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CN111073500B - 膜及其制备方法 - Google Patents

膜及其制备方法 Download PDF

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CN111073500B
CN111073500B CN201911293755.4A CN201911293755A CN111073500B CN 111073500 B CN111073500 B CN 111073500B CN 201911293755 A CN201911293755 A CN 201911293755A CN 111073500 B CN111073500 B CN 111073500B
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Suzhou Puxi Environmental Protection Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开了膜及其制备方法。膜包括:基底层、设置于所述基底层表面的第一阻挡层以及设置于所述第一阻挡层表面的第二阻挡层,其中:所述第二阻挡层中包括二维纳米材料以及高分子材料。由于二维纳米材料的材料粒径属于纳米级,相较于第一阻挡层,使得第二阻挡层的致密性较高,孔径大小较小,在第一阻挡层上增加该第二阻挡层能够增加膜整体的密封性能,从而解决现有技术中的问题。

Description

膜及其制备方法
技术领域
本申请涉及材料加工技术领域,尤其涉及膜及其制备方法。
背景技术
随着社会的不断发展,在食物、饮料瓶、药品、光学和电子工业等的密封过程中,通常需要用到塑料膜、金属箔等膜。现有的膜受限于制备材料、制备工艺等,通常会在表面形成微小的孔隙、针孔、裂缝等,从而影响膜的密封性能。因此需要提供一种密封性能更加优良的膜,以解决现有技术中的问题。
发明内容
本申请实施例提供膜及其制备方法,用于解决现有技术中的膜密封性能较差的问题。
本申请实施例提供了一种膜的制备方法,包括:
提供一基底层,其中所述基底层上包括第一阻挡层;
利用二维纳米材料与高分子材料的混合材料,在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层。
优选的,所述二维纳米材料包括如下任意一种或多种材料:
石墨烯;
官能化石墨烯;
氧化石墨烯;
官能化氧化石墨烯;
还原的氧化石墨烯;
官能化的还原的氧化石墨烯。
优选的,所述高分子材料具体包括:溶胀比低于预设阈值的高分子材料和/或添加了抑制溶胀添加剂的高分子材料。
优选的,利用二维纳米材料与高分子材料的混合材料,在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层,具体包括:
利用氧化石墨烯与聚醚酰亚胺的混合材料,在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层。
优选的,利用氧化石墨烯与聚醚酰亚胺的混合材料,在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层,具体包括:
将聚醚酰亚胺溶于二甲基乙酰胺中制备出聚醚酰亚胺溶液;
将氧化石墨烯分散于二甲基乙酰胺中,制备出分散体;
将所制备出的聚醚酰亚胺溶液与分散体混合后,利用混合液在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层。
优选的,利用混合液在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层,具体包括:
将混合液在第一阻挡层表面均匀涂布;
将均匀涂布后的混合液,通过热引发相转化或非溶剂引发相转化在第一阻挡层表面形成第二阻挡层。
本申请实施例提供了一种膜,包括:基底层、设置于所述基底层表面的第一阻挡层以及设置于所述第一阻挡层表面的第二阻挡层,其中:所述第二阻挡层中包括二维纳米材料以及高分子材料。
优选的,所述二维纳米材料包括如下任意一种或多种材料:
石墨烯;
官能化石墨烯;
氧化石墨烯;
官能化氧化石墨烯;
还原的氧化石墨烯;
官能化的还原的氧化石墨烯。
优选的,所述第二阻挡层中氧化石墨烯的质量占比为:大于或等于5%,且小于或等于40%。
优选的,第二阻挡层的厚度大于或等于1纳米且小于或等于500纳米。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果:
采用本申请实施例所提供的膜,该膜包括基底层、设置于基底层表面的第一阻挡层以及设置于第一阻挡层表面的第二阻挡层,其中:第二阻挡层中包括二维纳米材料以及高分子材料。由于二维纳米材料的材料粒径属于纳米级,相较于第一阻挡层,使得第二阻挡层的致密性较高,孔径大小较小,在第一阻挡层上增加该第二阻挡层能够增加膜整体的密封性能,从而解决现有技术中的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本申请实施例提供的一种膜的具体截面示意图;
图2为本申请实施例提供的另一种膜的具体截面示意图;
图3为本申请实施例提供的膜制备方法的具体流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
以下结合附图,详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
如前所述,现有的膜受限于制备材料、制备工艺等,通常会在表面形成微小的孔隙、针孔、裂缝等,使得膜能透过如氧气、水蒸气、二氧化碳、氢气、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、溶剂、溶质等,从而影响其密封性能。
基于此,本申请提供一种膜,能够解决现有技术中的问题。如图1所示为该膜10的截面示意图。从图1中可以看出,该膜10包括基底层11,其中,该基底层11的至少一个表面上包括一个或多个第一阻挡层12,该膜10还包括设置于至少一个第一阻挡层12表面的第二阻挡层13,其中:第二阻挡层13中包括二维纳米材料以及高分子材料。
其中,根据具体应用场景的不同,该基底层11用于提供机械支撑和/或流体流道。比如,用于水过滤的膜,其基底层需要提供机械支撑和流体流道。
并且,基底层11的材料可为有机材料和/或无机材料及它们的混合,比如基底层11可以为单块或者包括多个相邻不同材料块的结构。基底层11的材料的可以为热塑性塑料。基底层11的材料的还可以为有机聚合树脂,例如但不限于,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯酸酯、聚降冰片烯、聚碳酸酯(PC)、硅酮、环氧树脂、硅酮官能化环氧树脂、或聚荼二甲酸乙二醇酯(PEN)。另外的基底层11的材料可以为超薄玻璃层或金属箔或熔融陶瓷,其具有孔隙、针孔或裂缝。此外,不同工业名称的基底层11的材料可包括Aclar、Vectran、Tefzel、Surlyn、PET ST504、PET mylar D、Armstrong A661、Tedlar、BRP-C、PVC Black、P0100、P0 130、Kapton、PVC clear、Korad、EVA、PVB、TPU、DC Sy1guards、GE RTV 615。需要注意的是,通过多种材料形成的组合材料,也在本申请保护范围内。
比如,该基底层11的材料可以是诸如PET等柔性有机材料,从而制备出具有柔性的柔性有机基底层;基底层11的材料还可以是诸如金、银、铜等金属材料,从而利用这些金属材料加工制备出的金属箔的基底层11。
另外,对于基底层11的厚度,其厚度可以大于或等于5微米,且小于或等于250微米。比如,基底层11的厚度为5微米、10微米、15微米、20微米、30微米、50微米、80微米、100微米、110微米、135微米、150微米、170微米、195微米、200微米、220微米、230微米、250微米或者介于5微米~250微米之间的其他厚度值。在实际应用中,对于基底层11的具体厚度,可以根据具体应用场景、基底层11的材料等具体情况来确定。
对于该基底层11的两个表面,其至少一个表面上包括一个或多个第一阻挡层12。比如,基底层11的一个表面上包括一个第一阻挡层12,另一个表面上没有第一阻挡层12;或者,基底层11的一个表面上包括一个第一阻挡层12,另一个表面上包括一个或多个第一阻挡层12;或者,基底层11的一个表面上包括多个第一阻挡层12,另一个表面上包括多个第一阻挡层12等。
对于基底层11的两个表面,具体一个或两个表面包括第一阻挡层12,可以根据实际需要来确定,比如对于医药、食品等涉及生命健康的领域,为了避免基底层11直接接触药物、食品等,从而造成污染,可以在基底层11的两个表面均设置第一阻挡层12。
另外,对于基底层11任意一个表面上第一阻挡层12的具体数量,其通常可以为1个。当然在需要较高密封性时,可以为多个,比如为2个、3个、4个或其他数量,这些第一阻挡层12可以层叠设置于基底层11的表面。
通常当第一阻挡层12的数量越多时,膜10的密封性越强,但相应的成本较高,可以结合实际密封需要和成本的考虑,确定第一阻挡层12的数量。
对于任意一个第一阻挡层12的厚度,其可以为大于或等于30微米,且小于或等于150微米。比如,第一阻挡层12的厚度为30微米、35微米、45微米、60微米、80微米、90微米、100微米、110微米、135微米、150微米或者介于30微米~150微米之间的其他厚度值。
第一阻挡层12可以为利用金属材料或陶瓷材料,并通过浸涂、喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、磁控溅射和/或反应溅射或其他方式生产。
第一阻挡层12的材料可以为氮化物,例如氮化硅。第一阻挡层12的材料还可以为有机材料、无机材料、陶瓷材料和它们的任何组合的那些。
比如,在一个实例中,第一阻挡层12的材料为来自于反应性等离子体物类并通过沉积到基底层11上的重组产物。在另一个实例中,第一阻挡层12的材料为有机阻挡涂层材料,该材料通常可包括碳和氢,任选其他元素,如氧、氮、硅、硫等元素。
第一阻挡层12的材料还可以为无机材料、陶瓷材料,通常包括IIA、IIIA、IVA、VA、VIA、VIIA、IB或IIB族元素的氧化物、氮化物、硼化物或它们的任何组合;IIIB、IVB或VB族或稀土元素的金属。例如,包括碳化硅材料的第一阻挡层12可以通过从硅烷和有机材料如甲烷或二甲苯产生的等离子体的重组沉积到基底层11上。含碳氧化硅材料的第一阻挡层12可以从由硅烷、甲烷和氧气,或硅烷和环氧丙烷产生的等离子体沉积,或从由有机硅酮前体(如四乙氧基原硅烷(TE0S)、六甲基二硅氧烷(HMDS)、六甲基二硅氮烷(HMDZ)或八甲基环四硅氧烷(D4))产生的等离子体沉积。含氮化硅材料的第一阻挡层12可从由硅烷和氨产生的等离子体沉积。含碳氮氧化铝材料的第一阻挡层12可以由例如从酒石酸铝和氨的混合物产生的等离子体沉积。
在一些实施方案中含有机材料的第一阻挡层12可以用如下方法生成:旋涂、流涂、刮涂、挤出、凹版印刷或微凹版印刷法、浸涂、喷涂、真空沉积、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、或类似方法如射频等离子体增强的化学气相沉积(RF-PECVD)、膨胀热-等离子体化学气相沉积、反应性溅射、电子-回旋加速-谐振等离子体增强的化学气相沉积(ECRPECVD)、电感耦合等离子体增强的化学气相沉积(ICPECVD)、溅射沉积、蒸镀、层沉积或这些方法的组合。
该膜10还包括设置于至少一个第一阻挡层12表面的第二阻挡层13。比如,在图1中,该膜10中包括设置于一个第一阻挡层12表面的第二阻挡层13;还可以如图2所示,包括多个第二阻挡层13,其分别设置于多个第一阻挡层12的表面。当然,也可以针对每一个第一阻挡层12,分别在其表面设置一个对应的第二阻挡层13。该第二阻挡层13的数量越多时,通常密封效果越佳,但相应的制作成本越高,可以结合密封性能的需求以及成本等因素,确定第二阻挡层13的数量。
对于该第二阻挡层13的厚度,其可以与第一阻挡层12的厚度相同或不同,通常第二阻挡层13的厚度大小可以为大于或等于1纳米,且小于或等于500纳米。比如,第二阻挡层13的厚度为1纳米、3纳米、7纳米、10纳米、16纳米、30纳米、50纳米、70纳米、100纳米、140纳米、170纳米、200纳米、230纳米、270纳米、300纳米、350纳米、390纳米、400纳米、420纳米、450纳米、480纳米、500纳米或者介于1纳米~500纳米之间的其他厚度值。
对于第二阻挡层13的材料,其通常采用比第一阻挡层12致密性更高、或比表面积更大的材料,从而使得第二阻挡层13的阻挡或吸附性能大于第一阻挡层12。
由于二维纳米材料的比表面积较大,吸附性较强,可以利用二维纳米材料来制备该第二阻挡层13。该二维纳米材料可以包括如下任意一种或多种材料的组合:石墨烯;官能化石墨烯;氧化石墨烯;官能化氧化石墨烯;还原的氧化石墨烯;官能化的还原的氧化石墨烯。比如,以氧化石墨烯来制备该第二阻挡层13。
另外,由于二维纳米材料的材料粒径属于纳米级,相较于第一阻挡层12,以二维纳米材料制备的第二阻挡层13的致密性也较高,孔径大小较小,在第一阻挡层12上增加该第二阻挡层13能够增加膜整体的密封性能。特别是,石墨烯、官能化石墨烯、氧化石墨烯、官能化氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、官能化的还原的氧化石墨烯等材料,由于其结构中包括单层石墨,通常比表面积极大,并且单层石墨之间通过互相叠加、交错,使得致密性较高,孔径大小较小,密封性能优良。
在实际应用中,当以二维纳米材料来制备第二阻挡层13时,还可以向其中添加一定量的溶胀比低于预设阈值的高分子材料,从而使用添加高分子材料后的混合材料来制备第二阻挡层13,这样利用高分子材料的材料特性来抑制第二阻挡层13的溶胀现象。溶胀比低于预设阈值的高分子材料中所说的预设阈值可以根据实际情况来确定,对于需要严格限制溶胀的情况,该预设阈值可以较低,比如可以为1毫升每克、1.1毫升每克,或约等于1毫升每克的其他值。
比如,由于聚醚酰亚胺(PEI)的溶胀比极低(低于预设阈值),可以向二维纳米材料中添加PEI,然后将混合材料制备第二阻挡层13。
另外,还可以将添加了抑制溶胀添加剂的高分子材料,添加至二维纳米材料中,然后将混合材料制备第二阻挡层13,从而利用所添加的抑制溶胀添加剂的来抑制溶胀现象。
如图2所示为实际应用中的一种膜的结构示意图,其中包括基底层11;设置于基底层11表面的第一阻挡层12,第一阻挡层12中由于制备工艺、制备材料等缺陷,包括针孔121;第一阻挡层12表面包括第二阻挡层13,该第二阻挡层13中包括二维纳米材料的纳米级材料颗粒131以及PEI。该第二阻挡层13中的纳米级材料颗粒131对第一阻挡层12中的针孔121进行了封堵,从而增加了膜的整体密封性能。
当向二维纳米材料中添加溶胀比低于预设阈值的高分子材料,或添加了抑制溶胀添加剂的高分子材料时,混合材料中的二维纳米材料质量占比越高,利用该混合材料所制备出的第二阻挡层13的密封性能越高,但制备成本通常也越高。在实际应用中,结合成本和密封性能等因素,对于添加后的混合材料中二维纳米材料的质量占比,其范围可以为大于或等于5%,且小于或等于40%。比如,以氧化石墨烯作为该二维纳米材料时,其质量占比可以为大于或等于5%,且小于或等于40%。比如可以为5%、7%、11%、18%、20%、25%、29%、32%、37%、40%或介于5%~40%之间的其他值。
由于金属材料的致密性较高,也可以采用金、银、铝等金属材料作为第二阻挡层13的材料,特别是可以将这些金属材料以磁控溅射的方式,在第一阻挡层12表面生成第二阻挡层13。由于磁控溅射的方式成本较低,操作简单,通常可以降低第二阻挡层13的制作成本。
另外,需要说明的是,以磁控溅射的方式,利用致密性的金属材料第一阻挡层12表面生成第二阻挡层13,由于该方式主要利用物理沉积,致密性的金属材料并没有与第一阻挡层12发生化学反应,因此在必要时,还可以用剐蹭、反向冲刷等物理方式将第二阻挡层13从第一阻挡层12外表面剥离,继而重新生成第二阻挡层13,达到循环使用目的,有利于环保和降低成本。
比如,当长时间使用之后,该第二阻挡层13出现了沟槽、裂缝等,可以将第二阻挡层13从第一阻挡层12外表面剥离,并重新生成新的第二阻挡层13,其他部分循环使用。
采用本申请实施例所提供的膜10,该膜10包括基底层11、设置于基底层11表面的第一阻挡层12以及设置于第一阻挡层表面的第二阻挡层13,其中:第二阻挡层13中包括二维纳米材料以及高分子材料。由于二维纳米材料的材料粒径属于纳米级,相较于第一阻挡层12,使得第二阻挡层13的致密性较高,孔径大小较小,在第一阻挡层12上增加该第二阻挡层13能够增加膜整体的密封性能,从而解决现有技术中的问题。
基于与本申请实施例所提供的膜10相同的构思,本申请实施例还提供了该膜10的制备方法,对于该制备方法,如有不清楚之处,可以参考膜10结构部分的实施例。如图3所示为该制备方法具体流程示意图,包括如下步骤:
步骤S31:提供一基底层,其中该基底层上包括第一阻挡层。
步骤S32:利用二维纳米材料与高分子材料的混合材料,在第一阻挡层表面生成第二阻挡层。
其中,该二维纳米材料可以是石墨烯、官能化石墨烯、氧化石墨烯、官能化氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、官能化的还原的氧化石墨烯等材料或这些材料的组合,由于其结构中包括单层石墨,通常比表面积极大,并且单层石墨之间通过互相叠加、交错,使得致密性较高,孔径大小较小,密封性能优良。这里所说的高分子材料可以是溶胀比低于预设阈值的高分子材料,或者是添加了抑制溶胀添加剂的高分子材料。
为了便于理解该制备方法,下面可以结合具体的示例对该制备方法进行说明。在该示例中,二维纳米材料具体为氧化石墨烯,高分子材料具体为溶胀比极低的(低于预设阈值)PEI。
因此,可以利用氧化石墨烯与PEI的混合材料,在第一阻挡层表面生成第二阻挡层。
此时,可以将聚醚酰亚胺溶于二甲基乙酰胺中(DMAC)制备出PEI溶液。比如可以将200g的PEI置入500ml的二甲基乙酰胺中,然后持续搅拌30-60分钟,在其充分溶解后,静置过夜24小时进行脱泡,从而制备出PEI溶液。
也可以将氧化石墨烯分散于二甲基乙酰胺中,制备出分散体。比如,将10g的一种或多种氧化石墨烯薄片,通过搅拌或者超声的方式,使其分散于500ml的二甲基乙酰胺中,从而形成分散体。
将所制备出的分散体与PEI溶液混合,并在混合后,利用混合液在第一阻挡层表面生成第二阻挡层。通常可以将混合液在第一阻挡层表面进行均匀涂布,然后将均匀涂布后的混合液,通过热引发相转化(TIPS)或非溶剂引发相转化(NIPS),在第一阻挡层表面形成氧化石墨烯与PEI的第二阻挡层。
需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种制备膜的方法,其特征在于,包括:
提供一基底层,其中所述基底层的两个表面分别设置有第一阻挡层;
利用二维纳米材料与聚醚酰亚胺的混合材料,在所述第一阻挡层表面生成第二阻挡层,包括:
将聚醚酰亚胺溶于二甲基乙酰胺中制备出聚醚酰亚胺溶液;
将二维纳米材料分散于二甲基乙酰胺中制备出分散体;
将所制备出的聚醚酰亚胺溶液与所述分散体混合;
将混合液在所述第一阻挡层表面均匀涂布;
将均匀涂布后的混合液通过热引发相转化或非溶剂引发相转化在所述第一阻挡层表面形成所述第二阻挡层。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述二维纳米材料选自由石墨烯、官能化石墨烯、氧化石墨烯、官能化氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、官能化的还原的氧化石墨烯组成的组。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二阻挡层的厚度大于或等于1纳米且小于或等于500纳米。
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