专利名称：一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法
技术领域：
本发明属于复合薄膜制备工艺技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法。
背景技术：
塑料制品以其优异的综合性能，作为玻璃和陶瓷的替代品在食品及药品包装中得到了越来越广泛的应用。然而通用塑料包装材料的阻隔性能依然难以满足实际使用要求， 因包装不良引起的食品及药品变质或降级达30-40%。因此，提高包装材料的阻隔性能一直是国内外包装行业研究的热点和重点。目前高分子的阻隔技术中纳米片层填料填充聚合物体系，利用聚合物与填料良好的界面作用以及纳米片层填料在聚合物基体中引起气体渗透的“多路径效应”或“纳米阻隔墙”，有效地改善聚合物基体的阻隔性能，成为近几年塑料包装业的研究热门。石墨烯是由单层碳原子紧密结合在一起而形成的二维蜂窝状晶格材料， 其晶体的厚度只有0. 34nm，片层宽度可达几个微米，由纳米片层共混的阻隔机理可知，石墨烯的这种紧密面内结构及巨大的宽/厚比使其成为理想的纳米填充阻隔材料。目前，现有技术制备阻隔性塑料材料主要有以下几种方法
1.申请日为2009年8月27日，申请号为200910065952.0，公开号为CN 101633761 A,
公开日为2010年1月27日，专利名称为“一种阻隔性聚丙烯复合材料及其制备方法”所述的聚丙烯复合材料是由60-80重量份聚丙烯，20-40重量份乙烯-乙烯醇共聚物和1-10重量份相容剂于170 190°C条件下混炼制成。所制成的聚丙烯复合材料具有较高的韧性， 其冲击强度高达210J/m左右，还具有较高的气体阻隔性能，透水蒸气速率可接近2000g . um/(m2 . 24h)，并且在制备阻隔性薄膜时采用传统的制膜工艺生产，工艺简单，生产成本较低，具有推广前景；
2.申请日为2009年12月07日，申请号为200910227120.4，公开号为CN 101717553 A，
公开日为2010年6月2日，专利名称为“一种高阻隔复合材料及其制备工艺”，以工业硅酸钠为前驱物、盐酸为沉淀剂，制备了纯纳米SiO2,并将0. 1 10份改性剂对0. 5 20份 SiO2进行原位改性，得到不同形貌的改性纳米SiO2,再与100份乙烯-乙烯醇共聚物树脂在 160 250°C下采用双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒而成复合材料，该复合材料可通过吹膜、挤出、压延、注塑、模压等工艺制备成薄膜、片材、板材、瓶、密封盒、密封圈等。该复合材料及其制品具有优异的阻隔性能，力学性能和热稳定性能且价格低廉，可用于不同阻隔性能要求的包装和电气设备等应用领域，尤其是包装领域；
3.申请日为2008年12月四日，申请号为200810208099.9，公开号为CN 101768302 A，
公开日为2010年7月7日，专利名称为“高阻隔性聚乙烯/尼龙6原位纳米复合材料的制备方法”，该方法运用螺杆挤出机将聚乙烯、己内酰胺、经插层处理的蒙脱土、相容剂、阴离子引发剂和助催化剂一起反应挤出，工艺路线简单，能够实现高阻隔性聚乙烯/尼龙6原位纳米复合材料的大批量生产，所制得的纳米复合材料中纳米材料分散均勻，对空气、烃类溶剂、湿气具有优良的阻隔性能，可加工成对阻隔性要求较高的薄膜、容器和瓶子等。
以上研究是通过不同材料制成复合材料提高了材料的阻隔性能，到目前为止，还没有关于石墨烯的阻隔性能的报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，解决了现有技术中存在的聚合物薄膜气体阻隔性差的问题。本发明所采用的技术方案是，一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法将氧化石墨烯加入水中，在20—45°C条件下边超声处理边搅拌得到氧化石墨烯的胶体悬浮液，其中ImL 水中加入Img氧化石墨烯；通过喷涂或辊压的方式将氧化石墨烯的胶体悬浮液涂覆在通用薄膜表面，干燥后形成氧化石墨烯薄膜，涂覆若干层氧化石墨烯薄膜，待最上面一层氧化石墨烯涂层干燥形成薄膜后，再在最上面一层氧化石墨烯薄膜上覆盖一层通用薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。其中，在两层通用薄膜之间涂覆1 3层氧化石墨烯薄膜。其中，每层氧化石墨烯薄膜的厚度为0. 8 1. 2 μ m。其特征还在于，氧化石墨烯的制备方法为先将可膨胀石墨加入浓度为98%的浓 H2SO4里搅拌均勻得到混合物A，每IOOml浓里加入2 4. 35g可膨胀石墨；然后边搅拌边向混合物A里再加入KMnO4,加入KMnO4的质量为可膨胀石墨质量的6 8倍，加入后在 35 40°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物B ；再向混合物B里先后加入去离子水和浓度 30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物C，其中，浓H2SO4 去离子水 的体积比为100 :360 783 5 11 ；将混合物C过滤，得到糊状物，先用浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，HCl溶液的体积为糊状物体积的1 2倍，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的pH值为7，然后利用超声波将其分散于去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到氧化石墨烯。其特征进一步在于通用薄膜为聚乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯，聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏二氯乙烯。本发明的有益效果是利用本发明方法制备的氧化石墨烯涂覆膜不仅透明性好， 安全性高，环保性好，而且具有优异的阻隔性，尤其是对CO2气体的阻隔性得到极大提高，用于对阻隔性要求较高的食品和药品的包装。
图1本发明氧化石墨烯在水中剥离后的AFM图； 图2图1中黑线位置处氧化石墨烯对应的高度图； 图3氧化石墨烯涂覆膜中气体的透过模型图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行详细说明。实施例1
先将4g可膨胀石墨加入IOOml浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A ；然后边搅拌边向混合物A里再加A^g KMnO4，加入后在38°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物 B ；再向混合物B里先后加入400ml去离子水和6ml浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物C ；将混合物C过滤，得到40ml糊状物，先用60ml浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值为7，然后利用超声波将其分散于6000ml去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到6g氧化石墨烯。将0. 2g氧化石墨烯加入200ml水中，在45°C条件下边超声处理(功率为400W)边搅拌Ih得到氧化石墨烯的胶体悬浮液。在两层通用聚乙烯薄膜之间涂覆一层厚度为0. 8 μ m的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚乙烯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚乙烯薄膜表面形成薄膜，再在这层干燥的氧化石墨烯薄膜表面再覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜A。在两层通用聚乙烯薄膜之间涂覆两层厚度分别为0.8μπι的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚乙烯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚乙烯薄膜表面形成薄膜，再继续采用喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液涂覆在第一层氧化石墨烯薄膜上，当氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，形成薄膜后，再在第二层氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜B。在两层通用聚乙烯薄膜之间涂覆三层厚度分别为0. 8 μ m的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚乙烯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚乙烯薄膜表面形成薄膜，继续采用喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液涂覆在第一层氧化石墨烯薄膜上，当氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，形成薄膜后，在第二层干燥的氧化石墨烯薄膜表面上继续采用喷涂的方式涂覆第三层氧化石墨烯胶体悬浮液，干燥，形成薄膜，最后在第三层氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜， 即得到氧化石墨烯涂覆膜C。聚乙烯薄膜的透CO2系数为3. 379X 10-15Cm3*Cm/(Cm2*S*Pa)，透湿率为5. 65 g/ (m2 · 24h)；本实施例中，氧化石墨烯涂覆膜A的透CO2系数为0. 062 X 1 (T15Cm3 · cm/ (cm2· s ·Ι^)，下降了 Μ. 5倍，透湿率也下降到了 2. 16 g/(m2 · 24h)；氧化石墨烯涂覆膜B 的透CO2系数为0. 009X 10-15cm3 .cm/km2 Wa),下降了 375倍多，透湿率下降到了 0. 67 g/(m2 · 24h)；氧化石墨烯涂覆膜 C 的透 CO2 系数为 0. 006 X IO-15Cm3 · cm/(cm2 · s · Pa), T 降了 563倍多，透湿率下降到了 0. 19g/(m2 · 24h)。实施例2
先将4. 35g可膨胀石墨加入IOOml浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A ；然后边搅拌边向混合物A里再加入34. 8g KMnO4，加入后在40°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物B ；再向混合物B里先后加入450ml去离子水和8ml浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物C ；将混合物C过滤，得到43. 5ml糊状物，先用87ml浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值7，然后利用超声波将其分散于6400ml去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到6. 525g氧化石墨烯。将0. 2g氧化石墨烯加入200ml水中，在30°C条件下边超声处理(功率为400W)边搅拌Ih得到氧化石墨烯的胶体悬浮液。在一层通用聚酯薄膜和一层通用聚乙烯薄膜之间涂覆一层厚度为1 μ m的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚酯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚酯薄膜表面形成薄膜，再在这层干燥的氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜D。在一层通用聚酯薄膜和一层通用聚乙烯薄膜之间涂覆两层厚度分别为1 μ m的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚酯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚酯薄膜表面形成薄膜，再继续采用喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液涂覆在第一层氧化石墨烯薄膜上，当氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，形成薄膜后，再在第二层氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜E。在一层通用聚酯薄膜和一层通用聚乙烯薄膜之间涂覆三层厚度分别为1 μ m的氧化石墨烯薄膜通过喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在通用聚酯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，在通用聚酯薄膜表面形成薄膜，继续采用喷涂的方式将氧化石墨烯胶体悬浮液涂覆在第一层氧化石墨烯薄膜上，当氧化石墨烯胶体悬浮液干燥， 形成薄膜后，在第二层干燥的氧化石墨烯薄膜表面上继续采用喷涂的方式涂覆第三层氧化石墨烯胶体悬浮液，干燥，形成薄膜，最后在第三层氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜F。一层通用聚酯薄膜覆上一层通用聚乙烯薄膜后的透CO2系数为 0. 6935X IO-15Cm3 · cm/(cm2 · s · Pa)，透湿率为 16g/(m2 · 24h)；氧化石墨烯涂覆膜 D 的透CO2系数为0. 0138X KT15Cm3 · cm/ (cm2 · s · 1 ),下降了 50倍，透湿率也下降到了 0. 23 g/(m2 · 24h)；氧化石墨烯涂覆膜 E 的透 CO2 系数为 0. 0023X 10_15cm3 · cm/(cm2 · s · Pa), 下降了 300多倍，透湿率下降到了 0. 07g/(m2 · 24h)；氧化石墨烯涂覆膜F的透(X)2系数为 0. 0013 X 10"15cm3 · cm/ (cm2 · s · Pa)，下降了 533 倍多，透湿率下降到了 0. 04g/(m2 · 24h)。实施例3
先将4g可膨胀石墨加入IOOml浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A ；然后边搅拌边向混合物A里再加入Mg KMnO4，加入后在40°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物 B ；再向混合物B里先后加入783ml去离子水和Ilml浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物 C ；将混合物C过滤，得到40ml糊状物，先用40ml浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值为7，然后利用超声波将其分散于6000ml去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到6g氧化石墨烯。将0. 2g氧化石墨烯加入200ml水中，在20°C条件下边超声处理(功率为400W)边搅拌Ih得到氧化石墨烯的胶体悬浮液；通过辊压方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚乙烯醇薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，并在通用聚乙烯醇薄膜表面形成厚度为1. 2 μ m的薄膜，最后在干燥的氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。一层通用聚乙烯醇薄膜覆上一层通用聚乙烯薄膜后的透CO2系数为 2. 849X l(T15cm3 · cm/ (cm2 · s · Pa)，透湿率为 564 g/(m2 · 24h)；本实施例得到的氧化石墨烯涂薄膜的透CO2系数为0. 041 X IO-1W · cm/ (cm2 · s · 1 )，下降了近70倍，透湿率下降到了 16 g/(m2 · 24h)。实施例4
先将2g可膨胀石墨加入IOOml浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A ；然后边搅拌边向混合物A里再加入12g KMnO4，加入后在35°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物 B ；再向混合物B里先后加入360ml去离子水和5ml浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物 C ；将混合物C过滤，得到20ml糊状物，先用40ml浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值为7，然后利用超声波将其分散于3000ml去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到3g氧化石墨烯。将0. 2g氧化石墨烯加入200ml水中，在40°C条件下边超声处理(功率为400W)边搅拌Ih得到氧化石墨烯的胶体悬浮液；通过辊压方式将氧化石墨烯胶体悬浮液致密地涂覆在一层通用聚苯乙烯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，并在通用聚苯乙烯薄膜表面形成厚度为0. 9 μ m的薄膜，最后在干燥的氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。一层通用聚苯乙烯薄膜覆上一层通用聚乙烯薄膜后的透CO2系数为 368 X IO-15Cm3 · cm/(cm2 · s · Pa)，透湿率为19 g/(m2 · 24h)；本实施例制备的氧化石墨烯涂覆膜的透(X)2系数为6X 10_15cm3 -cm/(cm2-s *Pa)，下降了 60多倍，透湿率下降到了 0. 37 g/ (m2 · 24h)。实施例5
先将3g可膨胀石墨加入IOOml浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A ；然后边搅拌边向混合物A里再加入Mg KMnO4，加入后在40°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物 B ；再向混合物B里先后加入400ml去离子水和IOml浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物 C ；将混合物C过滤，得到30ml糊状物，先用45ml浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值为7，然后利用超声波将其分散于4500ml去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到4. 5g氧化石墨烯。将0. 2g氧化石墨烯加入200ml水中，在35°C条件下边超声处理(功率为400W)边搅拌Ih得到氧化石墨烯的胶体悬浮液；通过喷涂的方式将氧化石墨烯的胶体悬浮液致密地涂覆在通用聚偏二氯乙烯薄膜表面，待氧化石墨烯胶体悬浮液干燥，并在通用聚偏二氯乙烯薄膜表面形成厚度为0. 8 μ m的薄膜，最后在干燥的氧化石墨烯薄膜表面覆上一层通用聚乙烯薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。一层通用聚偏二氯乙烯薄膜覆上一层通用聚乙烯薄膜后的透CO2系数为 0. 0326X 10_15cm3 · cm/ (cm2 · s · Pa)，透湿率为 1. 65 g/(m2 · 24h)；本实施例制备的氧化石墨烯涂覆膜，透CO2系数为0. 0006 X IO-15Cm3 · cm/(cm2 · s ·Ι^)，下降了 54倍多，透湿率下降到了 0. 048 g/(m2 · 24h)。图1为氧化石墨烯在水中剥离后的AFM图，图中灰白色的片状物为氧化石墨烯，氧化石墨烯宽度在200—600nm之间，氧化石墨烯在水中形成分散液；从图2中可以看出氧化石墨烯在分散液中的厚度在0.8 1.2nm之间，氧化过程中由于含氧基团的大量引入会使氧化石墨烯的单片层厚度由原来的0. 34nm增加到0. 8 1. 2nm,由此可见，制备的氧化石墨烯在超声作用下于水中形成了单片式的完全剥离。气体渗透行为是一单分子渗透扩散过程。气体首先溶解于薄膜之中，然后在气体压差的驱动下，不断的抢占膜内大分子链段剧烈运动出现的“瞬间空穴”，以此作为通道逐步渗透，最后在膜的低压一侧蒸发，这个“溶解-扩散-蒸发”的微观过程，就是薄膜透气的一般机理。采用本发明提供的方法制备的氧化石墨烯，在超声的作用下能在水中形成分散液，氧化石墨烯在分散液中形成厚为0. 8 1. 2nm、径向尺寸为200— 600nm的单片，即氧化石墨烯拥有巨大的宽/厚比，且用喷涂或辊压法制备的氧化石墨烯涂覆膜中，氧化石墨烯以单片形式沿通用薄膜的方向定向均勻分布，且集中地分布在一层中。如图3所示，1为通用薄膜，2为氧化石墨烯薄膜，3为通用薄膜，4为氧化石墨烯片层；由于氧化石墨烯是由碳原子紧密结合而成，因此，当气体分子遇到氧化石墨烯片层时，不能穿透，只能沿片层方向绕过；氧化石墨烯片层的加入使气体透过路径由垂直于膜的方向变为平行于膜的方向，这种特征赋予这种复合膜良好的阻隔性，尤其是二氧化碳的阻隔性得到极大提高。
权利要求
1.一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，其特征在于将氧化石墨烯加入水中，在20— 45°C条件下边超声处理边搅拌得到氧化石墨烯的胶体悬浮液，其中ImL水中加入Img氧化石墨烯；通过喷涂或辊压的方式将氧化石墨烯的胶体悬浮液涂覆在通用薄膜表面，干燥后形成氧化石墨烯薄膜，涂覆若干层氧化石墨烯薄膜，待最上面一层氧化石墨烯涂层干燥形成薄膜后，再在最上面一层氧化石墨烯薄膜上覆盖一层通用薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。
2.根据权利要求1所述氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，其特征在于在两层通用薄膜之间涂覆1 3层氧化石墨烯薄膜。
3.根据权利要求1或2所述氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，其特征在于每层氧化石墨烯薄膜的厚度为0. 8 1. 2 μ m。
4.根据权利要求1所述氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法为先将可膨胀石墨加入浓度为98%的浓里搅拌均勻得到混合物A，每 IOOml浓里加入2 4. 35g可膨胀石墨；然后边搅拌边向混合物A里再加入KMnO4,加入KMnO4的质量为可膨胀石墨质量的6 8倍，加入后在35 40°C条件下搅拌lh，得到均勻的混合物B ；再向混合物B里先后加入去离子水和浓度30%的H2O2，搅拌均勻得到混合物 C，其中，浓H2SO4 去离子水=H2O2的体积比为100 360 783 5 11 ；将混合物C过滤，得到糊状物，先用浓度为3. 5%的HCl溶液洗涤，HCl溶液的体积为糊状物体积的1 2倍，再用去离子水反复洗涤，直至糊状物的PH值为7，然后利用超声波将其分散于去离子水中，最后将分散液在60°C下脱水后得到氧化石墨烯。
5.根据权利要求1所述氧化石墨烯涂覆膜的制备方法，其特征在于所述通用薄膜为聚乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯，聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏二氯乙烯。
全文摘要
本发明提供了一种氧化石墨烯涂覆膜的制备方法将氧化石墨烯加入水中，边超声处理边搅拌得到氧化石墨烯的胶体悬浮液，其中1mL水中加入1mg氧化石墨烯；通过喷涂或辊压的方式将氧化石墨烯的胶体悬浮液涂覆在通用薄膜表面，干燥后形成氧化石墨烯薄膜，涂覆若干层，待最上面一层氧化石墨烯涂层干燥形成薄膜后，再在最上面一层氧化石墨烯薄膜上覆盖一层通用薄膜，即得到氧化石墨烯涂覆膜。其有益效果是利用本发明方法制备的氧化石墨烯涂覆膜不仅透明性好，安全性高，环保性好，而且具有优异的阻隔性，尤其是对CO2气体的阻隔性得到极大提高，用于对阻隔性要求较高的食品和药品的包装。
文档编号B32B27/06GK102173145SQ201110001
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者任鹏刚, 李忠明, 陈涛, 靳彦岭 申请人:西安理工大学