再生纤维素基复合薄膜的制备及阻隔性研究

发布时间：2020-05-01 16:49

【摘要】：石油基聚合物薄膜因其成本低、质轻、多功能和良好的加工性能等特点,在包装防护领域受到了广泛的关注。然而,这种聚合物材料的过度使用将导致不可再生石油资源的消耗和不可降解废弃物对环境的污染。纤维素是地球上已知的最丰富的天然高分子聚合物,纤维素纳米纤维(CNF)是将天然纤维素化学处理后得到的一种再生纤维素,具有成本低、可再生和可生物降解等优点。然而,CNF较差的气体阻隔性能极大地限制了其在氧气敏感型商品包装中的应用,尤其是在高湿度环境下。因此,开发具有高气体阻隔性能的CNF包装材料是势在必行的。纳米片层填充法已被报道为获得高气体阻隔性复合薄膜的有效方法。氧化石墨烯(GONS)具有高的比表面积和大的纵横比通常与聚合物基体共混制备多功能纳米复合材料。本课题使用逐层涂覆和热压成型法制备了GONS/CNF复合薄膜。但是由于CNF和GONS都含有大量的亲水基团,GONS/CNF复合薄膜表现出亲水性,导致水蒸气阻隔性能不理想。因此,本课题通过溶液浸渍法利用GN-704防水防腐纳米复合陶瓷涂层对纯CNF薄膜和GONS/CNF复合薄膜进行表面疏水改性,得到H-mCNF和H-mGONS/CNF复合薄膜。XRD结果表明,GONS被完全剥离并良好分散在CNF基体中。SEM和GI-WAXS表明GONS在强烈的剪切流场作用下沿薄膜方向高度取向。这种独特的结构使GONS/CNF纳米复合薄膜具有超高的氧气阻隔性能。仅添加3.66vol%的GONS,CNF薄膜的氧气渗透系数从5.5 ×10-13降低至1.4×10-17 cm3 cm.cm-2s-1Pa-1,下降了约4×104倍。同时,CNF薄膜的拉伸强度和杨氏模量分别提高了2倍和57倍。此外,GONS的添加也提高了CNF薄膜的热稳定性。SEM结果显示,通过溶液浸渍法在CNF及其复合薄膜表面形成了一层由圆球状无机氧化物颗粒组成的微米级粗糙结构。这种粗糙结构使CNF及其复合薄膜表面由亲水性转变为疏水性,CNF薄膜的水接触角从0°显著提高到140°以上。疏水改性之后,由于水接触角的增大和可渗透水蒸气分子的减少,CNF及其复合薄膜的水蒸气阻隔性能得到提高,CNF薄膜的水蒸气渗透系数从1.61×10-12降低至1.41×10-12 g·cm·cm-2 s-1 Pa-1。此外,疏水改性之后,H-mCNF薄膜具有良好的防污性和自清洁功能。
【图文】：

分子结构图,纤维素,分子结构

= (1 + 1 )(取向分布)修正后的气体渗透系数与 αφ 成二次关系。对比可知，Cussler 模型对应的 Rp 值低于Nielsen-Bharadwaj 模型，即关于纳米片层填料/聚合物复合材料的气体阻隔性能，Cussler 模型比 Nielsen-Bharadwaj 模型的要求更苛刻。1.3 国内外研究进展1.3.1 再生纤维素概述纤维素（CE）是地球上已知的最丰富的天然高分子聚合物。纤维素由失水葡萄糖组成，化学式为(C6H12O5)n，其分子结构如图 1-1 所示。纤维素具有可再生，绿色环保，，无毒无污染和可生物降解等优点，是一种良好的石油基聚合物替代品[37,38]。天然纤维素通过化学、物理或生物等方法处理可以制得再生纤维素，如纳米纤维素（NC）等[39]。NC 与天然纤维素相比具有比表面积大、结晶度高、反应活性高和生物相容性好等优点，作为天然绿色材料被广泛应用于众多领域[40,41,42]。纳米纤维素的直径约为 0-100nm，根据其微观形貌的不同，NC可以分为针状的纳米微晶纤维素(NCC)、网络状的微纤化纤维素(MFC)和纤丝状的纤维素纳米纤维(CNF)。

氧化石墨,石墨,结构模型

1 绪论伸强度 125GPa）的二维纳米材料[60,61]。由于独特的石墨化平面结构，石墨烯具有极高的比表面积（理论值达 2630m2/g）和大的纵横比（约为 800），这种独特的片层状结构能够显著延长气体分子的渗透路径且减少气体分子的可渗透面积。此外，Bunch 等[62]从理论证明石墨烯片层具有不渗透性。因此，石墨烯是制备碳基纳米复合材料的高效气体阻隔性能填料[63]。但是，石墨烯易于团聚，不利于在聚合物基体中的均匀分散。氧化石墨烯（GONS）是通过 Brodie 法、Staudenmaier 法和改性 Hummers 法等氧化处理膨胀石墨得到的石墨烯氧化衍生物，其分子结构如图 1-2b 所示。经氧化处理之后，石墨烯片层结构上的部分双键被羟基、羧基和环氧基取代[64,65]，这些含氧官能团的存在促进了GONS 在极性溶剂中的完全剥离和均匀分散，为赋予 GONS 与极性聚合物之间良好的界面结合作用提供了理论依据[66]。因此，GONS 被认为是制备具有高气体阻隔性能的极性聚合物基纳米复合薄膜的优异气体阻隔填料。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS206.4;TB383.2

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