一种聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜及其制备方法与应用

本发明属于生物质可降解高分子功能材料，具体涉及一种聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、聚丙烯酰胺（pam）类合成高分子因成膜性好、力学性能优良，在农用地膜、食品包装、柔性器件等领域展现出广阔的应用前景。然而，现有纯pam薄膜在实际应用过程中存在如下缺陷：纯pam薄膜分子链刚性较强，导致其延展性、承载能力不足，循环拉伸后性能衰减明显，低温环境下柔韧性急剧下降，易发生脆性断裂，难以满足冬季农用地膜、冷藏食品包装等低温场景的使用需求；同时，由于纯pam薄膜网络结构单一、缺乏多组分协同效应，导致其耐水性和流变稳定性有待提升，且功能单一，不具备ph响应溶胀、柔性应变传感等智能响应特性，难以在药物缓释载体、可穿戴设备等新兴领域中应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜及其制备方法与应用。本申请以宁夏固原本地马铃薯为原料制备高品质淀粉，通过丙烯酰胺原位接枝共聚与n,n'-亚甲基双丙烯酰胺交联对淀粉进行改性，构建淀粉-聚丙烯酰胺半互穿网络结构，并引入氯化锂作为抗冻助剂，从而提高聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜的力学延展性、低温耐受性、耐水性与结构稳定性，同时赋予聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜ph响应溶胀与应变传感功能。

2、本发明的目的之一是提供一种聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，所述薄膜通过马铃薯淀粉与丙烯酰胺单体、交联剂、氯化锂与引发剂经加热聚合反应而制得；

3、其中，所述马铃薯淀粉与丙烯酰胺单体、交联剂与引发剂的质量比为1:(2~4):(0.0061~0.0135):(0.02~0.0831)；所述加热聚合反应的温度为60~70℃，反应时间为10~30min。

4、进一步地，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。

5、进一步地，所述氯化锂的用量为马铃薯淀粉质量的50%~85%。

6、进一步地，所述引发剂为过硫酸铵。

7、进一步地，所述马铃薯选自宁夏固原本地地高海拔、大温差种植的新鲜马铃薯。

8、本发明的目的之二是提供一种上述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜的制备方法，包括如下步骤：

9、将马铃薯清洗、去皮、粉碎、过筛后，与水混合得到悬浮液，过滤，收集滤液静置沉淀，取出沉淀物经干燥、粉碎过筛，得马铃薯淀粉；

10、将马铃薯淀粉与丙烯酰胺单体、交联剂、抗冻剂与引发剂混合均匀，得前驱液；

11、将前驱液进行加热聚合反应，反应结束后冷却至室温，得聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜。

12、进一步地，粉碎后马铃薯与水的用量比为1g:(10~14)ml。

13、进一步地，所述静置沉淀的时间为2~3h。

14、进一步地，所述干燥的温度为40~60℃，干燥的时间为24~36h。

15、本发明的目的之三是提供一种上述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜在低温食品包装、冬季可降解农用地膜、柔性可穿戴应变传感器和ph响应型药物缓释载体中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、（1）本发明通过丙烯酰胺单体与交联剂在引发剂作用下与马铃薯淀粉原位接枝共聚，其中，马铃薯淀粉与丙烯酰胺单体、交联剂与引发剂的质量比为1:(2~4):(0.0061~0.0135):(0.02~0.0831)，原位接枝共聚反应的温度为60~70℃，反应时间为10~30min，在该质量比、反应温和反应时间的范围内，构建淀粉-聚丙烯酰胺半互穿网络结构，分子链间形成大量氢键，有效解决了纯聚丙烯酰胺薄膜力学强度不足、延展性差的问题，使本发明所得薄膜的抗拉强度达317.02 kpa、断裂伸长率达1111.78%，且循环拉伸后性能无明显衰减；同时引入氯化锂作为抗冻助剂，与淀粉分子及聚丙烯酰胺链段形成氢键协同作用，赋予薄膜优异的低温柔韧性，使薄膜在-16℃条件下存放15天后仍保持柔软可拉伸状态，克服了纯聚丙烯酰胺薄膜低温脆裂问题；半互穿网络结构增强了分子间氢键结合力，使薄膜静态水接触角达93.3°，呈弱疏水性，提升了薄膜的流变稳定性（储能模量达15650 pa，高应变下结构衰减最为平缓），改善了本发明所得聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合的耐水性与流变稳定性；此外，该互穿网络结构赋予薄膜ph响应性溶胀特性（碱性条件下溶胀率达2238.374%，酸性条件下为449.447%）及稳定的应变传感性能（100%～500%应变范围内产生可识别且循环稳定的电信号），从而使聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合薄膜兼具智能响应功能，拓展了其在药物缓释载体与可穿戴设备领域中的应用。

18、（2）本发明以宁夏固原本地马铃薯为原料就地取材，制备工艺简单、成本可控，为淀粉基多功能生物降解柔性薄膜的产业化应用奠定了基础。

1.一种聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，其特征在于，所述薄膜通过将马铃薯淀粉与丙烯酰胺单体、交联剂、氯化锂与引发剂经加热聚合反应而制得；

2.根据权利要求1所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，其特征在于，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。

3.根据权利要求1所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，其特征在于，所述氯化锂的用量为马铃薯淀粉质量的50~85%。

4.根据权利要求1所述聚丙烯酰胺改性马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵。

5.一种如权利要求1~4任一项所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜，其特征在于，粉碎后马铃薯与水的用量比为1g:(10~14)ml。

7.根据权利要求5所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，所述静置沉淀的时间为2~3h。

8.根据权利要求5所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为40~60℃，干燥的时间为24~36h。

9.一种如权利要求1~4任一项所述聚丙烯酰胺/马铃薯淀粉复合柔性生物降解水凝胶薄膜在低温食品包装、冬季可降解农用地膜、柔性可穿戴应变传感器和ph响应型药物缓释载体中的应用。