液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸

doi:10.7503/cjcu20220316

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 20220316.doi: 10.7503/cjcu20220316

液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸

徐欢¹(), 柯律¹, 唐梦珂¹, 尚涵¹, 徐文轩¹, 张子林¹, 付亚男¹, 韩广东², 崔金声², 杨皓然³, 高杰峰⁴, 张生辉¹, 何新建⁵()

^1.中国矿业大学材料与物理学院, 徐州 221116
^2.济宁浩珂科技有限公司, 济宁 272100
^3.郑州轻工业大学材料与化学工程学院, 河南省表界面科学重点实验室, 郑州 450002
^4.扬州大学化学化工学院, 扬州 225200
^5.中国矿业大学安全学院, 徐州 221116

收稿日期:2022-05-09 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-07-21
通讯作者: 徐欢,何新建 E-mail:hihuan@cumt.edu.cn;xinjian.he@cumt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52003292);江苏省自然科学基金(BK20200661);中国博士后科学基金(2020M681763);江苏省博士后科研资助计划(2021K578C);中央高校基本科研业务费专项资金(2021QN1115)

In⁃situ Liquid Exfoliation of Montmorillonite Nanosheets in Poly（lactic acid） to Resist Oxygen Permeation

XU Huan¹(), KE Lyu¹, TANG Mengke¹, SHANG Han¹, XU Wenxuan¹, ZHANG Zilin¹, FU Yanan¹, HAN Guangdong², CUI Jinsheng², YANG Haoran³, GAO Jiefeng⁴, ZHANG Shenghui¹, HE Xinjian⁵()

^1.School of Materials Science and Physics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
^2.Jining Haoke Technology Co. ，Ltd. ，Jining 272100，China
^3.Henan Key Laboratory of Surface and Interface Science and Technology，School of Material and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China
^4.School of Chemistry and Chemical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225200，China
^5.School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China

Received:2022-05-09 Online:2022-11-10 Published:2022-07-21
Contact: XU Huan,HE Xinjian E-mail:hihuan@cumt.edu.cn;xinjian.he@cumt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52003292);the Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China(BK20200661);the China Postdoctoral Science Foundation(2020M681763);the Jiangsu Provincial Postdoctoral Research Foundation, China(2021K578C);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(2021QN1115)

摘要/Abstract

摘要：

提出了液相剪切剥离蒙脱土(MMT)制备寡层纳米片(MNSs)并将其原位引入PLA基体的方法, 可经简单的刮刀涂覆法(Blade coating)制备MNSs质量分数为2%, 5%和10%的PLA基纳米复合薄膜. 该技术路线赋予了MNSs在PLA基体中充分剥离(片层间距可达3.11 nm)和良好取向排列以及较强的界面相互作用. 这些结构特征使得纳米复合薄膜的结晶度和力学性能得到大幅提升, 同时显著降低了氧气渗透系数. 本文不仅提出了可规模化原位剥离二维纳米片的有效方法, 更为制备高强高阻隔全降解复合材料及其结构-性能关系研究提供了思路.

关键词: 聚乳酸, 蒙脱土纳米片, 液相剪切剥离, 结晶形态, 力学性能, 阻氧性能

Abstract:

As one of the most representative bioplastics， poly（lactic acid）（PLA） has been identified as an ecofriendly candidate for packaging medicine and food， holding distinct advantages of high strength and good biocompatibility. The application prospects， however， are largely dwarfed by the poor ductility and low resistance to gas permeation. In this work， the high-shear liquid exfoliation method was proposed to effectively transform the montmorillonite（MMT） to few-layer MMT nanosheets（MNSs）， which thereby enabled in situ incorporation into the PLA matrix. Using a facile blade coating method， the fully biodegradable PLA nanocomposite films were prepared， with the MNS content ranging from 2% to 5% and 10%. The MNSs were found to be well exfoliated with a planar distance up to 3.11 nm， as accompanied by good alignment and strong interfacial adhesion within the composite films. These structural features conferred remarkable improvements in the mechanical properties and gas barrier performance for the composite films. This effort is of important significance for effective exfoliation of two-dimensional（2D） nanosheets， as well as fabrication of strong and high-barrier biodegradable nanocomposites.

Key words: Poly（lactic acid）, Montmorillonite nanosheets, High-shear liquid exfoliation, Crystalline morphology, Mechanical property, Oxygen barrier performance

中图分类号:

O631

TrendMD:

徐欢, 柯律, 唐梦珂, 尚涵, 徐文轩, 张子林, 付亚男, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 高杰峰, 张生辉, 何新建. 液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220316.

XU Huan, KE Lyu, TANG Mengke, SHANG Han, XU Wenxuan, ZHANG Zilin, FU Yanan, HAN Guangdong, CUI Jinsheng, YANG Haoran, GAO Jiefeng, ZHANG Shenghui, HE Xinjian. In⁃situ Liquid Exfoliation of Montmorillonite Nanosheets in Poly（lactic acid） to Resist Oxygen Permeation. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220316.

图/表 9

Fig.1 Schematic diagrams of the CSH apparatus(A, B), digital photos of the rotator and stator(C), schematic images describing the distribution of pressure field(D, in kPa), flow rate field(E, in m/s) and shear rate field(F, in s-1) in the CSH operating at a rotation speed of 10000 r/min and a flux of 5 L/min and schematic illustration for preparation of MNS?modified PLA composites by using the blade coating technique(G)The inset diagram of （G） shows the MNSs with good exfoliation and alignment potentially induced the ordering and crystallization of PLA.

Fig.2 TEM micrographs of MMT(A) and MNSs(B, C)

Fig.3 XRD patterns of MMT and MNSs manifesting the interlayer distance

Fig.4 SEM observations of cross?section morphology for normal PLA/MMT10 composites loaded with 10%(mass fraction) MMT(A, B) and the as?prepared PLA/MNS10 film(C, D)The PLA matrix in the composite films was gently etched by alkaline solution to expose the MNSs adequately.

Fig.5 XRD patterns of PLA/MNS2, PLA/MNS5 and PLA/MNS10

Fig.6 SEM observations of surface morphology for the as?prepared PLA/MNS10 film with low(A, B) and high(C, D) magnificationsThe composite film was gently etched by alkaline solution to observe the MNSs clearly.The images（C， D） present the local observation in （B）.

Fig.7 2D?WAXD patterns(A—D) and diffraction intensity profiles(E) of pure PLA(A, a), PLA/MNS2(B, b), PLA/MNS5(C, c) and PLA/MNS10(D, d) and the plots of crystallinity as a function of MNS content(F)The arrows in （B） point to the diffraction arcs indicating the formation of oriented PLA crystals induced by the well-exfoliated MNSs.

Fig.8 Tensile behavior(A), tensile stress(B), elastic modulus(C) and elongation at break(D) of MNS?modified PLA composites

Fig.9 Plots of PO2 demonstrating the declined oxygen permeation by the well?exfoliated MNSs(A) and comparison of percentage decline of PO2 between this work and other PLA composites(B)The percentage decline is defined as the decrease in PO2 to the initial value of pristine matrix. a. PLA/GO［35］； b. PLA/TMC-328［37］； c. PLA/GO［36］； d. PLA/graphene［36］； e. PLA/C16-MMT［38］.

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