[发明专利]一种可降解阻隔纳米复合膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种可降解阻隔纳米复合膜及其制备方法与应用。该复合膜由可降解聚合物聚乳酸PLA和聚乙烯醇PVA以及胺基化合物接枝改性的氧化石墨烯制备而成，其中，PLA和PVA两种聚合物的比例在5:1～2:1之间，接枝改性的氧化石墨烯占复合膜质量的0.1～1.0wt％。本发明通过胺基化合物修饰氧化石墨烯，胺基化合物和氧化石墨烯的反应比例为0.02～0.1mmol/1mg。本发明所述的复合纳米材料具有良好的分散性能和相容性，通过溶液成膜制备得到的纳米复合膜同时具有优异的力学性能和气体阻隔性能，在包装膜方面具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于高分子纳米复合膜领域，具体涉及一种可降解阻隔纳米复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

聚合物膜因其质轻、低成本、易加工成型等优点广泛应用于食品、医药、化妆品包装、农用包衣以及电子封装等领域。同时，传统的聚合物包装膜的广泛使用带来严重的白色污染问题。从十年前的“限塑”到现如今的“禁塑”，可以看出解决传统聚合物膜造成的白色污染问题刻不容缓。可降解聚合物不仅具备传统石油基聚合物质量轻、柔性强、易加工等优点，还能在环境中完全降解，可以从根源上有效解决石油基聚合物带来的严重污染问题，是传统塑料包装材料的理想替代品。

可降解包装材料在农业、包装等领域已经有了应用，并且受到广泛关注。然而，可降解聚合物气体阻隔性能差，不能对产品起到良好的保护作用，难以满足实际工程的高阻隔需求。因此，提高可降解聚合物气体阻隔性能是其推广应用的关键。最常见的可降解聚合物是聚乳酸(PLA)和聚乙烯醇(PVA)。聚乳酸PLA的生物可降解性使之能够满足环保的需求，并且能够安全地运用在食品包装。与现有的石油基聚合物相比，聚乳酸有良好的机械、光学和阻隔性能。但是，PLA的阻隔性能要低于传统的石油基聚合物，其二氧化碳CO₂，水汽，氧气O₂的渗透率都要高于常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

聚乙烯醇PVA具有优异的抗污染性、强力粘接性、力学性能，气体阻隔性和耐油耐溶剂性突出，是少有的强阻隔性可降解高分子材料。其对氢气、氮气、氧气、二氧化碳等的透过率都非常低。由于PVA可降解性和气体阻隔性能，在包装膜方面受到了广泛的重视。但是PVA链上含有丰富的羟基，具有良好的水溶性，因而其耐水性差，同时对水汽的渗透率比较高。另外PVA成膜性也比较差，难以制备厚度均一的薄膜。

通过在基材中加入纳米粒子来增强其力学和阻隔性能也是一种有效方法。氧化石墨烯因其超高径厚比和超大比表面积等特性，可以通过延长气体扩散路径、减少可渗透面积有效提高聚合物的气体阻隔性能。然而，由于强范德华力和π-π共轭结构，氧化石墨烯片层间相互作用远大于氧化石墨烯-基材间的相互作用，导致了其团聚和较差的界面相容性，不利于阻隔性能的提升。

现有的PLA材料其气体渗透率高，阻隔性能差，因而无法满足包装材料的实际需求。通过掺混无机纳米粒子尽管可以提高一些阻隔性能，但是依然面临着无机纳米粒子与油溶性的PLA基材相容性差的问题，因而导致无机纳米粒子分散性不好，最终膜的阻隔性能提升有限。PVA尽管有很好的二氧化碳CO₂、氧气O₂阻隔性能，但是其水溶性导致其耐水性差，水汽透过率高，导致无法实际使用。

当前可降解的纳米复合膜材料大多数报道的是单一的高分子基材与纳米粒子的共混，主要集中于解决纳米粒子在高分子基材中的分散性问题。例如，PLA的纳米复合材料以及PVA的纳米复合材料已经有很多相关的研究报道。然而，PLA和PVA以及纳米粒子复合材料的研究非常少，主要的问题在于PVA是水溶性聚合物，亲水性强；而PLA是油溶性聚合物，具有疏水性。尽管PLA和PVA都具有可降解性和各自的优点，但是两种聚合物基材的相容性非常差，因而PLA/PVA/纳米粒子复合材料的研究非常少，还没有作为可降解包装材料应用的报道。

发明内容

为了克服现有单一基材存在的阻隔性能差，阻隔气体种类相对有限，以及共混体系中存在的相容性差、分散不好的问题，本发明首要目的在于提供一种可降解阻隔纳米复合膜。