CN113174109A - 一种超疏水聚丙烯膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超疏水聚丙烯膜及其制备方法。首先用水合肼还原氧化石墨烯制得还原石墨烯；然后向聚丙烯的二甲苯溶液中引入制备的还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯、乙醇和水，得到流延分散液；最后将流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，干燥后得到超疏水聚丙烯膜。在聚丙烯膜上流延疏水功能层，可显著提高聚丙烯膜的疏水性能。本发明提供的超疏水聚丙烯膜的制备方法，工艺流程简单，制备过程无需特殊设备，并且对干燥氛围无特殊要求，适合大规模连续生产，在超疏水聚丙烯膜材料领域具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜技术领域，具体涉及一种超疏水聚丙烯膜及其制备方法。
背景技术
疏水性是材料表面的重要性质之一，它取决于材料表面的化学组成和微观几何结构。超疏水材料具有自清洁、防水防污的特性，是目前功能材料的研究热点之一。聚丙烯是一种由丙烯单体聚合而成的热塑性聚合物，由于其拥有较好的耐酸碱性，高疏水性和热稳定性，且价格低廉，已广泛应用于纤维、包装材料、管道材料、容器材料、各种零部件等领域。
聚丙烯疏水材料已有较多报道，如Erbil等以良溶剂-不良溶剂的相分离法制备聚丙烯超疏水材料（H.Y. Erbil et al，Transformation of a simple plastic into asuperhydrophobic surface，Science，2003，299，1377），其缺点是使用了等规聚丙烯（全同立构聚丙烯），且所得超疏水层为粉末状聚丙烯纳米颗粒，力学性能较差。吉海燕等人（专利申请号：200910024925.9）利用相分离法制备了一种超疏水聚丙烯薄膜，所用聚丙烯的良溶剂为二甲苯，不良溶剂为丙酮。吴军良等人（专利申请号：201210330038.6）制备了一种超疏水聚丙烯薄膜，制备过程需要特殊的干燥氛围（相对湿度75-85%，乙醇蒸汽浓度5-20%）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超疏水聚丙烯膜及其制备方法，该制备方法的制备过程无需特殊的大型设备，并且对干燥氛围无特殊要求，在大气氛围下干燥即可，制备的聚丙烯复合膜具有良好的疏水性。
本发明首先用水合肼还原氧化石墨烯制得还原石墨烯；然后向聚丙烯的二甲苯溶液中引入制备的还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯、乙醇和水，得到流延分散液；最后将流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，干燥后得到超疏水聚丙烯复合膜。
聚丙烯复合膜的具体制备工艺如下：
1）制备还原石墨烯：将氧化石墨烯和水合肼加入到水中，加热至100℃，搅拌反应24小时，反应后的混合物经冷冻干燥后，得到还原石墨烯；
2）配置流延分散液：将步骤1）的还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯和乙醇加入到水中，混合均匀得到混合液1；将聚丙烯颗粒加入到二甲苯中，加热至130℃，使聚丙烯颗粒完全溶解后冷却至室温，得到混合液2；将混合液1加入到混合液2中，搅拌均匀得到流延分散液；
3）流延复合：采用流延法将步骤2）的流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，在70-80℃进行干燥，冷却后得到超疏水聚丙烯膜。
进一步的，步骤1）中氧化石墨烯与水的质量比为1:1000；水合肼与水的体积比为1:1000。
进一步的，步骤1）中冷冻干燥的条件为-10℃、10Pa真空度下干燥 5d。
进一步的，步骤2）中所述纳米二氧化硅粒径为20-40nm；所述失水山梨醇硬脂酸酯为Span-60；所述乙醇为75%、95%或无水乙醇中的至少一种；所述聚丙烯为全同聚丙烯。
进一步的，步骤2）中还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯、乙醇、水、聚丙烯和二甲苯和质量份数配比为：还原石墨烯0.2-0.5份，纳米二氧化硅0.2-0.5份，失水山梨醇硬脂酸酯0.01-0.03份，乙醇1-5份，水1份，聚丙烯5-10份，二甲苯90-100份。
进一步的，步骤3）中聚丙烯膜基底为市售的聚丙烯膜，流延的疏水层厚度为0.05-0.5mm。
上述制备方法制备的聚丙烯复合膜，其疏水层的水接触角为145-165°，具有良好的疏水性。
本发明超疏水聚丙烯复合膜其疏水层的作用机理为：
通过向聚丙烯的二甲苯溶液中引入少量的还原石墨烯片层、纳米二氧化硅粒子、乳化剂失水山梨醇硬脂酸酯（Span-60）、乙醇和水得到聚丙烯乳液（流延分散液）。由于界面吸附作用，纳米二氧化硅粒子和还原石墨烯片层均被吸附到聚丙烯乳液中的乳液颗粒表面。
将该乳液于大气氛围下干燥，由于乙醇的沸点最低，饱和蒸气压最小，挥发性强，所以乳液颗粒中乙醇优先挥发，使得乳液中的乳液颗粒向表面层迁移。当乳液颗粒中的乙醇挥发后，纳米二氧化硅和还原石墨烯富集在聚丙烯液面，最终当水以及聚丙烯的良溶剂二甲苯挥发后，在聚丙烯表面获得粗糙的纳米结构，该过程示意图如图1所示。由于膜表面的纳米结构，从而具有良好的超疏水性能。该疏水层具有良好的力学性能，制备过程简单，具有一定的应用前景。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明的流延分散液在制备工艺上相比于文献有了明显改进，本发明的干燥过程无需贵重设备，无需特定的湿度和气体氛围，在一个标准大气压下即可进行，而且干燥温度较低，具有明显的节能效果。
附图说明
图1为超疏水聚丙烯膜的形成示意图。
图2为实施例3制备超疏水聚丙烯膜的SEM图片。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面结合实例对本发明做进一步说明，但是本发明要求保护范围并不局限于实施例的表述范围。
实施例1
按如下步骤制备超疏水聚丙烯膜：
1）制备还原石墨烯：将1g氧化石墨烯和1mL水合肼加入到1000mL水中，加热至100℃，搅拌反应24小时，反应后的混合物在-10℃、10Pa真空度下干燥 5d后，得到还原石墨烯；
2）配置流延分散液：将0.2g步骤1）的还原石墨烯、0.5g纳米二氧化硅、0.01gSpan-60和1g乙醇加入到1g水中，混合均匀得到混合液1；将10g聚丙烯颗粒加入到90g二甲苯中，加热至130℃，使聚丙烯颗粒完全溶解后冷却至室温，得到混合液2；将混合液1加入到混合液2中，搅拌均匀得到流延分散液；
3）流延复合：采用流延法将步骤2）的流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，在70℃进行干燥，冷却后得到超疏水聚丙烯膜。
本实施例超疏水聚丙烯膜的形成如图1所示，在70℃干燥温度下，乙醇的挥发速度大于二甲苯的挥发速度，纳米二氧化硅和还原石墨烯富集在聚丙烯膜表面，最终得到超疏水聚丙烯膜。
实施例2
本实施例还原石墨烯制备同实施例1。
然后将0.3g还原石墨烯、0.3g纳米二氧化硅、0.02g Span-60和3g乙醇加入到1g水中，混合均匀得到混合液1；将8g聚丙烯颗粒加入到95g二甲苯中，加热至130℃，使聚丙烯颗粒完全溶解后冷却至室温，得到混合液2；将混合液1加入到混合液2中，搅拌均匀得到流延分散液；
采用流延法将流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，在75℃进行干燥，冷却后得到超疏水聚丙烯膜。
实施例3
本实施例还原石墨烯制备同实施例1。
然后将0.5g还原石墨烯、0.2g纳米二氧化硅、0.03g Span-60和5g乙醇加入到1g水中，混合均匀得到混合液1；将5g聚丙烯颗粒加入到90g二甲苯中，加热至130℃，使聚丙烯颗粒完全溶解后冷却至室温，得到混合液2；将混合液1加入到混合液2中，搅拌均匀得到流延分散液；
采用流延法将流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，在,80℃进行干燥，冷却后得到超疏水聚丙烯膜。
图2为本实施例制备聚丙烯膜的SEM图片，由图可知，石墨烯片层形成了分层结构，纳米二氧化硅分散于层间，部分纳米二氧化硅形成了小颗粒的聚集体。
对比例
将聚丙烯颗粒5克分散于90克二甲苯中，加热到130oC使聚丙烯完全溶解，在常压下干燥，得到聚丙烯膜。
对实施例和对比例制备的聚丙烯膜进行水接触角测试，以水接触角反映聚丙烯膜
的疏水性能，结果如下表所示：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 | |
| 水接触角（<sup>O</sup>） | 155 | 163 | 160 | 93 |
由上表可知，在聚丙烯膜基底上流延疏水层可显著提高聚丙烯膜的疏水性能。本发明技术方案中乙醇、水与二甲苯共混，在乳化剂作用下形成乳液，由于纳米二氧化硅不溶于二甲苯，而还原石墨烯由于同时具有亲水基团羟基和亲水基团苯环，所以被优先吸附在乳液颗粒表面，如图1所示。待混合溶剂全挥发后，最终形成了石墨烯片层分层结构，纳米二氧化硅分散于层间的纳米结构，该结构具有良好的疏水性能。
实施例2的水接触角最大，其疏水性最好，其原因在于纳米二氧化硅和还原石墨烯形成了图1所示的纳米结构，纳米二氧化硅颗粒分散于石墨烯片层之间，当纳米二氧化硅和还原石墨烯二者含量相近，所形成的纳米结构疏水性最好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种超疏水聚丙烯膜，其特征在于所述超疏水聚丙烯膜包含聚丙烯层和疏水层，其中疏水层由聚丙烯、还原石墨烯、纳米二氧化硅和失水山梨醇硬脂酸酯组成。
2.如权利要求1所述的超疏水聚丙烯膜，其特征在于所述聚丙烯为全同聚丙烯；所述还原石墨烯由水合肼还原氧化石墨烯制得；所述纳米二氧化硅粒径为20-40nm；所述失水山梨醇硬脂酸酯为Span-60。
3.如权利要求1所述的超疏水聚丙烯膜，其特征在于所述疏水层各组分重量份数配比为：聚丙烯5-10份，还原石墨烯0.2-0.5份，纳米二氧化硅0.2-0.5份，失水山梨醇硬脂酸酯0.01-0.03份。
4.如权利要求1所述的超疏水聚丙烯膜，其特征在于所述疏水层厚度为0.05-0.5mm。
5.如权利要求1所述的超疏水聚丙烯膜，其特征在于疏水层的水接触角为145-165°。
6.一种如权利要求1-5所述任一超疏水聚丙烯膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）制备还原石墨烯：将氧化石墨烯和水合肼加入到水中，加热至100℃，搅拌反应24小时，反应后的混合物经冷冻干燥后，得到还原石墨烯；
2）配置流延分散液：首先将步骤1）的还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯加入和乙醇加入到水中，混合均匀得到混合液1；然后将颗粒状聚丙烯加入到二甲苯中，加热至130℃，使聚丙烯颗粒完全溶解后冷却至室温，得到混合液2；将混合液1加入到混合液2中，搅拌均匀得到流延分散液；
3）流延复合：采用流延法将步骤2）的流延分散液流延至聚丙烯膜基底上，在70-80℃进行干燥，冷却后得到超疏水聚丙烯膜。
7.如权利要求6所述超疏水聚丙烯膜的制备方法，其特征在于步骤1）中氧化石墨烯与水的质量比为1:1000；水合肼与水的体积比为1:1000。
8.如权利要求6所述超疏水聚丙烯膜的制备方法，其特征在于步骤1）中冷冻干燥的条件为-10℃、10Pa真空度下干燥 5d。
9.如权利要求6所述超疏水聚丙烯膜的制备方法，其特征在于步骤2）中还原石墨烯、纳米二氧化硅、失水山梨醇硬脂酸酯、乙醇、水、聚丙烯和二甲苯和质量份数配比为：还原石墨烯0.2-0.5份，纳米二氧化硅0.2-0.5份，失水山梨醇硬脂酸酯0.01-0.03份，乙醇1-5份，水1份，聚丙烯5-10份，二甲苯90-100份。
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