LDHs基气体阻隔薄膜材料的构筑及性能研究

Recently, gas barrier materials have attracted considerable attention in the fields of food/pharmaceutical packaging, electronic encapsulation and inside liner of the tires. This project focuses on the fabrication of high-performance organic-inorganic gas barrier films via assembly of layered double hydroxides (LDHs) and polymers, by taking advantage of the unique feature of LDHs (such as layered structure, two-dimensional morphology and exist of abundant surface bonding). The project goal is to obtain ordered LDHs-based gas barrier materials with excellent properties, including low gas-transmission-rate and good mechanical property. The general aim is to be achieved through the following items: (1) Study on the preparation of LDHs/polymer hybrid films, the orientation of LDHs two-dimensional crystal, the host-guest interaction and mechanical property; (2) Investigation on the relationship between the gas barrier behavior and the structure of the LDHs/polymer composite materials; (3) Exploring the barrier mechanism of the hybrid films by revealing the synergistic effect between the physical barrier and chemical bonding. This project will provide new insights into the understanding of the barrier mechanism, which in turn can be employed to fabricate high-performance gas barrier materials.

气体阻隔材料可以有效阻断气体分子的渗透，在电子器件封装、食品/药物包装、轮胎气密层等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目提出利用层状双金属氢氧化物（LDHs）特殊的几何效应、二维取向和表面键合作用等特性，与聚合物进行超分子组装，制备新型无机/有机气体阻隔薄膜材料。研究薄膜的可控组装、取向调控、主客体相互作用、力学性能等；探讨薄膜材料的结构与取向特征及其对气体阻隔性能的影响规律，获得高阻隔性LDHs基气体阻隔薄膜材料；突破传统的气体绕道理论，揭示物理阻隔与化学键合对气体分子的协同阻隔机理。本项目工作为LDHs基气体阻隔薄膜材料的结构设计、可控组装、阻隔性能强化提供一种新方法和思路，在高阻隔薄膜材料领域具有重要的理论价值和实际应用前景。

气体阻隔材料可有效阻断气体分子的渗透和扩散，延长食品/药物的保质期、改善轮胎的保压性能、提高器件使用寿命等，具有重要的学术研究意义和工业应用价值。课题组围绕层状双金属氢氧化物（LDHs）基气体阻隔材料的可控组装、性能强化及工业应用开展了深入系统的基础及应用基础研究工作，主要学术贡献及创新成果如下。. （1）发现了LDHs的二维几何效应，建立了气体分子扩散模型。在国际上率先提出了利用LDHs的二维及大长径比特性，实现了对气体分子的阻隔作用，揭示了其对于气体阻隔的二维几何效应。针对LDHs表面带正电荷、富含羟基等特性，对传统的Nelsen扩散模型进行了修正，建立了适用于LDHs/聚合物体系的分子扩散模型。. （2）提出了表/界面结构调控策略，强化了气体阻隔性能。利用LDHs的表面键合及化学吸附作用，在无机/有机界面处用改性剂进行化学修饰，降低了界面处的自由体积，解决了长期困扰该领域的无机/有机界面相容性差的难题；基于多维度阻隔与氧空位粘滞的协同效应，打破了传统气体阻隔效应的空间局限性，显著提升了气体阻隔性能，气体透过率低于商业仪器的检测限。. （3）解决了行业卡脖子难题，实现了大规模工业应用。针对传统的轮胎气密材料（卤化丁基橡胶）受国外技术封锁、产品售价昂贵等实际问题，突破了乳液-共絮凝技术，将LDHs与丁苯橡胶进行复合，制备了低成本、高性能LDHs/弹性体气密材料，在山东玲珑轮胎股份有限公司大批量制备了高阻气轮胎，打破了国外相关技术和产品的垄断，为满足我国在进口受限方面的核心技术/产品的迫切需求提供了技术支撑。. 本项目成果在Adv. Funct. Mater.、Ind. Eng. Chem. Res.、Chem. Eng. J、《化工进展》等刊物发表论文22篇，论文成果进一步以第一发明人申请国家发明专利18项（授权12项），研制的高性能轮胎气密材料在行业内的龙头企业获得了应用。项目负责人韩景宾获2018年“侯德榜化工科学技术青年奖”。.