具有优异氧气阻隔性能的无机-有机复合薄膜材料

复合薄膜实物图(A)和阻隔氧气效果图(B)

包装材料在食品、药品、电子显示器件等生产、生活领域发挥着重要作用。随着经济的发展、需求量的增长以及进出口贸易的增加,人们对包装材料的性能要求也越来越高。通常,有效防止物品变质、延长电子器件寿命往往取决于包装材料对氧气分子的阻隔性能,因此,寻求高性能阻氧薄膜材料一直是科学和技术领域的研究热点。当前,常用的高分子聚合物包装材料具有价廉、易加工的优点,但是聚合物自身氧气阻隔性能较差,限制了其进一步应用。无机-有机复合薄膜材料具有显著的优势:无机物可有效地延长氧气分子的扩散路径,从而提高阻氧性能。然而,无机材料的长径比、无机-有机的界面相容性和相互作用显著影响材料的阻隔性能。因此,在制备高性能氧气阻隔薄膜材料领域仍然存在诸多困难和挑战。

水滑石类物质(Layered Double Hydroxides, LDHs)是近年来发展极为迅速的一类新型无机二维功能材料,其在催化、吸附、药物以及功能添加剂等领域获得了广泛的研究和应用。基于上述问题,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室段雪院士、卫敏教授及其研究团队在无机-有机氧气阻隔薄膜材料方面的研究取得重要进展。他们采用旋转涂膜技术将LDHs纳米片和聚合物醋酸纤维素(CA)复合成薄膜,利用LDHs高长径比和二维有序结构有效地抑制氧气分子的扩散,获得了一种高性能阻氧薄膜材料。结果表明在LDHs纳米片长径比为560,体积分数为0.061的条件下,该复合薄膜材料的透氧量< 0.005 cm3 m−2 day−1(低于商业仪器的检测限);相对透氧因子远远低于前人工作报道。这主要归因于无机-有机二维有序结构以及界面处强烈的氢键作用,显著增加了氧气在其中的扩散阻力。此外,借助于分子动力学模拟研究证明了高长径比的LDHs纳米片有效提升了阻氧性能。该复合薄膜材料具有良好的耐热、耐湿、耐光照稳定性,在食品、药品包装以及燃料电池隔膜等领域具有潜在的应用价值。

该工作得到了国家科技部973计划、国家自然科学基金的资助。