[发明专利]一种制备兼具优异水蒸气和氧气阻隔性能的交替层状生物降解高分子阻隔材料的方法

说明书

本发明是制备一种兼具优异水蒸气和氧气阻隔性能的交替层状生物降解高分子阻隔材料的方法，其主要内容是通过向水蒸气阻隔层中添加疏水性物质提高水蒸气阻隔性能及阻隔性能对湿度的稳定性、向氧气阻隔层中添加比表面积大的填料增加氧气的扩散路径而提高氧气阻隔性能；利用共挤出系统设计最外层为水蒸气阻隔层、内部氧气阻隔层和水蒸气阻隔层交替排列的多层结构，从而同时获得优良的水蒸气和氧气阻隔性能及阻隔对湿度的稳定性；并通过共挤过程中的拉伸、剪切力场使分散相及填料的尺寸和形态结构优化而进一步提高阻隔性能，且同时提高力学性能。该方法是一种连续生产过程，工艺简单，不同批次之间的产品质量指标稳定，可大规模工业化生产，具有广阔的工业化和市场前景，在复合材料理论研究和应用开发等方面具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种兼具优异水蒸气和氧气阻隔性能的交替层状生物降解高分子阻隔材料的制备方法，更具体的说是涉及一种形态结构可调控、氧气与水蒸气阻隔性能优良、阻隔性能不受环境湿度变化影响、力学性能优良的交替层状生物降解高分子阻隔材料的制备方法，涉及复合材料技术领域。

背景技术

生物降解材料是一种来源于广泛的可再生资源，使用后在自然环境下易于降解不会对环境造成污染，成为了替代传统石油基塑料的优选。由于其具有良好的生物相容性、无毒性，来源广泛，已作为包装材料广泛应用于食品、电子器件等领域。同时具有对水蒸气和氧气优良的阻隔效果就成为考察生物降解材料阻隔性能的重要指标。

水蒸气和氧气阻隔能力与其分子结构密切相关。现有一些生物降解材料如合成生物降解高分子材料分子链比较柔软且紧密排列、分子极性较低，对水蒸气阻隔性能较好，但正是由于其极性较低，一般对氧气的阻隔性能较差；另一些生物降解材料如天然生物降解高分子材料由于含有极性基团或分子氢键其氧气阻隔性能一般较好，但其极性基团往往与水蒸气分子有强烈的相互作用并破坏分子氢键而在此类材料中快速渗透，导致对水蒸气的阻隔性能较差并且在环境湿度升高的情况下阻隔性能显著降低，这些因素限制了生物降解材料在包装等领域的广泛应用。研究兼具良好水蒸气和氧气阻隔性能的生物降解高分子材料就显得尤为重要，许多研究者进行了不同的改性研究。

传统通过添加疏水性物质或阻隔性能优良的填料作为分散相，来调控渗透物质的在材料中的溶解能力或扩散路径，进而提高生物降解材料的阻隔性能。例如，C. SwapnaJoseph[1]等人利用溶液混合浇铸法向水蒸气阻隔性能较差的壳聚糖中添加了疏水性的聚己内酯，降低水蒸气在复合材料中的溶解度而使水蒸气阻隔性能提高了31%，但同时也导致复合材料的氧气阻隔性能下降了95%。Hua-Dong Huang[2]等人利用溶液混合浇铸技术制备了氧化石墨烯（GO）/PVA的复合薄膜，具有良好阻隔能力的氧化石墨烯使得渗透物质在材料内部的扩散路径增长而大幅提高氧气阻隔性能，添加0.72% 的GO使得复合材料的氧气阻隔性能提高87倍，然而水蒸气阻隔性能仅提高3倍。Christian Aulin[3]等人利用溶液共混浇铸法制备了纳米纤维纤维素-蛭石复合材料，蛭石的高比表面积（2500 m²/g）可以增加水蒸气在材料内部的扩散路径而同时有效提高氧气和水蒸气的阻隔性能，但是这种复合材料的氧气和水蒸气阻隔性能在环境湿度由50%增加至80%时分别下降了21倍和30倍左右，表现出阻隔性能对环境湿度稳定性较差的缺点。

这些研究表明通过简单的共混难以同时提高水蒸气和氧气的阻隔性能，尤其难以保证氧气及水蒸气阻隔性能对环境湿度的稳定性。故而，通过设计复合材料形态结构尤其是设计多层结构来达到同时提高生物降解材料的水蒸气及氧气阻隔性能并保证阻隔性能对环境湿度的稳定性，正受到越来越多的研究者的广泛关注和研究。