一种高阻隔有机无机纸基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及新型材料领域，具体提供了一种高阻隔有机无机纸基复合材料及其制备方法，该复合材料通过在原纸上顺次涂布第一有机阻隔层、无机阻隔层、第二有机阻隔层获得，其中第一有机阻隔层为可降解高分子分散液、第二有机阻隔层为可降解防水防油的高分子分散液，无机阻隔层为聚多巴胺改性的无机纳米材料；采用上述结构的复合材料基于PDA与氨基硅烷偶联剂的交联及水解作用，使无机材料紧密连接，形成致密层，并结合有机生物质材料，解决纸基材料的阻隔性问题，同时选择的材料为天然或已存在的无机矿物，绿色环保，适合机内线上操作，效率高，成本低廉。成本低廉。成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种高阻隔有机无机纸基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新型材料领域，具体涉及一种高阻隔有机无机纸基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]包装材料行业是一个集合了多种技术在一起的行业，有着巨大的市场潜力。随着经济社会的发展，人们对各种包装材料提出了更高的要求。尤其在食品包装、医药包装及电子器件包装领域，高阻隔薄膜材料一直是必不可少的组成部分。传统的高阻隔材料大多是由不可降解塑料薄膜制成的，随着人们环保意识的增强，“白色污染”成为了社会上不可接受的字眼。因此如何以相对环保的生物基材料替代传统的塑料包装材料成为研究者的研究热点，并且保证产品所需要的高阻隔性能。
[0003]目前，国内外研究团队针对高阻隔材料的研发开展了大量的研究工作。尤其是在“以纸代塑”领域，纸作为四大包装材料之一，利用纸这种环境友好型的生物基材料作为基质，在上面施加特殊的有机或无机涂层，赋予纸原本不具备的高阻隔，防水，防油等功能。与塑料包装材料类似，主流的纸基包装材料，主要是以复合加工及表面涂布等工艺对其进行功能化。目前市场上阻隔性能最好的材料为铝箔，因此将铝箔与纸复合是研究者最先想到的策略，得到了阻隔性能较好的纸铝复合薄膜；聚偏二氯乙烯(PVDC)具有优异的气体阻隔性能，因此将其做成乳液形式，以涂布的方式将其与纸复合，得到性能良好的纸基包装材料；另外将无机纳米材料涂布于纸基材料上，借助其高的纵横比及结晶度，使气体分子在扩散时的路径复杂化，该策略在提高纸基材料阻隔性时应用广泛。但是在无机材料之间没有强的物理或者化学作用力，接触不紧密，气体分子总是会从缝隙中透过，在较长使用时间后，会造成阻隔性能的下降。
[0004]因此如何解决无机材料在纸基材料上的上述问题，获得一种性能更加优越的包装材料，成为本领域亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的诸多问题，提供了一种高阻隔有机无机纸基复合材料及其制备方法，该复合材料通过在原纸上顺次涂布第一有机阻隔层、无机阻隔层、第二有机阻隔层获得，其中第一有机阻隔层为可降解高分子分散液、第二有机阻隔层为可降解防水防油的高分子分散液，无机阻隔层为聚多巴胺改性的无机纳米材料；采用上述结构的复合材料基于PDA与氨基硅烷偶联剂的交联及水解作用，使无机材料紧密连接，形成致密层，并结合有机生物质材料，解决纸基材料的阻隔性问题，同时选择的材料为天然或已存在的无机矿物，绿色环保，适合机内线上操作，效率高，成本低廉。
[0006]本专利技术的最大特点就是对无机纳米粒子进行聚多巴胺(PDA)包覆改性，基于PDA分子中含有的苯醌基团，使PDA可作为一种“万能”的表面，含有氨基的硅烷偶联剂可以与PDA中的苯醌基团发生迈克尔加成或席夫碱反应，并随着硅烷的水解使无机层材料形成一个整
体，同时可以选取可降解有机材料进行预涂布及保护涂布，从而达到纸基材料的高阻隔性能。
[0007]本申请的具体技术方案如下：
[0008]一种高阻隔有机无机纸基复合材料，包括纸基材料以及在纸基材料上顺次涂布的第一有机阻隔层、无机阻隔层、第二有机阻隔层，其中第一有机阻隔层原料为可降解高分子分散液、第二有机阻隔层原料为可降解防水防油的高分子分散液，无机阻隔层为聚多巴胺改性的无机纳米材料；
[0009]其中第一有机阻隔层的可降解高分子分散液选自天然有机物，包括但不仅限于蛋白质、聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖及普鲁兰多糖等，分子量为20000
‑
500000，该有机涂布液的分散剂为水，质量分数为2wt％
‑
20wt％，粘度为1500Pa
·
s
‑
4500Pa
·
s；优选的控制涂布干燥后有机物的涂布量为2g/m2‑
13g/m2；
[0010]所述的第二有机阻隔层选自聚丙烯酸酯类、水性聚氨酯、聚乳酸及聚己二酸对苯二甲酸丁二酯等；质量分数优选10wt％
‑
20wt％，粘度为3000Pa
·
s
‑
6000Pa
·
s；优选的控制干燥后可降解材料的涂布量为6g/m2‑
15g/m2；
[0011]上述的有机阻隔层材料均为可降解材料，对环境更加友好，且第一阻隔层采用高极性有机物，可达到较高的阻隔效果(<0.5cm3/m2·
d
·
0.1MPa)；第二有机阻隔层达到优异的防水效果，Cobb值(1800s)低于0.1g/m2，防油效果达到最高级，Kit值为12。
[0012]与现有技术相比，本申请最大的不同在于采用了聚多巴胺改性的无机纳米材料作为无机阻隔层，其中所述的无机纳米材料包括但不限于蒙脱土、硅酸镁锂、硅酸镁铝，镁铝双氢氧化物片层材料及二氧化硅、二氧化锆、碳酸钙、硫化锌及硫化镉片层、颗粒或微球中的至少一种，其尺寸在50
‑
1000nm范围内。
[0013]最优选的：第一有机阻隔层为淀粉与聚乙烯醇(质量比1:1的混合物)，无机阻隔层选SiO2@PDA作为阻湿单元，KH550为偶联剂；第二有机阻隔层为聚丙烯酸酯乳液。
[0014]更进一步的，聚多巴胺改性的无机纳米材料具体获得方式是首先制备无机纳米材料@PDA核壳结构，加入氨基硅烷偶联剂，其氨基可与PDA中的苯醌基团发生迈克尔加成或席夫碱反应，同时硅氧键缩聚成齐聚物，使纳米颗粒交联起来，达到无机纳米粒子紧密接触的效果；更具体改性方法为：
[0015]首先将无机纳米材料分散于pH为8.5的10mM的三羟甲基氨基甲烷
‑
盐酸缓冲溶液中，充分超声使其分散均匀得到固含量为0.05
‑
0.2g/mL的改性液，之后加入盐酸多巴胺，按照缓冲液体积0.005
–
0.01g/mL的比例加入催化剂在室温下搅拌2小时，并利用乙醇、水分别水洗三次，最终将其按比例分散于水中，即可得到PDA包覆的无机纳米粒子分散液，其中盐酸多巴胺用量与缓冲液体积的比例为0.01
‑
0.5g/ml；且无机纳米颗粒分散液的固含量在4wt％
‑
10wt％。
[0016]所述催化剂包括但不仅限于硫酸铜、过硫酸铵、过氧化氢，在上述催化剂的作用下，所述聚多巴胺层通过自聚合反应在无机纳米材料表面进行改性；聚多巴胺层通过自聚合反应在无机纳米粒子表面包覆，包覆厚度在10
‑
50nm。
[0017]之后将氨基硅烷偶联剂按一定的比例加入到PDA包覆的无机纳米粒子分散液中，此时便得到了无机阻隔层的分散液，利用相应的涂布工艺，涂布于第一有机阻隔层之上，该无机阻隔层的分散液粘度为1000Pa
·
s
‑
3500Pa
·
s；优选的控制干燥后无机材料的涂布量
为2g/m2‑
5g/m2；
[0018]上述的氨基硅烷偶联剂包括但不限于KH550、N323、R8104，KH...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高阻隔有机无机纸基复合材料，包括纸基材料，其特征在于：还包括在纸基材料上顺次涂布的第一有机阻隔层、无机阻隔层、第二有机阻隔层，其中第一有机阻隔层原料为可降解高分子分散液、第二有机阻隔层原料为可降解防水防油的高分子分散液，无机阻隔层为聚多巴胺改性的无机纳米材料；其中第一有机阻隔层的原料选自可降解高分子分散液选自蛋白质、聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖及普鲁兰多糖中的一种；第二有机阻隔层原料选自选自聚丙烯酸酯类、水性聚氨酯、聚乳酸及聚己二酸对苯二甲酸丁二酯的一种；无机阻隔层为聚多巴胺改性的无机纳米材料，其中所述的无机纳米材料包括但不限于蒙脱土、硅酸镁锂、硅酸镁铝，镁铝双氢氧化物片层材料及二氧化硅、二氧化锆、碳酸钙、硫化锌及硫化镉片层、颗粒或微球中的至少一种。2.根据权利要求1所述的高阻隔有机无机纸基复合材料，其特征在于：第一有机阻隔层的可降解高分子分散液中的高分子物质分子量为20000
‑
500000，质量分数为2wt％
‑
20wt％，粘度为1500Pa
·
s
‑
4500Pa
·
s；干燥后的涂布量为2g/m2‑
13g/m2。3.根据权利要求1所述的高阻隔有机无机纸基复合材料，其特征在于：所述的第二有机阻隔层的聚丙烯酸酯类、水性聚氨酯、聚乳酸及聚己二酸对苯二甲酸丁二酯为质量分数10wt％
‑
20wt％的乳液，其粘度为3000Pa
·
s
‑
6000Pa
·
s；干燥后的涂布量为6g/m2‑
15g/m2。4.根据权利要求1所述的高阻隔有机无机纸基复合材料，其特征在于：无机阻隔层的聚多巴胺改性的无机纳米材料的具体改性方法为：首先将无机纳米材料分散于pH为8.5的10mM的三羟甲基氨基甲烷
‑
盐酸缓冲溶液中，充分超声使其分散均匀得到固含量为0.05
‑
0.2g/mL的改性液，之后加入盐酸多巴胺，按照缓冲液体积0.005
–
0.01g/mL的比例加入催化剂在室温下搅拌2小时，并利用乙醇、水分别水洗三次，最终将其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟尧，肖彬，陈祥洁，杨玉天，蒋宇，宋晓明，陈夫山，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：