CN115403905A - 石墨烯全降解复合膜袋及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于全降解复合材料领域，具体涉及一种石墨烯全降解复合膜袋及其制备方法。针对现有可降解塑料降解效果不好、力学性能不佳、不稳定等缺陷，本发明提供了一种石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，该方法通过将氧化石墨烯与硅烷偶联剂混合后进行反应，对石墨烯进行改性，再与树脂混合，让石墨烯包覆树脂，最后混合辅料后制备得到石墨烯可降解复合材料母粒，制备成膜袋。本发明通过特有的石墨烯改性方法得到改性石墨烯，进而提高石墨烯可降解复合材料的力学性能，方法操作简单，适宜用在全降解塑料领域。
Description
技术领域
本发明属于全降解复合材料领域，具体涉及一种石墨烯全降解复合膜袋及其制备方法及应用。
背景技术
塑料是目前人们生活中最常用的材料，而塑料的滥用与随意丢弃造成了日益严重的“白色污染”。发展全降解的塑料制品迫在眉睫，然而目前的全降解塑料存在力学性能差、成本高等问题。
聚乳酸(简称PLA)是一类新型的热塑性脂肪族聚酯，具有较高的强度，一定的生物相容性和耐热性，其制备所需的原材料为乳酸，乳酸来源广泛，主要由玉米、甘蔗、甜菜、秸秆等含有淀粉和纤维素的物质发酵得到。聚乳酸在大自然中最终的分解产物为二氧化碳和水，对环境没有任何污染，具有可持续发展性。聚乳酸作为一种环境友好材料，从长远看，它可以从根本上解决塑料污染所带来的生态问题。但是，聚乳酸自身刚性较大，以致主要由其制成的材料存在脆性严重、冲击韧性较差，且热稳定性不佳等技术缺陷，这也大大限制了聚乳酸在可降解膜材料领域的推广应用。
因此，行业内急需开发一种力学性能更高、稳定性更好、并且可以全降解的复合材料，以缓解塑料制品造成的环境压力。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有可降解塑料降解效果不好、力学性能不佳、不稳定等缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供了一种石墨烯可降解复合膜袋的制备方法。该方法包括以下步骤：
a、取适量氧化石墨烯并加入去离子水，超声后得到GO分散液，用酸调节pH值为2～5，得到酸性GO分散液；
b、取适量硅烷偶联剂与无水乙醇、去离子水混合搅拌，制得硅烷偶联剂稀释液；
c、将步骤a得到的酸性GO分散液放入反应釜中搅拌，转速为200～1000rpm，待水浴温度达到40～100℃后缓慢加入步骤b得到的硅烷偶联剂稀释液，搅拌反应8～20h，得到混合液；
d、将步骤c得到的混合液静置分层，去掉上清液，用无水乙醇清洗掉多余的偶联剂，再用去离子水反复清洗至pH值为中性，最后置于真空干燥箱中真空干燥，得到改性石墨烯；
e、将改性石墨烯与树脂进行混合，转速300～1000rpm下混合10min，然后以100～800rpm的转速卸料，并不断疏通卸料口，让石墨烯充分包覆树脂颗粒，得到共混物A；
f、将步骤e所述的共混物A与辅料混合，在400～1100rpm转速下混合5～30min，待料温达到80～120℃后停止，得到共混物B；
g、将共混物B通过双螺杆挤出机挤出并冷却造粒，得到石墨烯可降解复合材料母粒，将母粒通过吹膜机和制袋机制成膜袋。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤a所述GO分散液的浓度为1～4％。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤b所述的硅烷偶联剂为KH～530、KH～550、KH～560、KH～570、KH～580或KH～171中的一种。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤b所述的硅烷偶联剂、无水乙醇和去离子水的体积比为15～30:40～70:15～30。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤c所述的酸性GO分散液与硅烷偶联剂稀释液的体积比为90～99:1～10。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤e所述树脂为PLA、PBAT或PBS中的至少一种。
其中，上述石墨烯可降解复合材料的制备方法中，步骤e所述改性石墨烯与树脂的重量比为0.1～1:99～99.9。
优选的，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤e所述树脂为PLA和PBAT的组合物。
进一步优选的，所述改性石墨烯与树脂的组成为：改性石墨烯0.1～1份，PLA 19～59.9份，PBAT 40～80份。
其中，上述石墨烯可降解复合膜袋的制备方法中，步骤f中所述的辅料包括石蜡、碳酸钙、淀粉、滑石粉、高聚烷烃、扩链剂、成核剂、增韧剂、相容剂或开口剂中的至少一种。
进一步的，所述的辅料为碳酸钙、扩链剂和开口剂的组合物。
进一步的，所述的共混物A与辅料的重量比为60～70:20～40。
本发明还提供了一种上述方法制备得到的石墨烯可降解复合膜袋。
本发明的有益效果为：
本发明通过采用湿法改性的方法将石墨烯改性，再将其与树脂复合，制备成石墨烯可降解复合材料，本发明仅添加少量的石墨烯就能够显著的提高复合材料的力学性能，并且使得其增韧效果最好。本发明对石墨烯改性后，可以解决直接物理混合石墨烯导致复合材料力学性能反而下降的问题，本发明改性方法简单，制备得到的石墨烯可降解复合材料拉伸强度可达到22.2878MPa，断裂拉伸应变达到624.0193％，力学性能显著增强。
具体实施方式
现有的研究发现，石墨烯和树脂的结合力很差，石墨烯在树脂中不能得到很好的分散，添加石墨烯之后，力学性能依然很差。
本发明通过湿法改性石墨烯，仅添加少量的石墨烯就能够显著的提高复合材料的力学性能，并且使得其增韧效果最好。
本发明在制备复合材料时，优选采用碳酸钙、扩链剂和开口剂作为辅料。碳酸钙作为填料成本低，而且与脂肪酸改性后的石墨烯的结合能力较强，扩链剂和开口剂则是膜袋类材料常添加的助剂，扩链剂也是起到增强复合材料结合的作用，而开口剂主要是使膜袋制作过程中两层之间易于分开。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1～3采用本发明方法制备石墨烯可降解复合膜袋
实施例中各原料的配比如下表1所示。制备方法如下：
(1)按照配方称取GO和去离子水，超声后调节pH得到酸性GO分散液，GO分散液的浓度为3％。
(2)将适量硅烷偶联剂20ml、无水乙醇40ml、去离子水20ml混合搅拌，制得偶联剂稀释液。
(3)将上述酸性GO分散液100ml与偶联剂稀释液8ml在反应釜中搅拌得到混合液，再将混合液静置分层去掉上清液后清洗干燥得到改性石墨烯。
(4)将上述改性石墨烯与PLA、PBAT树脂颗粒在高混机中充分混合包覆后，再加入碳酸钙粉末、扩链剂和开口剂混合，得到共混物。
(5)将上述共混物转入挤出机中挤出造粒，得到石墨烯全降解复合材料。
(6)将上述石墨烯全降解复合材料通过吹膜机和制袋机制成膜袋。
对比例1～4采用现有方法制备石墨烯可降解复合膜袋
对比例1没有加入改性石墨烯，其余原料份数如表1所示。
对比例2改性石墨烯的量加入较多，其余原料份数如表1所示。
对比例3加入的是没有改性的普通石墨烯，其余原料份数如表1所示。
对比例4加入的改性石墨烯改性方法为：
(1)按照配方称取GO和去离子水，超声后调节pH得到酸性GO分散液，GO分散液的浓度为5％。
(2)将适量硅烷偶联剂50ml、无水乙醇30ml、去离子水40ml混合搅拌，制得偶联剂稀释液。
(3)将上述酸性GO分散液100ml与偶联剂稀释液8ml在反应釜中搅拌得到混合液，再将混合液静置分层去掉上清液后清洗干燥得到改性石墨烯。
表1制备石墨烯可降解复合膜袋配方表(单位：％)
对实施例和对比例制备得到的石墨烯可降解膜袋力学性能进行测定，结果如下表2所示。
其中，拉伸强度和断裂拉伸应变都采用GB/T 1040.3～2006中的方法进行测定。
表2力学性能测试结果(试样宽度15mm；平均厚度：0.042mm)
由实验结果可知：本发明采用自己设计的改性方法对石墨烯进行改性，添加改性后的石墨烯制备石墨烯可降解复合材料，提高了石墨烯可降解复合材料的力学性能，操作简单，值得推广。
Claims (10)
1.石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、取适量氧化石墨烯并加入去离子水，超声后得到GO分散液，用酸调节pH值为2～5，得到酸性GO分散液；
b、取适量硅烷偶联剂与无水乙醇、去离子水混合搅拌，制得硅烷偶联剂稀释液；
c、将步骤a得到的酸性GO分散液放入反应釜中搅拌，转速为200～1000rpm，待水浴温度达到40～100℃后缓慢加入步骤b得到的硅烷偶联剂稀释液，搅拌反应8～20h，得到混合液；
d、将步骤c得到的混合液静置分层，去掉上清液，用无水乙醇清洗掉多余的偶联剂，再用去离子水反复清洗至pH值为中性，最后置于真空干燥箱中真空干燥，得到改性石墨烯；
e、将改性石墨烯与树脂进行混合，转速300～1000rpm下混合10min，然后以100～800rpm的转速卸料，并不断疏通卸料口，让石墨烯充分包覆树脂颗粒，得到共混物A；
f、将步骤e所述的共混物A与辅料混合，在400～1100rpm转速下混合5～30min，待料温达到80～120℃后停止，得到共混物B；
g、将共混物B通过双螺杆挤出机挤出并冷却造粒，得到石墨烯可降解复合材料母粒，将母粒通过吹膜机和制袋机制成膜袋。
2.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤a所述GO分散液的浓度为1～4％。
3.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤b所述的硅烷偶联剂为KH～530、KH～550、KH～560、KH～570、KH～580或KH～171中的一种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤b所述的硅烷偶联剂、无水乙醇和去离子水的体积比为15～30:40～70:15～30。
5.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤c所述的酸性GO分散液与硅烷偶联剂稀释液的体积比为90～99:1～10。
6.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤e所述树脂为PLA、PBAT或PBS中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤e所述改性石墨烯与树脂的组成为：改性石墨烯0.1～1份，PLA 19～59.9份，PBAT 40～80份。
8.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤f中所述的辅料包括石蜡、碳酸钙、淀粉、滑石粉、高聚烷烃、扩链剂、成核剂、增韧剂、相容剂或开口剂中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的石墨烯可降解复合膜袋的制备方法，其特征在于：步骤f所述的共混物A与辅料的重量比为60～70:20～40。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的石墨烯可降解复合膜袋。
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