本發(fā)明涉及納米材料制備，具體為一種微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代食品加工與包裝領(lǐng)域，微波加熱憑借其高效、便捷的特性，已成為一種廣泛應(yīng)用的加熱方式。然而，微波加熱過程中食品受熱不均勻的問題一直是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。由于微波在食品內(nèi)部傳播時，不同部位對微波的吸收和散射情況存在差異，致使部分食品過度加熱，出現(xiàn)口感變差、營養(yǎng)成分損失等問題；而部分食品則加熱不足，無法達(dá)到預(yù)期的食用效果，嚴(yán)重影響食品的品質(zhì)與口感。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，為有效解決微波加熱不均勻的難題，研發(fā)一種能夠?qū)ξ⒉óa(chǎn)生敏感響應(yīng)并均勻傳遞熱量的材料迫在眉睫。傳統(tǒng)的食品包裝材料，如常見的紙質(zhì)、塑料包裝材料，因其自身結(jié)構(gòu)與性能的限制，無法滿足這一特殊需求。這些材料在微波場中難以與微波發(fā)生有效相互作用，無法實現(xiàn)對微波能量的高效轉(zhuǎn)化與均勻分配，故而難以改善食品的加熱效果。

3、納米纖維膜作為一種具有獨特納米級結(jié)構(gòu)的材料，近年來在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，也為解決微波加熱問題提供了新的思路。納米纖維膜具有高比表面積、良好的孔隙結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理化學(xué)性能，理論上能夠與微波產(chǎn)生特定的相互作用，實現(xiàn)對微波能量的吸收、轉(zhuǎn)化與傳遞。然而，目前已有的納米纖維膜研究，大多聚焦于其在過濾、吸附、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，對于能夠?qū)崿F(xiàn)微波介電敏感響應(yīng)且性能穩(wěn)定、制備工藝簡單的納米纖維膜及其制備方法的探索仍處于起步階段?，F(xiàn)有的相關(guān)研究成果在微波響應(yīng)性能、穩(wěn)定性以及制備工藝的復(fù)雜性等方面存在諸多不足，無法滿足實際生產(chǎn)與應(yīng)用的需求。

4、因此，有必要提供一種微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜及其制備方法和應(yīng)用，以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜及其制備方法和應(yīng)用，通過制備特定納米纖維膜，其良好的微波響應(yīng)、力學(xué)、熱穩(wěn)定及親水等性能，實現(xiàn)均勻加熱，提升食品品質(zhì)，滿足包裝在強度、氣體交換、熱量傳遞及水分處理等多方面需求。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供一種微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜的制備方法，包含以下步驟：

4、步驟一：紡絲溶液制備

5、以重量份數(shù)計，稱取18份的聚偏氟乙烯(pvdf)聚合物材料，82份的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶劑；將稱取的pvdf緩慢加入到dmf中，并進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在200r/min，持續(xù)攪拌6h，直至pvdf完全溶解，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18％的均勻紡絲溶液；

6、步驟二：mof納米顆粒的預(yù)處理和超聲分散

7、將經(jīng)過預(yù)處理的mof納米顆粒與紡絲溶液按照1:5的質(zhì)量比進(jìn)行原料準(zhǔn)備；將稱取好的mof納米顆粒加入到紡絲溶液中，放入超聲分散儀中，設(shè)置超聲功率為100w，超聲分散30min；

8、步驟三：靜電紡絲

9、將紡絲設(shè)備的紡絲電壓設(shè)置為25kv，溶液流速設(shè)定為0.5ml/h，將步驟二中制備好的紡絲溶液裝入設(shè)備上的紡絲液容器中，紡絲液容器上帶有噴頭，設(shè)備上接收裝置與噴頭的距離保持在15cm；啟動靜電紡絲設(shè)備進(jìn)行紡絲，隨后在接收裝置上形成納米纖維膜，其平均纖維直徑為150nm，纖維直徑均勻性偏差在±5％以內(nèi)；

10、步驟四：納米纖維膜表面修飾

11、在步驟三中的納米纖維膜制備完成后，將納米纖維膜放入等離子體處理設(shè)備中對其表面進(jìn)行預(yù)處理，處理時間為10min；

12、步驟五：前驅(qū)體溶液制備

13、以重量份數(shù)計，稱取5.6份的鐵源，所述鐵源為硝酸鐵，鐵離子濃度0.1mol/l，16.6份的對苯二甲酸有機配體；將稱取的鐵源和對苯二甲酸加入到適量的去離子水中，攪拌溶解，控制溶液總體積，使鐵離子濃度達(dá)到0.1mol/l，對苯二甲酸濃度達(dá)到0.15mol/l；然后用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液ph值至5.5，調(diào)配出含有金屬離子和有機配體的前驅(qū)體溶液；

14、步驟六：mof納米顆粒原位生長

15、將經(jīng)過表面修飾的納米纖維膜浸入步驟五中制備的前驅(qū)體溶液中，放入反應(yīng)容器內(nèi)；通過恒溫加熱裝置將反應(yīng)體系溫度控制在80℃，溫度波動范圍小于±0.5℃；反應(yīng)持續(xù)12h，在反應(yīng)過程中，每1-2h通過掃描電子顯微鏡(sem)觀察mof納米顆粒的生長情況，保證mof納米顆粒在納米纖維表面的負(fù)載率達(dá)到40％，且分布均勻。

16、作為優(yōu)選地，在步驟二中，mof納米顆粒的預(yù)處理包含以下步驟：

17、s1、清洗：按重量份數(shù)，將100份的mof納米顆粒分散在600份乙醇中，通過離心分離的方法進(jìn)行清洗，反復(fù)洗滌3次；

18、s2、干燥：經(jīng)過清洗后的mof納米顆粒在真空干燥箱中，在40-100℃下干燥6-12h，以除去溶劑；

19、s3、粉碎研磨：將干燥后的mof納米顆粒在球磨機中研磨0.5-2h；

20、s4、表面修飾：將mof納米顆粒與5份硅烷偶聯(lián)劑在50℃下攪拌反應(yīng)2h。

21、作為優(yōu)選地，在步驟四中，所述納米纖維膜的厚度為20μm，其拉伸強度達(dá)到10mpa，斷裂伸長率為30％。

22、作為優(yōu)選地，在步驟四中，所述納米纖維膜的孔隙率為60％。

23、作為優(yōu)選地，在步驟四中，所述納米纖維膜在20-150℃溫度范圍內(nèi)，其質(zhì)量損失小于5％。

24、作為優(yōu)選地，在步驟四中，所述納米纖維膜表面經(jīng)過親水處理，其水接觸角小于30°。

25、作為優(yōu)選地，在步驟四中，所述納米纖維膜在2.45ghz的微波場中，能夠產(chǎn)生5℃/min的升溫速率。

26、作為優(yōu)選地，在步驟六中，所述mof納米顆粒在納米纖維膜上的分布均勻性通過掃描電鏡(sem)和能譜分析(eds)表征，其元素分布偏差小于8％。

27、另一方面，本發(fā)明提供一種納米纖維膜，根據(jù)根據(jù)上述提供的一種微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜的制備方法制備得到，所述納米纖維膜上負(fù)載有mof納米顆粒，所述mof納米顆粒為鐵基、鈷基、鎳基中的一種或多種，所述mof納米顆粒的平均粒徑為50nm，通過原位生長工藝負(fù)載在納米纖維膜上。

28、另一方面，本發(fā)明提供一種微波食品包裝，其應(yīng)用有上述的納米纖維膜，包含以下制備步驟：

29、(1)包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計：由兩層食品級包裝層和夾在中間的一層微波介電敏感響應(yīng)的納米纖維膜組成的包裝結(jié)構(gòu)；

30、(2)食品級包裝層選擇：食品級包裝層選用聚乙烯(pe)材料，其厚度為30μm；

31、(3)納米纖維膜布置位置確定：通過熱成像分析和模擬計算，確定食品內(nèi)部冷熱點位置；

32、(4)納米纖維膜形狀與尺寸定制：根據(jù)食品外形定制納米纖維膜的形狀、尺寸，使其在食品易出現(xiàn)冷熱點區(qū)域的面積覆蓋率達(dá)到80％。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

34、1.本發(fā)明所制備的納米纖維膜在2.45ghz的微波場中升溫速率可達(dá)5℃/min，能快速響應(yīng)微波，將微波能高效轉(zhuǎn)化為熱能，均勻地對食品進(jìn)行加熱，有效解決了微波加熱過程中食品受熱不均勻的難題，顯著提升了食品加熱的效率與質(zhì)量。

35、2.本發(fā)明所制備的納米纖維膜拉伸強度達(dá)到10mpa，斷裂伸長率為30％，厚度為20μm。這樣的力學(xué)性能使其在包裝等實際應(yīng)用場景中能夠承受一定外力，不易破裂，保證了產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性。

36、3.本發(fā)明所制備的納米纖維膜孔隙率為60％，該孔隙結(jié)構(gòu)在微波加熱過程中，既有利于氣體交換，維持食品新鮮度，防止因氣體積聚導(dǎo)致食品變質(zhì)，又能促進(jìn)熱量更均勻地傳遞到食品內(nèi)部。

37、4.本發(fā)明所制備的納米纖維膜，在20-150℃溫度范圍內(nèi)，納米纖維膜質(zhì)量損失小于5％，表明其具有良好的熱穩(wěn)定性。在微波加熱等常見的溫度變化環(huán)境下，能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，確保產(chǎn)品的安全性與可靠性，不會因溫度波動而出現(xiàn)分解或性能劣化的情況。

38、5.本發(fā)明所制備的納米纖維膜表面經(jīng)過親水處理后，水接觸角小于30°。良好的親水性使得納米纖維膜在與食品接觸時，能夠更好地吸收食品中的水分，防止水分在包裝內(nèi)部積聚而影響食品質(zhì)量，同時也有助于熱量的傳遞，進(jìn)一步提升食品加熱的均勻性。

39、6.本發(fā)明所制備的納米纖維膜通過原位生長工藝負(fù)載的mof納米顆粒平均粒徑為50nm，負(fù)載率達(dá)到40％且分布均勻，經(jīng)掃描電鏡(sem)和能譜分析(eds)表征，其元素分布偏差小于8％。均勻分布的mof納米顆粒充分發(fā)揮了微波介電敏感性能，使納米纖維膜在微波場中各部位的響應(yīng)一致，從而保證了熱量傳遞的均勻性，顯著增強了納米纖維膜的微波介電敏感性能。

40、7.本發(fā)明將該納米纖維膜應(yīng)用于微波食品包裝，通過合理設(shè)計包裝結(jié)構(gòu)，由兩層食品級包裝層(選用厚度為30μm的聚乙烯(pe)材料)和夾在中間的一層納米纖維膜組成。利用熱成像分析和模擬計算確定食品內(nèi)部冷熱點位置，并根據(jù)食品外形定制納米纖維膜的形狀、尺寸，使其在食品易出現(xiàn)冷熱點區(qū)域的面積覆蓋率達(dá)到80％，針對性地解決了食品在微波加熱過程中的受熱不均問題，極大地提升了微波食品包裝的實用性和功能性。