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【6h】

聚合物/水滑石复合薄膜材料的组装及氧气/水分子阻隔性能研究

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目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 阻隔材料简介

1.2 有机-无机复合材料阻隔理论

1.2.1 绕道理论

1.2.2 Nielsen模型

1.2.3 Bharadwaj模型

1.2.4 Cussler模型

1.2.5 其他模型

1.3 阻隔材料分类

1.3.1 粘土/聚合物阻隔材料

1.3.2 石墨烯/聚合物阻隔材料

1.3.3 水滑石/聚合物阻隔材料

1.4 论文的研究内容、目的及意义

1.4.1 论文的研究内容

1.4.2 论文的目的及意义

第二章 多级结构壳聚糖/LDHs薄膜的组装及氧气阻隔性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 Mg2Al-LDHs(P-LDH)前驱体的制备

2.2.3 多级结构水滑石(H-LDH)的制备

2.2.4 多级结构水滑石/壳聚糖复合薄膜的制备

2.2.5 水滑石/壳聚糖复合薄膜的制备

2.2.6 壳聚糖薄膜的制备

2.2.7 样品表征

2.2.8 理论计算

2.3 结果与讨论

2.3.1 多级结构水滑石的制备和表征

2.3.2 (H-LDH/CTS)n薄膜的制备、结构和形貌研究

2.3.3 (H-LDH/CTS)n薄膜的性能研究

2.3.4 氧气阻隔性能计算模拟

2.4 本章小结

第三章 LDHs基阻气/阻水双功能薄膜材料的组装及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 Mg2Al-LDHs胶体的制备

3.2.3 修饰的水滑石/聚甲基环氧硅烷薄膜的制备

3.2.4 样品表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 制备和表征水滑石胶体和修饰的水滑石

3.3.2 (LDH-80/PDMS)n薄膜的结构和形貌研究

3.3.3 (LDH-80/PDMS)n薄膜的阻隔性能研究

3.3.4 (LDH-80/PDMS)n薄膜的防腐蚀性能研究

3.4 本章小结

第四章 结论

论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介

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摘要

阻隔薄膜材料具有阻止气体、水分子等物质透过的能力,在食品/药物包装和电子器件封装等领域具有广阔的应用前景。聚合物材料中均存在一定的自由体积,导致气体分子的透过。通过在聚合物基质中添加无机层状材料,可以显著提高其气体阻隔性能。但是,目前的阻隔薄膜材料在制备及使用过程中仍然存在一些不足,如:二维无机物只能阻止气体分子的纵向扩散,难以抑制其横向扩散;无机物添加量高导致复合薄膜材料的力学性能变差;薄膜材料对水分子扩散的阻隔性能较差。为了解决以上问题,本论文以层状双金属氢氧化物(简称水滑石,英文缩写为LDHs)为构筑基元,采用旋涂法将LDHs与聚合物组装为复合薄膜材料,研究其机械性能和热稳定性,并系统研究其对氧气、水分子的阻隔性能。
  本论文主要研究内容如下:
  1.多级结构壳聚糖/LDHs薄膜的组装及氧气阻隔性能研究
  首先通过共沉淀法制备了六方片状镁铝LDHs前体,经450℃条件下焙烧,得到复合金属氧化物(MMO);再将MMO置于氢氧化钠溶液中复原,得到多级结构水滑石(H-LDH)。进一步采用旋涂层层组装技术,将H-LDH和聚合物壳聚糖(CTS)在PET基底上交替组装,获得了多层(H-LDH/CTS)n复合薄膜,研究了薄膜的氧气阻隔性能。单纯PET薄膜的氧气透过量(OTR)为~8.431 cm3 m-2 day-1 atm-1,而(H-LDH/CTS)n薄膜的氧气透过量显著降低。当组装层数为10层时,(H-LDH/CTS)10薄膜的OTR已低于商业仪器的检测限(0.005 cm3 m-2 day-1 atm-1)。研究了该复合薄膜结构与其优异气体阻隔性能的内在关联:多级结构H-LDH可以在纵向和横向同时抑制氧气分子的扩散;此外,H-LDH自身存在的氧空位可以作为氧气分子捕获中心,抑制氧气透过薄膜,从而增强了薄膜的氧气阻隔性能。
  2.LDHs基阻气/阻水双功能薄膜材料的组装及性能研究
  首先通过成核晶化隔离法制备了镁铝水滑石胶体(Mg2Al-LDH),然后用非离子型表面活性剂吐温80(Tween80)对其进行表面改性,使水滑石表面修饰上疏水的烷基基团,进一步通过旋涂法将表面改性LDHs与疏水聚合物聚二甲基硅氧烷交替组装成薄膜。接触角测试表明复合薄膜具有疏水性,水滴的接触角为110°。阻隔性能测试表明,该薄膜具有优异的氧气/水蒸汽双重阻隔性能,氧气、水分子的透过率分别为48.213及10.824 cm3 m-2 day-1 atm-1。进一步研究了其对金属的防护作用,通过电化学阻抗和极化曲线测试发现该薄膜材料显著减缓金属的腐蚀速率,在阻水/阻氧、防腐等领域具有潜在的应用价值。

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