纳米石墨片/聚乙烯醇薄膜的结构调控及其阻隔性能研究

Although polymer films play a critical role in packaging application due to their lightweight, inexpensive, and easily processing features, high gas permeability properties of single polymer film greatly limit the application in various perishable commodities.To overcome the above-mentioned shortcoming, we plan to manipulate the distribution and orientation of graphene sheets (GNS), interfacial structure of GNS/poly(vinyl alcohol)(PVA) nanocomposites by processing technology, thus high barrier GNS/PVA nanocomposite film will be obtained. In this project, shear flow field and electric field will be synergistic used to make the GNS highly orientated along the surface of films and unevenly distributed along the vertical direction. The motion law of graphene sheets will be revealed according to the relationship between processing parameters(shear rat and electric field strength) and the distribution of grahpene sheets. Additionally, the confined area and morphology of interface of GNS/PVA composites will also be manipulated by grafting different functional groups in the graphene surface. Thus the relationship between barrier properties and interface structure, distribution of GNS will be obtained. This study is very important to investigate the gas permeability mechanism of flake sheet filled composite film, which can provide a theoretical basis and method for actual production of high barrier composite film.

塑料薄膜广泛用于包装工业，但低的气体阻隔性能极大限制了其在食品和药品包装领域的进一步应用。为克服上述缺点，我们提出利用加工外场调控纳米石墨烯片层（GNS）在聚乙烯醇（PVA）薄膜中的分布形态和界面结构，从而获得具有超高阻隔性的GNS/PVA复合薄膜。本项目拟采用剪切流场和电场的协同作用实现GNS沿薄膜取向及垂直方向的非均性分布，并对GNS表面官能功化以实现界面受限区域和界面结晶形态的调控，制备具有较大气体渗透路径及较小可渗透面积的超高阻隔复合包装薄膜。通过加工参数（剪切速率，电场强度等）与GNS分布形态的关系研究，探明GNS的运动规律。通过GNS表面接枝基团的选择，调控复合材料界面结构及结晶形态，建立界面结构、片层分布与气体阻隔性之间的关系，揭示气体在片层集中、取向分布条件下的渗透机理，完善气体阻隔理论，为超高阻隔塑料薄膜的制备提供新的思路和方法。

本项目针对通用塑料薄膜气体阻隔性能差而严重制约其在包装中的进一步应用问题，提出了利用片层状填料的形态及结构调控来制备高阻隔聚合物纳米复合材料，研究了溶液及熔体状态下剪切流场及外加磁场对片状填料运动的影响规律，结果发现大片层氧化石墨烯（GO）易于沿外场方向取向。取向后的片层可形成较强的 “多路径效应”及“可渗透面积减少效应”，从而有效提高复合材料的气体阻隔性能。此外，有机功能化能有效提高GO在非极性聚合物（如PE、PP等）中的分散、剥离及其与基体的界面相互作用。利用有机功能化及外场调控的协同作用，制备了一系列高气体阻隔的纳米复合材料薄膜（如PE、PP、PLA、PBS、PVA等），并发现片层填料的集中、取向及良好界面作用是获得超高气体阻隔性能的关键。集中-取向的PVA/Fe3O4@GO复合材料在低GO填充量时，氧气阻隔性能可提高2-3个数量级。通过聚合物的结晶行为研究发现（HDPE、PLA、iPP等），低含量下，GO以成核剂的方式诱导聚合结晶，而高含量下由于位阻效应却阻碍聚合物结晶。此外，还研究了GO的形态及聚集方式对复合材料其他性能的影响规律，结果发现， GO片层的运动可带动聚合物分子链取向，所制备的高取向GO/RCE(可再生纤维素)纳米复合材料具有极高的力学性能及超强的阻气阻水性能。本项目还将石墨烯（GNS）的应用拓展到了聚合物基导电材料及水凝胶领域。通过调控GNS（或GO）在基体中的结构形态，制备出了一系列具有高度pH敏感性GO/PVA复合水凝胶、良好充/放电及电容特能的GNS/PPy电极材料、较高介电特性的RGO(还原氧化石墨烯)/PVDF复合材料及CoFe2O4@RGO/CE吸波复合材料。这些研究为推广GNS（或GO）在高阻隔包装材料、生物功能材料、超级电容器及电磁屏蔽等方面的应用提供了理论基础和实践经验。