利用石墨烯增强从蓖麻油衍生的聚（脲脲）材料的气体和水分阻隔性能，以实现可持续包装

《Journal of the Indian Chemical Society》：Enhancing gas and moisture barrier properties in castor oil-derived poly (urethane urea) with graphene for sustainable packaging

该研究通过在蓖麻油基聚氨酯（PUU）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合薄膜中添加石墨烯片（GF），探索其提升气体阻隔和抗湿性能的潜力。实验表明，添加GF后薄膜的机械强度和气体渗透率（O?、CO?）显著提高，GF 0.5薄膜的O?和CO?渗透率分别降低两个数量级，水分蒸发率降至7.0×10?12 g·cm?2·s?1·Pa?1，胡萝卜储藏测试验证了其优异的包装性能，为环保包装材料开发提供新思路。

　　这项研究聚焦于通过引入石墨烯来提升聚（尿烷-尿素）（PUU）和聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）复合薄膜的气体阻隔性能和防潮能力，以满足可持续包装材料的需求。研究人员选择蓖麻油（CO）作为石油基聚合物的替代材料，因其具备成本效益和环保特性。然而，蓖麻油基PUU材料存在机械强度不足的问题。为解决这一问题，研究团队在不同浓度下添加石墨烯片（GF），以改善材料的机械性能和气体阻隔效果。

通过实验，研究人员发现，随着GF浓度的增加，CO-PUU-PDMS/GF复合薄膜的拉伸强度和刚度显著提高。特别是在GF浓度为0.5的情况下，氧气（O?）和二氧化碳（CO?）的渗透性分别降低了约两个数量级，从241.94降至1.71 Barrer，以及从1111.50降至15.25 Barrer，这表明GF在提升气体阻隔性能方面具有显著效果。此外，对于CO?/N?和O?/N?气体对的选择性也分别提高了约3.5倍和2倍，进一步说明了GF在改善气体阻隔性能上的潜力。

与此同时，水蒸气透过率（WVTR）的降低也验证了材料在防潮性能上的提升。GF的加入使得复合薄膜内部形成复杂的渗透路径，从而有效阻止水分的迁移。这一结构上的变化显著增强了材料的防潮能力。通过胡萝卜储存测试，研究人员进一步验证了这种新型复合薄膜在实际应用中的优越性能，表明其具备良好的包装效果。

在实际应用中，新鲜的水果和蔬菜在采摘后仍会进行呼吸作用，这会导致其品质逐渐下降。因此，为了延长产品的保质期，通常会采用低氧（O?）和高二氧化碳（CO?）的改良气氛。然而，实际环境中温度和湿度的波动要求新型包装材料具备更强的气体阻隔性能和防潮能力。目前，传统的石油基材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC），虽然在性能和使用便利性方面表现良好，但它们的不可持续性和塑料废弃物问题引发了人们对可回收、可堆肥和生物基材料的关注。

因此，研究团队开发了一种以蓖麻油为基础的聚氨酯（PU）材料，这种材料不仅具备良好的生物降解性，还能够通过选择合适的组分或添加功能性填料来增强其抗菌性能，从而拓宽其在生物医学和食品包装领域的应用范围。为了实现更可持续的PU使用，植物油基多元醇被广泛用于替代传统原料，如蓖麻油、大豆油（SBO）、木油（JO）和棕榈油（PO）等。其中，蓖麻油因其固有的羟基功能和可再生性，成为最常用的植物油基多元醇之一。

蓖麻油衍生的聚氨酯作为包装材料已被广泛研究，特别是在食品包装领域，因其生物降解性和功能增强潜力而受到越来越多的关注。作为一种非食品级的植物油，蓖麻油含有柔性的脂肪酸链，使其在经济性和可用性方面具有优势。此外，其较长的疏水性脂肪链为聚氨酯提供了柔韧性和防潮性。然而，蓖麻油基聚氨酯仍存在一些限制，包括机械强度低、延展性差以及由于不可逆交联导致的回收性问题。

另一方面，PDMS在膜和包装材料中也得到了广泛应用，例如容器、薄膜和包装材料，以帮助食品保存并延长其保质期。此外，PDMS的固有生物相容性、可加工性、柔韧性和化学稳定性也使其在医疗设备、涂层材料、电子制造和汽车零部件生产中具有广泛的用途。然而，PU-PDMS系统通常表现出相分离的形态，这是由于溶剂之间的不相容性所致。尽管如此，PDMS在聚氨酯网络中的整合却有助于提升其热稳定性和生物相容性。

PDMS含有的膜材料还表现出优越的气体阻隔性能、可控的水蒸气透过率（WVTR）以及改善的有机发光二极管（OLED）耐久性，相较于PET基的PDMS复合材料而言。为了进一步提升聚氨酯复合材料的热机械性能和气体阻隔能力，研究团队还探索了聚合物-石墨烯和聚合物-粘土的复合体系。石墨烯因其二维、蜂窝状的碳结构，表现出优异的机械强度、热稳定性和气体阻隔性能。例如，将几层石墨烯添加到热塑性聚氨酯（TPU）薄膜中，可使氧气渗透性降低81%，而将石墨烯氧化物（GO）添加到水性聚氨酯涂层中，则可使模量和屈服强度分别提高300%和200%。GO的层间距显著提升了氧气阻隔性能，证明了基于石墨烯的填料在聚氨酯复合材料中的巨大潜力。

在本研究中，研究人员开发了不同GF浓度的CO-PUU-PDMS/GF复合薄膜，以提升其气体阻隔性能，使其适用于包装材料。蓖麻油作为一种环保且经济的生物衍生材料被用于合成过程中。GF的加入有效提升了复合薄膜的机械性能和气体阻隔能力。通过实验，研究人员对GF浓度对CO-PUU-PDMS聚合物的化学和热性能进行了全面分析。同时，还对不同GF浓度和温度下的气体阻隔性能进行了研究，并测量了水蒸气透过率和水接触角，以评估其防潮性能。

研究结果表明，这些具有高气体阻隔性能的复合薄膜在可持续包装材料领域具有广阔的应用前景。通过引入GF，研究人员成功克服了传统材料在性能和可持续性方面的局限性，开发出一种兼具机械强度、气体阻隔能力和防潮性的新型包装材料。这种材料不仅有助于延长食品的保质期，还为减少塑料废弃物和实现可持续包装提供了可能。

从材料科学的角度来看，包装材料的性能不仅取决于其化学组成，还受到材料结构、加工条件以及使用环境的影响。因此，在开发新型包装材料时，需要综合考虑这些因素。在本研究中，研究人员通过系统的研究方法，探索了GF对CO-PUU-PDMS复合薄膜性能的影响，包括其机械强度、气体阻隔性能和防潮能力。实验结果显示，GF的加入不仅显著提升了复合薄膜的机械性能，还大幅改善了其气体阻隔性能，使其在实际应用中更具竞争力。

此外，研究团队还对材料的热稳定性进行了评估，以确保其在不同温度条件下的使用性能。通过热重分析（TGA）等手段，研究人员发现GF的加入对材料的热性能产生了积极影响，使其能够在高温环境下保持稳定的性能。这表明，GF不仅可以提升材料的机械和气体阻隔性能，还能够增强其热稳定性，使其在更广泛的环境条件下适用。

从环保角度来看，传统的石油基包装材料在使用后往往难以降解，导致严重的环境污染。而本研究中开发的CO-PUU-PDMS/GF复合薄膜则具备良好的生物降解性，这使其在环保性能方面具有明显优势。通过使用可再生资源如蓖麻油，研究人员实现了对传统石油基材料的替代，同时通过引入GF，进一步提升了材料的性能，使其能够满足现代包装材料对高性能和可持续性需求的双重目标。

在实际应用中，这种新型复合薄膜不仅可以用于食品包装，还可以拓展至其他领域，如医疗、电子和汽车制造等。例如，在医疗领域，具有高气体阻隔性能的包装材料可以有效防止医疗器械在运输和储存过程中受到污染，从而提高其安全性和可靠性。在电子制造领域，这种材料可以用于保护电子元件免受环境因素的影响，延长其使用寿命。而在汽车制造领域，这种材料可以用于制造更轻质、更耐用的汽车零部件，从而提高汽车的整体性能和环保水平。

综上所述，这项研究通过引入石墨烯，成功提升了蓖麻油基PUU和PDMS复合薄膜的性能，使其在气体阻隔、防潮和机械强度等方面表现出显著优势。这种新型材料不仅能够满足食品包装对高性能和可持续性的需求，还为其他领域的应用提供了可能。通过使用可再生资源和纳米材料，研究人员开发出了一种兼具环保性和高性能的新型包装材料，为减少塑料废弃物和实现可持续发展提供了新的思路。

在研究过程中，研究人员采用了多种分析方法，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和热重分析（TGA），以全面评估材料的性能。这些分析方法不仅帮助研究人员理解GF在材料中的分布和作用机制，还提供了关于材料结构和性能之间关系的重要信息。通过这些数据，研究人员能够优化GF的添加比例，使其在提升材料性能的同时，保持其环保特性。

此外，研究团队还对不同GF浓度下的材料性能进行了系统的研究，包括其在不同温度条件下的表现。通过实验，研究人员发现GF的加入不仅提升了材料的机械性能和气体阻隔能力，还增强了其热稳定性，使其能够在更广泛的环境条件下适用。这种性能的提升对于包装材料的实际应用具有重要意义，因为包装材料通常需要在不同的环境条件下保持稳定的性能。

从应用前景来看，这种新型复合薄膜在食品包装领域具有巨大的潜力。通过提升其气体阻隔性能和防潮能力，研究人员能够延长食品的保质期，减少食品浪费，从而提高食品供应链的效率。同时，这种材料的环保特性也使其在可持续包装材料领域具有竞争优势，为减少塑料污染和实现绿色包装提供了可能。通过使用可再生资源和纳米材料，研究人员开发出了一种兼具高性能和环保特性的新型包装材料，为未来的包装技术发展提供了新的方向。

研究团队的成果不仅在学术界引起了广泛关注，还为工业界提供了新的解决方案。通过将GF添加到CO-PUU-PDMS复合薄膜中，研究人员成功克服了传统材料在性能和可持续性方面的局限性，开发出了一种更加环保、更加高效的包装材料。这种材料的开发对于推动包装行业向绿色、可持续方向发展具有重要意义。同时，它也为其他领域的材料科学研究提供了新的思路和方法。

在未来的研究中，研究人员可以进一步探索不同种类的纳米填料对材料性能的影响，以寻找更优的解决方案。此外，还可以研究材料在不同环境条件下的长期稳定性，以确保其在实际应用中的可靠性。通过这些研究，研究人员能够不断优化材料的性能，使其更加符合实际应用的需求。

总之，这项研究通过引入石墨烯，成功提升了蓖麻油基PUU和PDMS复合薄膜的性能，使其在气体阻隔、防潮和机械强度等方面表现出显著优势。这种新型材料不仅能够满足食品包装对高性能和可持续性的需求，还为其他领域的应用提供了可能。通过使用可再生资源和纳米材料，研究人员开发出了一种兼具高性能和环保特性的新型包装材料，为未来的包装技术发展提供了新的方向。