一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法。本发明专利技术中复合膜原料包括聚乳酸、碳纳米管、KH‑550（硅烷偶联剂）、纳米原纤化纤维素和乙醇，通过硅烷改性剂的制备、纳米原纤化纤维素的硅烷化改性以及聚乳酸基纳米复合薄膜的溶液浇注成型，得到一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜。本发明专利技术原料来源广泛，制备工艺简单，可有效节省生产成本、提高经济效益。更重要的是，碳纳米管经改性后纳米原纤化纤维素的包覆后改善了团聚效果，三者物质之间的界面相容性得到了更好地改善，从而提升了碳纳米管和纳米原纤化纤维素对聚乳酸的增强效果，聚乳酸基纳米复合薄膜不仅力学性能得到了显著提高，阻隔性能也得到了大幅度增强。

Preparation of a High Strength and High Barrier Polylactic Acid-based Nanocomposite Film

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法
本专利技术涉及复合薄膜的制备领域，具体涉及一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法。
技术介绍
聚乳酸作为最具开发应用价值的可生物降解聚合物之一，其原料主要来源于自然界的可再生植物资源，如玉米淀粉、甜菜糖等的发酵。聚乳酸在自然环境中可被水解或被微生物完全降解，最终成为二氧化碳和水。聚乳酸呈线性聚合，几乎没有侧链活性基团，断裂延长率≤10%，其玻璃化温度（Tg）只有55℃，因此纯聚乳酸常温下受外力作用时往往会发生脆性断裂、拉伸强度低、抗冲击性差等；而纳米粒子以其特有的尺寸效应，较高的长径比，优异的力学性能和耐热性能等特点可以很好地弥补聚乳酸的缺点。碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)的碳原子间以碳—碳π键结合，内径在零点几纳米至几十纳米之间，具有很大的长径比。由于碳纳米管独特的管状结构，具有很大的长径比和比表面积，有良好的力学性能、化学稳定性，优异的导电性和导热性，但正因为它有这样的结构，碳纳米管极易发生团聚。纳米原纤化纤维素素(NFC)为细丝状和带状共混网络状结构，柔顺性好，由来源广泛且绿色环保的微晶纤维素制备而成，直径在50-60nm之间，是热塑性基体材料中具有很大吸引力的增强填料之一。因此，本专利技术制备聚乳酸/碳纳米管/纳米原纤化纤维素复合薄膜，协调三者的性能，充分发挥彼此的优势，得到了一种高强度且呈梯度型阻隔的复合薄膜。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法。本专利技术先制备硅烷改性剂并处理纳米原纤化纤维素，减少其表面的羟基，然后制备碳纳米管和纳米原纤化纤维素的分散液，最后以溶解的聚乳酸为基料采用溶液共混法制备高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜。整个操作过程简单且制备时间较短，很好地解决了碳纳米管的团聚问题和溶液之间的界面相容性问题，从而协同改善三者之间的分散性和成膜效果，大幅度提高复合膜的阻隔性能和力学性能。为实现以上的专利技术目的，本专利技术提供了一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法：步骤（1）：改性剂的制备。配制乙醇溶液，经冰醋酸调节pH、超声振荡后加入硅烷偶联剂（KH-550），混合搅拌水解得到改性剂溶液A。步骤（2）：纳米原纤化纤维素的硅烷化改性。超声分散滴加有80%的乙醇溶液的纳米原纤化纤维素得到纳米原纤化纤维素的悬浮液B；随后，将悬浮液B与改性剂溶液A混合超声分散，调节混合体系pH搅拌反应4h，最后反复离心洗涤即得硅烷化改性纳米原纤化纤维素混合液C。步骤（3）：生物基复合薄膜的制备。取一定量碳纳米管加入步骤（2）制备的混合液C中，超声分散均匀，然后将此混合液加入到二氯甲烷溶解的聚乳酸溶液中，磁力搅拌得到混合分散液D，最后将混合液D倒入培养皿中，于室温下自然干燥即得一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜。由于碳纳米管的结构使之极易发生团聚，所以在本专利技术中添加了硅烷化改性的纳米原纤化纤维素。一方面可改善碳纳米管的团聚现象，另一方面还增强了复合薄膜的强度和阻隔性能。进一步说，假设该复合薄膜中聚乳酸的重量份数为100份，则纳米原纤化纤维素为0.5-2.5份，碳纳米管为0.05份，改性剂为纳米原纤化纤维素重量份的10%，改性剂中硅烷偶联剂KH550与80wt%乙醇混合的体积比为2:3。进一步说，步骤（3）中先制备纳米原纤化纤维素和碳纳米管的混合溶液体系，可防止碳纳米管发生团聚。进一步说，制备该复合薄膜使用的纳米原纤化纤维素的平均粒径为657.5nm；所制备的硅烷化改性纳米原纤化纤维素的平均粒径为1475nm；所采用的碳纳米管为工业级多壁碳纳米管，直径为8-15nm，长度为30-50μm。进一步说，步骤（1）中的超声时间为10min；步骤（2）中悬浮液B的配制超声时间为30min，混合液的超声时间为10min；实施例的步骤（3）中第一次超声时间为30min，第二次超声时间为10min；实施例的步骤（4）中改性纳米原纤化纤维素的超声时间为5-7min。进一步说，步骤（3）所述的复合薄膜，平均厚度为15±3微米。本专利技术的有益效果：其一、绿色可再生的纳米原纤化纤维素、碳纳米管都有较大的长径比，二者作为增强相，聚乳酸为基料，充分发挥纳米颗粒的力学性能优势，对复合薄膜的强度性能起到很好地增强效果。其二、纳米原纤化纤维素的尺寸大于碳纳米管，且纳米原纤化纤维素呈细丝状且柔顺性好，可以很好地包覆在碳纳米管表面，阻止碳纳米管发生团聚，从而使膜的孔径缩小，阻隔效果显著增强。其三、本专利技术采用溶液浇铸法，操作便捷且实验周期短；通过控制超声时间，使得纳米原纤化纤维素和碳纳米管在聚乳酸溶液中分散均匀，极大程度上发挥各自的优良特性；制备原料均来源于自然界，是可再生资源，所以该复合材料绿色是可降解材料，可广泛应用于各种生物功能材料和包装材料中。具体实施方式实施例1：（1）改性剂的制备。配制质量百分比为80%的乙醇溶液40ml，用冰醋酸调节pH至4，经超声振荡10min后缓慢滴加到60ml的KH-550（硅烷偶联剂）中，混合搅拌水解4h，得到改性剂溶液A。（2）纳米原纤化纤维素的硅烷化改性。配制100ml质量百分比为80%的乙醇溶液加入到100ml质量百分比为1.4%的纳米原纤化纤维素中，通过超声分散5min制得纳米原纤化纤维素的悬浮液B；随后，取一定量制得的溶液A与悬浮液B混合后再进行超声分散10min，并用冰醋酸调节混合液pH至4左右，然后移至65℃的恒温水浴锅搅拌反应4h，最后将混合液用乙醇进行离心6-8次，得到硅烷化改性的纳米原纤化纤维素。（3）制备碳纳米管分散液。取0.01g碳纳米管加入到硅烷化纳米原纤化纤维素混合液中，超声分散30min使混合均匀，然后放至在室温下混合搅拌4h，再次超声分散10min，得到碳纳米管分散液。（4）生物基复合薄膜的制备。将2g聚乳酸加入到50ml二氯甲烷中，并在45℃下经磁力搅拌1.5h至完全溶解；随后，取步骤（3）中制备所得的碳纳米管分散液加入到聚乳酸溶液中，经超声分散5-7min后磁力搅拌3h得到混合液C；最后将混合液C倒入培养皿中，于室温下自然干燥即得具有优异界面相容性的高强度高阻隔复合膜。实施例2：（1）改性剂的制备。配制质量百分比为80%的乙醇溶液40ml，用冰醋酸调节pH至4，经超声振荡10min后缓慢滴加到60ml的KH-550（硅烷偶联剂）中，混合搅拌水解4h，得到改性剂溶液A。（2）纳米原纤化纤维素的硅烷化改性。配制100ml质量百分比为80%的乙醇溶液加入到100ml质量百分比为1.4%的纳米原纤化纤维素中，通过超声分散5min制得纳米原纤化纤维素的悬浮液B；随后，取一定量制得的溶液A与悬浮液B混合后再进行超声分散10min，并用冰醋酸调节混合液pH至4左右，然后移至65℃的恒温水浴锅搅拌反应4h，最后将混合液用乙醇进行离心6-8次，得到硅烷化改性的纳米原纤化纤维素。（3）制备碳纳米管分散液。取0.01g碳纳米管加入到硅烷化纳米原纤化纤维素混合液中，超声分散30min使混合均匀，然后放至在室温下混合搅拌4h，再次超声分散10min，得到碳纳米管分散液。（4）生物基复合薄膜的制备。将2g聚乳酸加入到50ml二氯甲烷中，并在45℃下经磁力搅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）：改性剂的制备；配制乙醇溶液，经冰醋酸调节pH、超声分散后加入硅烷偶联剂，混合搅拌水解得到改性剂溶液A；步骤（2）：纳米原纤化纤维素素的硅烷化改性；将作为增强相的纳米原纤化纤维素素加入到乙醇中，经超声分散得到纳米原纤化纤维素的悬浮液B；随后，将悬浮液B与改性剂溶液A混合超声分散，调节混合体系pH并搅拌反应，最后经离心洗涤即得硅烷化改性纳米原纤化纤维素混合液C；步骤（3）：生物基复合薄膜的制备；将作为基料的聚乳酸颗粒加入到二氯甲烷中，在设定温度下经磁力搅拌至完全溶解，待用；然后，取一定量作为增强相的碳纳米管加入混合液C中，让改性纳米原纤化纤维素包覆碳纳米管，超声分散均匀后加入到聚乳酸溶液中，通过磁力搅拌得到混合分散液D；最后将混合液D倒入培养皿中，于室温下自然干燥即得一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）：改性剂的制备；配制乙醇溶液，经冰醋酸调节pH、超声分散后加入硅烷偶联剂，混合搅拌水解得到改性剂溶液A；步骤（2）：纳米原纤化纤维素素的硅烷化改性；将作为增强相的纳米原纤化纤维素素加入到乙醇中，经超声分散得到纳米原纤化纤维素的悬浮液B；随后，将悬浮液B与改性剂溶液A混合超声分散，调节混合体系pH并搅拌反应，最后经离心洗涤即得硅烷化改性纳米原纤化纤维素混合液C；步骤（3）：生物基复合薄膜的制备；将作为基料的聚乳酸颗粒加入到二氯甲烷中，在设定温度下经磁力搅拌至完全溶解，待用；然后，取一定量作为增强相的碳纳米管加入混合液C中，让改性纳米原纤化纤维素包覆碳纳米管，超声分散均匀后加入到聚乳酸溶液中，通过磁力搅拌得到混合分散液D；最后将混合液D倒入培养皿中，于室温下自然干燥即得一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜。2.根据权利要求所述的一种高强度高阻隔性聚乳酸基纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于：假设该复合薄膜中聚乳酸的重量份数为100份，则纳米原纤化纤维素素为0.5-2.5份，碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐艳军，金凯妍，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33