　　关键词：木质素;疏水改性;超疏水涂层;食品包装

　　《上海造纸》是由上海造纸学会主办的期刊。

　　世界范围内，每年由于流体食物倾倒不完全而导致的浪费巨大，特别是如蜂蜜、酸奶、果汁等高附加值、高黏稠度的流体食品。制备超疏水界面包装材料以解决此类问题成为节约资源的重要途径之一。

　　从热力学角度出发，当界面和液体接触后，界面表面自由能降低的过程叫界面润湿过程[1]，反之，即为不润湿。界面表现的润湿行为主要由其化学组成、微观几何结构和宏观几何形状共同决定[2-3]。评价界面表面的親疏水性质一般是通过纯水在其表面的润湿情况而定，即水的表面接触角;表面接触角越大，说明界面表面疏水性也越好。超疏水材料具有防水、防锈蚀[4]、自清洁、抗粘附[5]等一系列特殊性质，在食品包装、防水材料、海洋溢油回收[6]及交通运输方面都有广阔的应用前景[7]。然而，传统化学方法制备的纳米、微米粒径的无机晶体材料[8]和有机/无机复合界面材料存在着成本高、加工工艺复杂、难于大批量生产、无法应用于食品行业等缺点[9]。因此，开发出一种无毒无味、可用于食品包装容器的超疏水界面材料成为了一个全新的研究挑战[10-11]。

　　木质素是自然界中一种可再生、无毒无味且具有三维网络状结构的天然大分子。木质素作为制浆造纸产业的副产物，大多以碱回收的方式被烧掉以回收热能，使其没有得到充分合理的利用。

　　本课题利用木质素与油酸为原料制备了木质素基

　　超疏水涂层并用于食品包装容器内壁以减少流体食品在倾倒过程中的残留现象;研究了木质素基超疏水涂层对不同黏稠度流体食品的抗粘附情况。

　　1 实 验

　　1.1 原料

　　玉米秸秆纤维素乙醇残渣，中粮集团有限公司;无水乙醇，工业级，沈阳新兴试剂厂;四氢呋喃、3-[4，5-二甲基噻唑-2-基]-2，5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)，色谱纯，阿拉丁试剂有限公司;吡啶、油酸、盐酸、三乙胺、二甲基亚砜，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司;醋酸酐、溴化钾、乙醚、丙酮、正己烷，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

　　1.2 仪器

　　蒸煮锅，IMT-ZZ01，东莞恒科仪器有限公司;水分分析仪，HE53/02，梅特勒-托利多公司;电子天平，MS-TS，梅特勒-托利多公司;冷冻干燥机，FREEZone，美国Labconco公司;pH计，STARTER2100，奥豪斯仪器有限公司;磁力搅拌器，RET基础型，IKA;傅里叶变换红外光谱仪，Spectrum-B型，常州国华电器有限公司;热重分析仪，Q50，美国TA公司;差式扫描热量仪(DSC)，Q200，美国TA公司;扫描电子显微镜，JSM-7800F，日本电子株式会社;紫外-可见分光光度计，1006M031，上海瓦里安光谱分析仪器有限公司;静滴接触角/界面张力测量仪，OCA35，瑞典百欧林。

　　1.3 木质素的提取

　　取80.0 g绝干玉米秸秆纤维素乙醇残渣放入蒸煮锅中，加入浓度为50%的乙醇溶液，料液比为1∶10，蒸煮最高温度为130℃，蒸煮1 h，蒸煮结束后保温70 min。蒸煮液经过滤后，分为黑液和滤饼，用去离子水将黑液等比例稀释后，再用盐酸调节pH值为2，静置10～12 h后过滤，得到棕黄色木质素滤饼，冷冻干燥后备用。

　　1.4 超疏水材料的制备

　　1.4.1 制备油酸改性木质素

　　取1 g上述制备的木质素溶解在30 mL四氢呋喃中，加入0.48 g三乙胺，缓慢向体系中滴加1.2 g油酸，在磁力搅拌的条件下反应72 h，反应过程如图1所示。反应结束后，将体系中的液体缓慢滴入500 mL去离子水中并不断搅拌，直到有黄褐色沉淀析出，经布氏漏斗过滤得到滤饼，用乙醚多次冲洗滤饼以除去未反应的油酸和小分子盐(三乙胺盐酸盐)，最后得到油酸改性木质素，冷冻干燥后防潮保存备用，油酸改性木质素得率为83%。

　　1.4.2 木质素基超疏水涂层的制备

　　木质素基超疏水涂层制备过程如图2所示。由图2可知，取200 mg上述制备的油酸改性木质素溶于20 mL 丙酮-正己烷混合液中，然后用喷枪将混合液均匀喷涂在玻璃片表面即可得到木质素基超疏水涂层。

　　1.5 木质素基超疏水涂层的表征

　　1.5.1 红外光谱分析

　　采用傅里叶变换红外光谱仪对油酸改性木质素样品进行结构分析。首先将样品进行红外灯干燥处理，然后按质量比1∶100称取油酸改性木质素样品与溴化钾晶体，充分研磨后置入压片机压成薄片，采用Spectrum-B型红外光谱仪测定其红外光谱。同时，用压片机制作一个溴化钾空白片，将油酸涂在空白片上，进行油酸的红外光谱测定。

　　1.5.2 扫描电镜分析

　　对未改性木质素及干燥后的、喷涂有木质素基超疏水涂层的玻璃片进行表面喷金处理，利用扫描电镜对其进行表面形貌观测，观察木质素基超疏水涂层表面是否具有微纳米复合结构[12]。

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文章名称： 木质素基超疏水涂层的制备与表征

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