CN106317578A - 一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料制备领域，公开了一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜及其制备方法。首先将乙醇胺功能化石墨烯纳米带分散于低密度聚乙烯基体中制得母料；母料与低密度聚乙烯粒料按1:1质量比混合后，经挤出造粒、压片切割制得纳米材料薄膜；所述的纳米材料薄膜中，乙醇胺功能化石墨烯纳米带占低密度聚乙烯基体的质量含量为0.2%~1.5%。本发明中氧化石墨烯纳米带经过乙醇胺改性后，增加了其在有机溶剂中的溶解性，使其能均匀分散在LDPE基体中。乙醇胺功能化石墨烯纳米带插层与LDPE基体间的紧密结合使复合材料具有优异的阻隔性能，乙醇胺的引入使复合材料薄膜的紫外屏蔽能力大大提高，能应用在紫外线屏蔽和阻隔包装薄膜领域，具有广泛的应用前景。

Description

一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料制备技术领域，具体涉及一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜及其制备方法。
背景技术
聚乙烯（PE）是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，结构简单，也是应用最广泛的高分子材料。聚乙烯无毒无臭，具有优良的高伸展性、耐低温性能，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀；被广泛应用于工业、农业、包装及日常工业中，在中国应用相当广泛。然而聚乙烯薄膜的不足之处在于，一些小分子如氧气、水蒸气等容易渗透出去，同时紫外线极易穿透过去，极大地限制了PE薄膜材料在紫外线屏蔽、阻隔方面的应用。所以进一步提高PE的性能，使其功能化成为研究的重点。
为了提高薄膜材料的紫外线屏蔽性能和阻隔性能，可以考虑在TPU基体中均匀分散适量的具有高性能效率的填料，从而使薄膜达到预想的效果。石墨烯纳米带(GNRs)是一种主要由碳原子构成的薄带状结构材料，可以看作是石墨烯的一种特殊结构二维变体。GNRs除了具有石墨烯优良的物理、化学以及机械性能外，由于自身较高的长径比，对水等小分子物质稳定、高比表面积、低缺陷、形态可调，因而具有比石墨烯更优异的提高聚合物阻隔的能力，具有广泛的应用前景。
本发明将乙醇胺功能化石墨烯纳米带分散于LDPE树脂基体中，在双螺杆挤出机中融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出EGNRs/LDPE复合材料薄膜，对其性能进行研究，乙醇胺的引入大大增强了复合材料薄膜的紫外屏蔽性能和石墨烯纳米带在基体中的分散性；使制备出的EGNRs/ LDPE复合材料薄膜具有优异的紫外屏蔽和阻隔性能，从而使得本发明在学术上具有创新价值，在实际应用中具有广泛的社会效益。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜及其制备方法。本发明通过EGNRs插层与LDPE基体间的紧密结合使得复合材料薄膜具有优异的紫外屏蔽性能和阻隔性能。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法：将乙醇胺功能化石墨烯纳米带（EGNRs）分散于低密度聚乙烯基体中制得母料；母料与低密度聚乙烯粒料按1:1质量比混合后，经挤出造粒、压片切割制得纳米材料薄膜；所述的纳米材料薄膜中，乙醇胺功能化石墨烯纳米带占低密度聚乙烯基体的质量含量为0.2%~1.5%。
所述的乙醇胺功能化石墨烯纳米带的制备方法为：将氧化石墨烯纳米带（GONRs）和乙醇胺在25℃反应24h后，冷冻干燥制得改性氧化石墨烯纳米带（EGONRs）；将改性氧化石墨烯纳米带均匀分散于去离子水中，加入水合肼，100℃反应6 h，制得乙醇胺功能化石墨烯纳米带（EGNRs）。
所述的低密度聚乙烯基体的熔融指数值为1.0~3.0 g/10 min，优选范围为1.5~2.0g/10min。
所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法：将乙醇胺功能化石墨烯纳米带分散于二甲苯中，超声形成均匀分散的纳米溶液；然后加入低密度聚乙烯，并升温至80℃，搅拌至糊状液体；然后将糊状液体倒入无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到母料；随后将母料与低密度聚乙烯粒料按质量比1:1加入双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出纳米材料薄膜；纳米溶液中乙醇胺功能化石墨烯纳米带的浓度为0.002 mg·mL-1；所述的熔融温度为140℃。
一种如上所述的制备方法制得的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜。
经本发明方法制得的功能化纳米材料薄膜材料具有优异的紫外屏蔽性能、阻隔性能，在实际生产中可以应用在紫外线释放车间、遮阳器材方面和包装方面，具有广阔的实际应用价值。
本发明的有益效果在于：
1）经过水合肼还原所得的乙醇胺功能化石墨烯纳米带具有优异的长径比、低缺陷、结构致密等特点，一方面由于引入了乙醇胺，改善了石墨烯纳米带的亲油性，实现了其在二甲苯中均匀分散，与低密度聚乙烯基体相容性好，为制备复合材料薄膜提供了基础；另一方面乙醇胺的引入，由于乙醇胺化石墨烯纳米带独特的性质以及在基体中均匀分布，为优异的紫外屏蔽和阻隔性能提供了基础，大大增强了复合纳米材料薄膜的紫外屏蔽性能；
2）本发明制备方法科学合理、工序简单、操作性强，制备LDPE复合纳米材料薄膜安全环保，具有优异的紫外屏蔽性能、阻隔性能；同时在实际生产中可以应用在紫外线释放车间、遮阳器材方面和包装方面，提高了产品的附加值，极大地扩展了LDPE薄膜的应用范围，具有广泛的市场前景和显著的社会经济效益。
附图说明
图1A为（a）GONRs、（b）EGONRs和（c）EGNRs的FTIR谱；
图1B为（1）GONRs、（2）EGONRs和（3）EGNRs在二甲苯中的分散图(溶液浓度为0.5 mg·mL-1，静置15d后)；
图2为EGNRs/LDPE纳米材料薄膜试样的淬断面喷金后的扫描电镜分析图(SEM)；
图3为纯LDPE薄膜以及添加不同纳米填料时LDPE纳米材料薄膜的氧气透过率变化曲线；
图4为纯LDPE薄膜以及添加不同纳米填料时LDPE纳米材料薄膜的紫外线透过率曲线。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的方法，具体步骤为：
（1）GONRs的制备：首先将180 mL浓H2SO4缓慢地加入到圆底烧瓶中搅拌，再将20 mLH3PO4慢慢滴入，在一定转速下混合均匀，将1 g MWCNTs缓慢加入并搅拌30 min至均匀，再将6 g KMnO4缓慢加入到以上混合液中；将上述反应体系在50℃的油浴中搅拌反应24 h后降温至室温，然后将其倒入含10 mL H2O2的500 mL去离子水中冰浴搅拌1 h，此时溶液变成墨绿色说明反应充分，然后加入适量HCl离心至中性，最后在冷冻干燥机中干燥得到GONRs；
（2）EGONRs的制备：将100 mg GONRs溶于100 mL去离子水中，100W超声1 h形成均匀分散液；加入一定HCl，调节pH至1~2；然后加入0.5 g乙醇胺室温反应24 h，得到的黑色糊状产物，用无水乙醇和去离子水洗涤多次以除去剩余的乙醇胺和HCl，最后在冷冻干燥机中干燥得到EGONRs；
（3）EGNRs的制备：100 mg EGONRs溶于100 mL去离子水中，100W超声1 h形成均匀分散液，加入1 g水合肼，于100℃下还原6 h；得到的黑色糊状产物，用无水乙醇和去离子水洗涤多次以除去剩余的水合肼，最后在冷冻干燥机中干燥得到EGNRs；
（4）EGNRs/LDPE复合薄膜的制备：取5 g LDPE 置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状液体，将0.05 g EGNRs溶于10mL二甲苯中，然后缓慢倒入圆底烧瓶中，并在一定转速下搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出厚度为0.5 mm不同含量的EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
对比例1
取5 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状液体，将糊状液体缓慢地倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到LDPE母料；随后将所得LDPE母料与LDPE粒料按1:1比例加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出厚度为0.5 mm LDPE薄膜。
实施例1
取5 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05 gEGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料，随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出0.5wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例2
取12.5 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入60 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料，随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出0.2wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例3
取6.25 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入40 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出0.4wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例4
取4.17 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出0.6wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例5
取3.125 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05 g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出0.8wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例6
取2.5 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出1.0wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。
实施例7
取1.7 g LDPE置于圆底烧瓶中，加入30 mL二甲苯，升温至80℃并搅拌至糊状；将0.05g EGNRs溶于10mL二甲苯中，缓慢倒入圆底烧瓶中，并搅拌均匀；将混合液缓慢的倒入大量的无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到EGNRs/LDPE母料；随后将所得EGNRs/LDPE母料与LDPE粒料按1:1加入双螺杆挤出机中在140℃下融熔挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出1.5wt%EGNRs/LDPE复合材料薄膜。

Claims (7)

1.一种高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：将乙醇胺功能化石墨烯纳米带分散于低密度聚乙烯基体中制得母料；母料与低密度聚乙烯粒料按1:1质量比混合后，经挤出造粒、压片切割制得纳米材料薄膜；所述的纳米材料薄膜中，乙醇胺功能化石墨烯纳米带占低密度聚乙烯基体的质量含量为0.2%~1.5%。
2.根据权利要求1所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：所述的乙醇胺功能化石墨烯纳米带的制备方法为：将氧化石墨烯纳米带和乙醇胺在25℃反应24h后，冷冻干燥制得改性氧化石墨烯纳米带；将改性氧化石墨烯纳米带均匀分散于去离子水中，加入水合肼，100℃反应6 h，制得乙醇胺功能化石墨烯纳米带。
3.根据权利要求1所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：所述的低密度聚乙烯基体的熔融指数值为1.0~3.0 g/10 min。
4.根据权利要求1所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：将乙醇胺功能化石墨烯纳米带分散于二甲苯中，超声形成均匀分散的纳米溶液；然后加入低密度聚乙烯，并升温至80℃，搅拌至糊状液体；然后将糊状液体倒入无水乙醇中搅拌絮凝，过滤并干燥，得到母料；随后将母料与低密度聚乙烯粒料按质量比1:1加入双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，最后利用平板硫化机经压片切割制备出纳米材料薄膜。
5.根据权利要求1所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：纳米溶液中乙醇胺功能化石墨烯纳米带的浓度为0.002 mg·mL-1。
6.根据权利要求1所述的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜的制备方法，其特征在于：所述的熔融温度为140℃。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的高紫外屏蔽高阻隔性纳米材料薄膜。
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