【摘要】：石油基聚合物薄膜因其成本低、質(zhì)輕、多功能和良好的加工性能等特點(diǎn),在包裝防護(hù)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。然而,這種聚合物材料的過(guò)度使用將導(dǎo)致不可再生石油資源的消耗和不可降解廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。纖維素是地球上已知的最豐富的天然高分子聚合物,纖維素納米纖維(CNF)是將天然纖維素化學(xué)處理后得到的一種再生纖維素,具有成本低、可再生和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。然而,CNF較差的氣體阻隔性能極大地限制了其在氧氣敏感型商品包裝中的應(yīng)用,尤其是在高濕度環(huán)境下。因此,開(kāi)發(fā)具有高氣體阻隔性能的CNF包裝材料是勢(shì)在必行的。納米片層填充法已被報(bào)道為獲得高氣體阻隔性復(fù)合薄膜的有效方法。氧化石墨烯(GONS)具有高的比表面積和大的縱橫比通常與聚合物基體共混制備多功能納米復(fù)合材料。本課題使用逐層涂覆和熱壓成型法制備了GONS/CNF復(fù)合薄膜。但是由于CNF和GONS都含有大量的親水基團(tuán),GONS/CNF復(fù)合薄膜表現(xiàn)出親水性,導(dǎo)致水蒸氣阻隔性能不理想。因此,本課題通過(guò)溶液浸漬法利用GN-704防水防腐納米復(fù)合陶瓷涂層對(duì)純CNF薄膜和GONS/CNF復(fù)合薄膜進(jìn)行表面疏水改性,得到H-mCNF和H-mGONS/CNF復(fù)合薄膜。XRD結(jié)果表明,GONS被完全剝離并良好分散在CNF基體中。SEM和GI-WAXS表明GONS在強(qiáng)烈的剪切流場(chǎng)作用下沿薄膜方向高度取向。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使GONS/CNF納米復(fù)合薄膜具有超高的氧氣阻隔性能。僅添加3.66vol%的GONS,CNF薄膜的氧氣滲透系數(shù)從5.5 ×10-13降低至1.4×10-17 cm3 cm.cm-2s-1Pa-1,下降了約4×104倍。同時(shí),CNF薄膜的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了2倍和57倍。此外,GONS的添加也提高了CNF薄膜的熱穩(wěn)定性。SEM結(jié)果顯示,通過(guò)溶液浸漬法在CNF及其復(fù)合薄膜表面形成了一層由圓球狀無(wú)機(jī)氧化物顆粒組成的微米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。這種粗糙結(jié)構(gòu)使CNF及其復(fù)合薄膜表面由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?CNF薄膜的水接觸角從0°顯著提高到140°以上。疏水改性之后,由于水接觸角的增大和可滲透水蒸氣分子的減少,CNF及其復(fù)合薄膜的水蒸氣阻隔性能得到提高,CNF薄膜的水蒸氣滲透系數(shù)從1.61×10-12降低至1.41×10-12 g·cm·cm-2 s-1 Pa-1。此外,疏水改性之后,H-mCNF薄膜具有良好的防污性和自清潔功能。
【圖文】：

= (1 + 1 )(取向分布)修正后的氣體滲透系數(shù)與 αφ 成二次關(guān)系。對(duì)比可知，Cussler 模型對(duì)應(yīng)的 Rp 值低于Nielsen-Bharadwaj 模型，即關(guān)于納米片層填料/聚合物復(fù)合材料的氣體阻隔性能，Cussler 模型比 Nielsen-Bharadwaj 模型的要求更苛刻。1.3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展1.3.1 再生纖維素概述纖維素（CE）是地球上已知的最豐富的天然高分子聚合物。纖維素由失水葡萄糖組成，化學(xué)式為(C6H12O5)n，其分子結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。纖維素具有可再生，綠色環(huán)保，，無(wú)毒無(wú)污染和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，是一種良好的石油基聚合物替代品[37,38]。天然纖維素通過(guò)化學(xué)、物理或生物等方法處理可以制得再生纖維素，如納米纖維素（NC）等[39]。NC 與天然纖維素相比具有比表面積大、結(jié)晶度高、反應(yīng)活性高和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，作為天然綠色材料被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[40,41,42]。納米纖維素的直徑約為 0-100nm，根據(jù)其微觀形貌的不同，NC可以分為針狀的納米微晶纖維素(NCC)、網(wǎng)絡(luò)狀的微纖化纖維素(MFC)和纖絲狀的纖維素納米纖維(CNF)。

1 緒論伸強(qiáng)度 125GPa）的二維納米材料[60,61]。由于獨(dú)特的石墨化平面結(jié)構(gòu)，石墨烯具有極高的比表面積（理論值達(dá) 2630m2/g）和大的縱橫比（約為 800），這種獨(dú)特的片層狀結(jié)構(gòu)能夠顯著延長(zhǎng)氣體分子的滲透路徑且減少氣體分子的可滲透面積。此外，Bunch 等[62]從理論證明石墨烯片層具有不滲透性。因此，石墨烯是制備碳基納米復(fù)合材料的高效氣體阻隔性能填料[63]。但是，石墨烯易于團(tuán)聚，不利于在聚合物基體中的均勻分散。氧化石墨烯（GONS）是通過(guò) Brodie 法、Staudenmaier 法和改性 Hummers 法等氧化處理膨脹石墨得到的石墨烯氧化衍生物，其分子結(jié)構(gòu)如圖 1-2b 所示。經(jīng)氧化處理之后，石墨烯片層結(jié)構(gòu)上的部分雙鍵被羥基、羧基和環(huán)氧基取代[64,65]，這些含氧官能團(tuán)的存在促進(jìn)了GONS 在極性溶劑中的完全剝離和均勻分散，為賦予 GONS 與極性聚合物之間良好的界面結(jié)合作用提供了理論依據(jù)[66]。因此，GONS 被認(rèn)為是制備具有高氣體阻隔性能的極性聚合物基納米復(fù)合薄膜的優(yōu)異氣體阻隔填料。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TS206.4;TB383.2

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本文編號(hào)：2646861