[发明专利]一种氧化石墨烯基高阻隔纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯基高阻隔纳米复合薄膜及其制备方法，其是以未改性或硅烷改性的氧化石墨烯为增强体，通过超声、搅拌的方法均匀分散在水性及溶剂型粘合剂中；然后通过干式复合法，使氧化石墨烯基纳米复合粘合剂在两层通用薄膜之间形成一层中间薄膜，即得到纳米复合薄膜。利用本发明方法制备的氧化石墨烯基纳米复合薄膜不仅透明性好，而且具有优异的阻隔和力学性能，解决了现有柔性透明薄膜阻隔性不佳的问题，适用于对阻隔性要求较高的食品和药品的包装。

技术领域

本发明属于石墨烯材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯基高阻隔纳米复合薄膜。

背景技术

聚合物薄膜材料以其优异的综合性能，作为玻璃、陶瓷和金属等的替代品在食品及药品的包装中得到了越来越广泛的应用。然而，聚合物薄膜材料存在透气和透湿的缺点，易导致食品变质、药品药性减弱，影响食品药品的长期保存。因此，提高聚合物薄膜材料的阻隔性能一直是国内外包装行业研究的热点和重点。目前塑料薄膜包装行业主要采用多层复合薄膜材料解决薄膜阻隔性能差的问题，其中有一层为高阻隔性材料(如铝箔)；或者在薄膜基材上镀上一薄层铝。然而，上述复合薄膜包装材料存在透光性差、成本高以及不能微波加热等缺点。自从2004年英国曼彻斯特大学Geim和Novoselov教授发现石墨烯以来，石墨烯引起了世界各国研究人员的兴趣。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的新型二维碳材料。碳六元环孔隙尺寸仅0.15nm，比已知的最小气体分子直径(氦气0.25nm)还要小，具备优良的气体阻隔性能，且单层石墨烯对可见光的透过率大于97％。因此，石墨烯是最理想的高效透明阻隔材料。在聚合物/石墨烯纳米复合材料中，一方面纳米石墨烯片层自身具有优异的阻隔性能，另一方面石墨烯具有小的片层厚度和大的宽厚比，纳米石墨烯片层所形成的阻隔网络可以增加气体渗透路径长度、限制气体分子渗透。因此，利用纳米石墨烯片层在聚合物基体中的“纳米阻隔效应”和“多路径渗透效应”，可以有效地改善聚合物薄膜的阻隔性能。

目前利用石墨烯制备高阻隔薄膜材料的方法主要是以石墨烯粉体作为改性填料，借助于溶剂与聚合物混合，然后通过流延、模压、浇筑、吹塑等成型方法制备复合薄膜。例如：专利CN103059434A公开了一种高阻隔聚苯乙烯复合薄膜的制备方法，利用氧化石墨烯(GONSs)作为高效层状纳米阻隔增强填料，通过溶液混合、减压蒸馏的方式，将GONSs包覆在PS微粒表面，获得GONSs/PS微阻隔单元，接着采用热压成型将GONSs/PS微阻隔单元组装构建具有隔离结构的GONSs/PS复合薄膜。专利CN104530686A公开了一种功能石墨烯/TPU薄膜及其制备方法和应用，采用改进Hummers法制备氧化石墨烯，先用十二烷基二甲基溴化胺进行插层改性，再用抗坏血酸进行还原，制得DDAB-RGO，最后以TPU树脂为基体，采用溶液涂覆成膜工艺制得DDAB-RGO/TPU复合薄膜。类似的还有：专利CN102115566A公开了“高阻隔性氧化石墨烯和聚合物纳米复合膜的制备方法”；专利CN103265714A公开了“一种聚乙烯醇/氧化石墨烯复合薄膜的制备方法”；专利CN102827386A公开了“一种聚醚醚酮/氧化石墨烯复合薄膜的制备方法”等。上述专利公布的方法基本上涉及两个步骤：第一步是通过溶剂法将石墨烯分散到聚合物溶液中，此过程需要使用大量的有机溶剂使聚合物溶解，且在成型前需要将溶剂除去；第二步是通过不同的薄膜成型工艺，将聚合物/石墨烯纳米复合材料成型为薄膜材料，此过程需要对现有成型工艺进行探索。因此，上述方法制备工艺复杂、繁琐、成本较高，不符合当前聚合物薄膜包装行业高阻隔薄膜的制备工艺，且需要对现有设备、工艺进行改造，不利于大规模的工业推广和应用。

发明内容

针对现有高阻隔性食品及药品包装薄膜的技术缺陷，本发明提出了一种氧化石墨烯基高阻隔纳米复合薄膜及其制备方法，所要解决的技术问题在于：以未改性及硅烷改性的氧化石墨烯为增强剂，制备具有高阻隔性、高透明度、易加工、低成本、综合性能优良的柔性透明高阻隔纳米复合薄膜。

本发明解决上述技术问题，采用如下技术方案：