[发明专利]一种提高薄膜基质气体阻隔特性的方法及薄膜和应用

说明书

本发明公开一种提高基质气体阻隔特性的方法，属于生物塑料包装技术领域。采用的技术方案是：将一定质量分数的醋酸纤维素(CA)和甘油溶液通过流延法制备醋酸纤维素薄膜，在分子胶水作用下与氧化石墨烯(GO)纳米片结合形成致密复合薄膜材料(CA/GO)，随后将采用室温快速还原法制备的过渡金属氧化物纳米颗粒(NPs)在氢键作用下铆钉在CA/GO薄膜表面实现GO缺陷位精准修补，阻断气体传输通道，进而获得高气体阻隔CA/GO‑NPs纳米复合薄膜。本发明能耗低，工艺流程简单，易于批量化、大面积生产，有效降低氧气和水蒸气分子的渗透率，有望在食品保鲜、药物包装、电子产品包装以及农业包装等生物塑料基包装领域得到广泛应用。

技术领域

本发明属于生物塑料耐气性薄膜技术领域，尤其涉及一种提高基质气体阻隔特性的方法。

背景技术

近年来，随着禁塑令的颁布和人们对环境问题的日益关注，作为生物塑料包装的天然材料因其生物相容性、生物降解性、可再生性和低成本等优点而引起了越来越多的关注。特别是，纤维素是最丰富和可再生的天然多糖，可以有效地从各种木质纤维素生物质中分离出来，包括木材或农业残留物。此外，作为纤维素最有前途的衍生物之一，醋酸纤维素(CA)已被广泛用于各种日常消费产品，如香烟过滤器、纺织品和包装膜材料等。然而，纯的CA薄膜的高气体渗透性严重限制了其在生物塑料包装领域的实际应用，以保护对氧气和水分敏感的物体，特别是在高湿度条件下。克服这一缺点的有效策略是加入适当的纳米填料，如蒙脱土、无机氧化物和碳质纳米材料(如碳纳米管、还原氧化石墨烯(rGO)和氧化石墨烯(GO)纳米片)。其中，由于高度sp2杂化排列的碳骨架结构和0.246纳米的小晶格参数，涉及堆叠的GO和rGO纳米片的二维(2D)石墨烯材料被认为是气体屏障材料中的新星。理论上，无缺陷的单层石墨烯纳米片对所有的气体、液体和腐蚀性化学品都是不可渗透的。然而，在原始石墨的剥离过程中以及随后的还原过程中，基底面内不可避免地产生了各种缺陷，如Stone-Wales缺陷、晶界、空位和宏观缺陷，这导致了许多微观的气体传输通道和短的气体渗透路径，从而导致气体屏障性能不佳。

到目前为止，各种GO和衍生物已经被合成并引入CA薄膜基体中，通过物理混合来提高阻隔性能。然而，这种处理方法限制了进一步优化纳米复合膜的基本物理化学特性的进程。此外，rGO的分散通常涉及到有毒的有机溶剂的使用，对周围环境造成污染。因此，通过喷涂、棒状涂层或浸渍技术，将GO或rGO作为多层涂层涂在不同的基材表面，而不是作为独立的膜，是比较实用的。然而，不良的界面相互作用很容易导致GO或rGO层在外部物理力的作用下(如弯曲、拉伸和折叠)从基材上脱落，限制了实际应用。因此，人们非常希望能制造出具有高耐气性的坚固的生物塑料薄膜。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种提高基质气体阻隔特性的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

将一定质量分数的醋酸纤维素和甘油溶液通过流延法制备醋酸纤维素薄膜，在分子胶水作用下与GO纳米片结合形成致密复合薄膜材料(CA/GO)，随后将采用室温快速还原法制备的过渡金属氧化物纳米颗粒(NPs)在氢键作用下铆钉在CA/GO薄膜表面实现GO缺陷位精准修补，阻断气体传输通道，即可获得具有高气体阻隔性能的CA/GO-NPs纳米复合薄膜材料。

所述将一定质量分数的醋酸纤维素和甘油溶液通过流延法制备醋酸纤维素薄膜为将按照质量分数为6～18wt.％的醋酸纤维素和质量分数为3wt.％～12wt.％的增塑剂分散在乙酸溶液中，搅拌均匀，增塑剂为甘油。

具体制备方法为：1)将醋酸纤维素(CA)和甘油溶液通过流延法制备醋酸纤维素薄膜；

2)在分子胶水作用下与氧化石墨烯(GO)纳米片结合形成致密复合薄膜材料(CA/GO)；

3)随后于溶液中将采用室温下快速还原法制备的过渡金属氧化物纳米颗粒(NPs)在GO表面含氧基团的氢键作用下铆钉在CA/GO薄膜表面，进而获得高气体阻隔CA/GO-NPs复合薄膜。