CN114834126A - 一种高气体阻隔热控膜及其制备方法 - Google Patents

一种高气体阻隔热控膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于膜材料领域，尤其涉及一种高气体阻隔热控膜及其制备方法。本发明提供的高气体阻隔热控膜包括层叠设置的第一聚合物膜层和第二聚合物膜层；所述第一聚合物膜层中含有片状结构珠光粉；所述第二聚合物膜层中含有炭黑。在本发明提供的膜材料中，含珠光粉层能反射大部分的太阳光，使膜材料表现出良好的控热性能，同时还能有效延长气体的扩散路径，提高膜材料的气体阻隔性；含炭黑层能将透过珠光粉层的微量光吸收掉，进一步提高膜材料的热控性能；而且，双层的膜结构很好的解决了炭黑与珠光粉直接复配所导致的微小缺陷而使得气体阻隔性能下降的问题。本发明提供的膜材料既具有良好的气体阻隔性能，又具有极低的光透过率，热控性能优异。

Description

一种高气体阻隔热控膜及其制备方法
技术领域
本发明属于膜材料领域，尤其涉及一种高气体阻隔热控膜及其制备方法。
背景技术
对于在户外或高空使用的充气物而言，其囊体常需要集气体阻隔、优异的耐候性及热控性能于一体。其中，气体阻隔性能是其使用的基础和安全保障，但通常适合做充气物的薄膜的本体的气体阻隔性能并不佳。因此，如何提高充气物膜材的气体阻隔性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
大多数的充气物需要常年在户外和高空使用时，经受太阳光照射，导致充气物表面和内部温度急剧升高，气压增大，严重时或可致使事故发生。因此，如何提高充气物膜材的热控性能，是本领域技术人员亟待解决的另一技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高气体阻隔热控膜及其制备方法，本发明提供的膜材料具有十分优异的气体阻隔性能和热控性能。
本发明提供了一种高气体阻隔热控膜，包括层叠设置的第一聚合物膜层和第二聚合物膜层；所述第一聚合物膜层中含有片状结构珠光粉；所述第二聚合物膜层中含有炭黑。
优选的，所述片状结构珠光粉为云母钛型珠光粉和/或氧化铝钛型珠光粉；所述片状结构珠光粉的粒径为5～60μm。
优选的，所述片状结构珠光粉为经过表面修饰改性的片状结构珠光粉，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂。
优选的，所述片状结构珠光粉在第一聚合物膜层中的含量为5～30wt％。
优选的，所述炭黑的粒径为20～200nm。
优选的，所述炭黑为经过表面修饰改性的炭黑，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂。
优选的，所述炭黑在第二聚合物膜层中的含量为0.5～10wt％。
优选的，所述第一聚合物膜层和第二聚合物膜层中的聚合物材料独立地选自热塑性聚氨酯弹性体、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物和聚酰胺中的一种或多种。
优选的，所述第一聚合物膜层的厚度为50～100μm；
所述第二聚合物膜层的厚度为25～50μm。
优选的，所述第一聚合物膜层作为高气体阻隔热控膜的表层，所述第二聚合物膜层作为高气体阻隔热控膜的底层。
本发明提供了一种上述技术方案所述的高气体阻隔热控膜的制备方法，包括以下步骤：
a)分别制备含有片状结构珠光粉的第一聚合物母粒和含有炭黑的第二聚合物母粒；
b)以所述第一聚合物母粒和第二聚合物母粒作为原料物，采用双层共挤出或层压复合的方式，制备得到高气体阻隔热控膜。
与现有技术相比，本发明提供了一种高气体阻隔热控膜及其制备方法。本发明提供的高气体阻隔热控膜包括层叠设置的第一聚合物膜层和第二聚合物膜层；所述第一聚合物膜层中含有片状结构珠光粉；所述第二聚合物膜层中含有炭黑。在本发明提供的膜材料中，含珠光粉层能反射大部分的太阳光，使膜材料表现出良好的控热性能，同时还能有效延长气体的扩散路径，提高膜材料的气体阻隔性；含炭黑层能将透过珠光粉层的微量光吸收掉，进一步提高膜材料的热控性能；而且，双层的膜结构很好的解决了炭黑与珠光粉直接复配所导致的微小缺陷而使得气体阻隔性能下降的问题。本发明提供的膜材料既具有良好的气体阻隔性能，又具有极低的光透过率，热控性能优异；将该膜材料应用于充气物囊体，可以保证囊体在户外阳光照射下的升温较小，充气物内部压力相对恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高气体阻隔热控膜的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的紫外-可见-红外光光谱。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高气体阻隔热控膜，参见图1，包括层叠设置的第一聚合物膜层和第二聚合物膜层；所述第一聚合物膜层中含有片状结构珠光粉；所述第二聚合物膜层中含有炭黑。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述片状结构珠光粉优选为云母钛型珠光粉和/或氧化铝钛型珠光粉；所述片状结构珠光粉中的二氧化钛含量优选为25～40wt％，更优选为30～35wt％，具体可为30wt％、32wt％、35wt％。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述片状结构珠光粉的粒径优选为5～60μm，具体可为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm或60μm。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述片状结构珠光粉优选为经过表面修饰改性的片状结构珠光粉，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂；所述偶联剂包括但不限于硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂，所述硅烷偶联剂的牌号优选包括KH550、KH560和KH570中的一种或多种，所述钛酸酯偶联剂的牌号优选包括HY201、HY311和HY401中的一种或多种；所述分散剂包括但不限于有机胺类分散剂、季胺盐类分散剂、羧酸盐类分散剂、磺酸盐类分散剂、乙二醇和丙烯酸类分散剂中的一种或多种；所述改性试剂的用量优选为片状结构珠光粉质量的5～20wt％，具体可为5wt％、7wt％、10wt％、12wt％、15wt％或20wt％。在本发明中，所述经过表面修饰改性的片状结构珠光粉优选按照以下步骤制备得到：
将片状结构珠光粉和改性试剂在液相中进行混合，固液分离，得到经过表面修饰改性的片状结构珠光粉。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述液相包括但不限于异丙醇或水；所述混合的温度优选为40～80℃，具体可为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃；所述混合的时间优选为0.5～3h，具体可为0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、1.7h、2h、2.3h、2.5h、2.7h或3h。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述混合的具体过程优选包括：先将片状结构珠光粉在液相中分散，得到分散液；然后将改性试剂的溶液滴加到所述分散液中进行混合。其中，所述分散的时间优选为10～20min，具体可为10min、12min、15min、17min或20min；所述混合的温度和时间与上文所介绍的混合的温度和时间一致。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述固液分离的方式优选为离心分离；所述固液分离结束后，优选对得到的固体产物进行洗涤和干燥。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述片状结构珠光粉在第一聚合物膜层中的含量优选为5～30wt％，具体可为5wt％、7wt％、10wt％、12wt％、15wt％、17wt％、20wt％、23wt％、25wt％、27wt％或30wt％。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述第一聚合物膜层中的聚合物材料优选为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)和聚酰胺(PA)中的一种或多种。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述第一聚合物膜层的厚度优选为50～100μm，具体可为50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm或100μm。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述炭黑的粒径优选为20～200nm，具体可为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm或200nm。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述炭黑优选为经过表面修饰改性的炭黑，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂；所述偶联剂包括但不限于硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂，所述硅烷偶联剂的牌号优选包括KH550、KH560和KH570中的一种或多种，所述钛酸酯偶联剂的牌号优选包括HY201、HY311和HY401中的一种或多种；所述分散剂包括但不限于有机胺类分散剂、季胺盐类分散剂、羧酸盐类分散剂、磺酸盐类分散剂、乙二醇和丙烯酸类分散剂中的一种或多种；所述改性试剂的用量优选为炭黑质量的5～20wt％，具体可为5wt％、7wt％、10wt％、12wt％、15wt％或20wt％。在本发明中，所述经过表面修饰改性的炭黑优选按照以下步骤制备得到：
将炭黑和改性试剂在液相中进行混合，固液分离，得到经过表面修饰改性的炭黑。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述液相包括但不限于异丙醇或水；所述混合的温度优选为40～80℃，具体可为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃；所述混合的时间优选为0.5～3h，具体可为0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、1.7h、2h、2.3h、2.5h、2.7h或3h。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述混合的具体过程优选包括：先将片状结构珠光粉在液相中分散，得到分散液；然后将改性试剂的溶液滴加到所述分散液中进行混合。其中，所述分散的时间优选为10～20min，具体可为10min、12min、15min、17min或20min；所述混合的温度和时间与上文所介绍的混合的温度和时间一致。
在本发明提供的上述具体制备步骤中，所述固液分离的方式优选为离心分离；所述固液分离结束后，优选对得到的固体产物进行洗涤和干燥。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述炭黑在第二聚合物膜层中的含量优选为0.5～10wt％，具体可为0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述第二聚合物膜层中的聚合物材料可以与第一聚合物膜层中的聚合物材料相同，也可以不同，优选为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)和聚酰胺(PA)中的一种或多种。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述第二聚合物膜层的厚度优选为25～50μm，具体可为25μm、27μm、30μm、32μm、35μm、37μm、40μm、42μm、45μm、47μm或50μm。
在本发明提供的高气体阻隔热控膜中，所述第一聚合物膜层优选作为高气体阻隔热控膜的表层，所述第二聚合物膜层优选作为高气体阻隔热控膜的底层。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的高气体阻隔热控膜的制备方法，包括以下步骤：
a)分别制备含有片状结构珠光粉的第一聚合物母粒和含有炭黑的第二聚合物母粒；
b)以所述第一聚合物母粒和第二聚合物母粒作为原料物，采用双层共挤出或层压复合的方式，制备得到高气体阻隔热控膜。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述第一聚合物母粒由片状结构珠光粉与聚合物材料经过熔融共混后造粒得到。其中，所述片状结构珠光粉在进行熔融混合之前优选先进行表面修饰改性，所使用的改性试剂优选为偶联剂和/或分散剂；所述片状结构珠光粉和聚合物材料的其他相关信息在前文中已经介绍，在此不再赘述；所述熔融共混所使用的设备优选为密炼机或双螺杆挤出机。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述第二聚合物母粒由炭黑与聚合物材料经过熔融共混后造粒得到。其中，所述炭黑在进行熔融混合之前优选先进行表面修饰改性，所使用的改性试剂优选为偶联剂和/或分散剂；所述炭黑和聚合物材料的其他相关信息在前文中已经介绍，在此不再赘述；所述熔融共混所使用的设备优选为密炼机或双螺杆挤出机。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，采用双层共挤出的方式制备高气体阻隔热控膜的具体过程优选包括：将所述第一聚合物母粒和第二聚合物母粒进行双层共挤出流延成型，得到高气体阻隔热控膜。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，采用层压复合的方式制备高气体阻隔热控膜的具体过程优选包括：分别将所述第一聚合物母粒和第二聚合物母粒加工成膜，再进行层压复合，得到高气体阻隔热控膜。
本发明提供和制备的膜材料既具有良好的气体阻隔性能，又具有极低的光透过率，热控性能优异。该膜材料可作为充气物囊体材料或其它热控覆盖膜使用，具有良好的市场前景。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
在本发明的下述实施例中，所使用的珠光粉和炭黑均预先进行表面修饰改性，具体的改性处理步骤如下：
称取一定量的粉料(珠光粉或炭黑)加入到去离子水或无水乙醇中，粉料与溶剂的质量比为1:10，搅拌分散10～20min，得到分散液；滴加占粉料质量10wt％的硅烷偶联剂KH570于上述分散液中，并于60℃混合处理2h；将处理后的分散液依次进行离心分离、洗涤和烘干，得到表面修饰改性后的珠光粉或炭黑。
实施例1
一种高气体阻隔控温薄膜，为双层结构，由50μm厚的片状结构珠光粉TPU薄膜I和50μm厚的炭黑TPU薄膜II组成；其中，薄膜I中所用片状结构珠光粉为二氧化钛含量32wt％、粒径5～25μm的云母钛型，命名为珠光粉i，其用量为薄膜I的30wt％；薄膜II中所用炭黑为粒径200nm的色素炭黑，命名为炭黑i，用量为薄膜II的0.5wt％。
上述薄膜的具体制备过程如下：
利用双螺杆分别制备含有30wt％珠光粉和0.5wt％炭黑的TPU专用料；利用双层共挤出制备表层为含珠光粉的TPU、底层为含有炭黑的TPU双层膜，两层均为50μm厚，总厚度为100μm。
实施例2
参照实施例1，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由100μm厚的片状结构珠光粉TPU薄膜III和25μm厚的炭黑TPU薄膜IV组成；其中，薄膜III中所用片状结构珠光粉为二氧化钛含量30％、粒径25～50μm的氧化铝钛型，命名为珠光粉ii，其用量为薄膜III的5wt％；薄膜IV中所用炭黑为炭黑i，用量为1.0wt％。
上述薄膜采用层压复合法制备，首先利用吹膜或流延法制备得到含有珠光粉的TPU薄膜III和含有炭黑的TPU薄膜IV，然后通过复合机进行层压复合得到膜材料。
实施例3
参照实施例1，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由80μm厚的片状结构珠光粉TPU薄膜V和30μm厚的炭黑TPU薄膜VI组成；其中，薄膜V中所用片状结构珠光粉为二氧化钛含量35％、粒径40～60μm的云母钛型，命名为珠光粉iii，其用量为薄膜V的10wt％；薄膜VI中所用炭黑为炭黑i，用量为5.0wt％。
实施例4
参照实施例1，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由50μm厚的片状结构珠光粉PE薄膜VII和20μm厚的炭黑PE薄膜VIII组成；其中，珠光粉、炭黑类型、含量及制备方法均与实施例1一致。
实施例5
参照实施例2，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由50μm厚的片状结构珠光粉PVDF薄膜IX和30μm厚的炭黑PVDF薄膜X组成；其中，珠光粉、炭黑类型、含量及制备方法均与实施例2一致。
实施例6
参照实施例3，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由80μm厚的片状结构珠光粉EVOH薄膜XI和20μm厚的炭黑EVOH薄膜XII组成；其中，珠光粉、炭黑类型、含量及制备方法均与实施例3一致。
实施例7
参照实施例6，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由80μm厚的片状结构珠光粉PA薄膜XIII和20μm厚的炭黑PVDF薄膜XIV组成；其中，珠光粉、炭黑类型、含量及制备方法均与实施例6一致。
实施例8
参照实施例7，其区别在于，本实施例提供的高气体阻隔控温薄膜由80μm的片状结构珠光粉TPU薄膜XV和20μm的炭黑EVOH薄膜XVI组成；其中，珠光粉、炭黑类型、含量及制备方法均与实施例7一致。
分析检测
1)通过配有积分球的紫外-可见光分光光度计分别对实施例5制备的膜材料和同厚度不添加珠光粉和炭黑PVDF薄膜进行测试，测试波长范围为200-2500nm。测试结果图如2所示，图2是本发明实施例提供的紫外-可见-红外光光谱。通过图2可以看出，对于常规PVDF膜而言，其在200～2500nm波长范围内的透过率大于55％，其中在380-2200nm波长范围内，透过率大于75％；具有添加珠光粉/炭黑双层结构的实施例5在200～2500nm波长范围内的透过率小于0.01％；由此可见，层叠设置的该双层结构制备的膜材料具有优异的耐候性。
2)对实施例1～8制备的膜材料以及同厚度不添加珠光粉和炭黑的膜材料的厚度、透气量、表面温度(控温效果)及光透过率进行测试；其中，厚度利用膜厚仪进行测试，测取5～8个数值，精确至1μm，并计算平均值；透气量采用压差法进行测试，将样品裁至直径不小于100mm的圆片，依据GB/T-1038标准于室温下进行测试，测试膜的氦气透过量，每组试样为3个，求取平均值；控温效果选用红外温度计进行测试，选取一块平整的背板(木板或纸板均可)，将薄膜裁成10cm×10cm的正方形，然后贴于背板上，将背板置于室外阳光照射下，每隔30min记录一次薄膜表面与未被遮挡的背板的温度。测试结果如表1所示：
表1膜材料的测试结果
Figure BDA0003656694510000091
Figure BDA0003656694510000101
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高气体阻隔热控膜，包括层叠设置的第一聚合物膜层和第二聚合物膜层；所述第一聚合物膜层中含有片状结构珠光粉；所述第二聚合物膜层中含有炭黑。
2.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述片状结构珠光粉为云母钛型珠光粉和/或氧化铝钛型珠光粉；所述片状结构珠光粉的粒径为5～60μm。
3.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述片状结构珠光粉为经过表面修饰改性的片状结构珠光粉，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂。
4.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述片状结构珠光粉在第一聚合物膜层中的含量为5～30wt％。
5.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述炭黑的粒径为20～200nm。
6.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述炭黑为经过表面修饰改性的炭黑，其改性试剂为偶联剂和/或分散剂。
7.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述炭黑在第二聚合物膜层中的含量为0.5～10wt％。
8.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述第一聚合物膜层和第二聚合物膜层中的聚合物材料独立地选自热塑性聚氨酯弹性体、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物和聚酰胺中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的高气体阻隔热控膜，其特征在于，所述第一聚合物膜层作为高气体阻隔热控膜的表层，所述第二聚合物膜层作为高气体阻隔热控膜的底层。
10.一种权利要求1～9任一项所述的高气体阻隔热控膜的制备方法，包括以下步骤：
a)分别制备含有片状结构珠光粉的第一聚合物母粒和含有炭黑的第二聚合物母粒；
b)以所述第一聚合物母粒和第二聚合物母粒作为原料物，采用双层共挤出或层压复合的方式，制备得到高气体阻隔热控膜。
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