多层共挤超疏水聚乙烯薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于超疏水薄膜领域，具体涉及一种多层共挤超疏水聚乙烯薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，受荷叶效应的启发，与水接触角大于150°的超疏水薄膜成为国内外研究热点。超疏水薄膜的典型特征是∶水滴或含水液体(飞沫、唾液、血液、污水等)在超疏水薄膜表面通常呈球形，液体在超疏水薄膜表面难以稳定停留，只要倾斜一个很小的角度或在微风或轻微外力的作用下，液体便会从超疏水薄膜表面快速滚落，滚落的同时带走薄膜表面的灰尘等污染物，从而起到自清洁的作用。将超疏水薄膜长期浸泡于水或含水液体中不会有任何液体渗透，且拿出来后其表面不会粘留液滴，因而具有极强的防水、阻水、抑菌、防霉以及抗液体粘附性能，这些独特的性质使得超疏水薄膜在工农业和日常生活中有着非常广阔的应用前景。

聚乙烯薄膜具有无毒、无味、价格低廉等优点，在包装和工农业中广泛应用，但市场上的普通聚乙烯薄膜与水的接触角通常小于110°，没有自清洁性，易被灰尘、浓稠液体等物质粘附。如果赋予聚乙烯薄膜表面超疏水性，将大幅度降低浓稠液体在薄膜表面的粘附，表面也将更加易于清洁，市场需求巨大。目前，用于制备超疏水聚乙烯薄膜的方法主要有∶模板法、刻蚀法、微相分离法等，然而，已经报道的用于制备超疏水聚乙烯薄膜的方法目前均局限在实验室，其主要原因是遇到了2个瓶颈∶①已报道的方法难以大面积制备超疏水聚乙烯薄膜，导致难以实际应用；②已报道方法制备出的超疏水聚乙烯薄膜表面耐磨性不佳、超疏水稳定性差。

因此，开发一种既可以大面积制备、又能使超疏水聚乙烯薄膜表面保持较高的耐磨性和超疏水稳定性的方法具有极其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可大面积制备、能够使超疏水聚乙烯薄膜表面保持较高的耐磨性和超疏水稳定性的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种多层共挤超疏水聚乙烯薄膜，由两个表层夹设中间层构成，所述表层为纳米多孔复合薄膜层，所述纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，所述中间层为高密度聚乙烯薄膜层；所述多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面与水的接触角在153°～158°之间，水滴在薄膜表面的滚动角小于9°，所述多层共挤超疏水聚乙烯薄膜与液体接触后的粘附率小于0.1％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦100～200次后，薄膜表面接触角仍然达到153°～156°。

上述的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜，优选的，所述纳米材料颗粒包括纳米二氧化硅颗粒、纳米碳酸钙颗粒和纳米氧化锌颗粒中的一种或多种。

上述的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜，优选的，所述纳米材料颗粒的平均粒径在1nm～100nm之间。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒混合均匀并造粒，得到低密度聚乙烯母粒；其中，低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒的质量比为5～10∶2～1；

(2)将低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒分别放入三个料斗中，进行三层共挤出，得到三层共挤厚膜；其中，低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒的质量比为1∶5～50∶1，三层共挤厚膜的厚度为0.2mm～1mm；

(3)将三层共挤厚膜拉伸至厚度为0.005mm～0.1mm的薄膜，得到多层共挤超疏水聚乙烯薄膜。

上述的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，优选的，步骤(3)中，所述三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上进行拉伸。

本发明中，低密度聚乙烯颗粒是指没有经过特殊处理的商业化低密度聚乙烯颗粒原料，密度为0.91-0.93g/cm

本发明中，高密度聚乙烯颗粒是指没有经过特殊处理的商业化高密度聚乙烯颗粒原料，密度为0.941-0.960g/cm

本发明中，低密度聚乙烯母粒是指将低密度聚乙烯与纳米颗粒混合造粒后形成的低密度聚乙烯颗粒。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、与现有超疏水薄膜相比，本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的抗液体粘附性更强，表面耐磨性更好，超疏水稳定性更好。多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面与水的接触角在153°～158°之间，水滴在薄膜表面的滚动角小于9°，多层共挤超疏水聚乙烯薄膜具有优异的抗液体粘附性能，牛奶、番茄酱等液体与其接触后的粘附率均小于0.1％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦100～200次后，薄膜表面接触角仍然超过153°。本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜可大幅度降低浓稠液体在薄膜表面的粘附，表面也更加易于清洁，还可使薄膜表面长期保持干燥，在浓稠产品(液体奶、番茄酱等)的包装、玻璃及贴膜、纸塑复合膜等领域有更加广阔的应用前景，市场需求巨大。

2、本发明的制备方法成本低廉，适合于大面积制备，具有极好的产业化前景。

附图说明

图1为本发明实施例1获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的表面扫描电镜图。

图2为本发明实施例1获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面的接触角测试图。

图3为本发明实施例2获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面的接触角测试图。

图4为本发明实施例3获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面的接触角测试图。

图5为本发明实施例4获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面的接触角测试图。

图6为本发明实施例5获得的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面的接触角测试图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1

一种本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与平均粒径为30nm的纳米二氧化硅颗粒按照5∶2的质量比混合均匀并造粒，形成低密度聚乙烯母粒；

(2)按照1∶5∶1的质量比分别称取低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒，并分别放入相应的料斗，通过三层共挤机挤出厚度为0.2mm的三层共挤厚膜；

(3)将三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上匀速拉伸至厚度为0.005mm的薄膜，便获得多层共挤超疏水聚乙烯薄膜，薄膜表面形貌的扫描电镜图如图1所示。

本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜由两个表层(外表层)夹设中间层构成，即表层-中间层-表层，两个表层为纳米多孔复合薄膜层，纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，中间层为高密度聚乙烯薄膜层。如图2所示，接触角测试结果表明，本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面水滴接触角为153°，水滴在薄膜表面的滚动角为8°。牛奶与该多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面接触后的粘附率小于0.1％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦100次后，薄膜表面接触角仍然保持在153°，体现了极好的抗液体粘附和耐磨性。

实施例2

一种本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与平均粒径为60nm的纳米碳酸钙颗粒按照10∶1的质量比混合均匀并造粒，形成低密度聚乙烯母粒；

(2)按照1∶50∶1的质量比分别称取低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒，并分别放入相应的料斗中，通过三层共挤机挤出厚度为1mm的三层共挤厚膜；

(3)将三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上匀速拉伸至厚度为0.1mm的薄膜，便获得多层共挤超疏水聚乙烯薄膜。

本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜由两个表层夹设中间层构成，两个表层为纳米多孔复合薄膜层，纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，中间层为高密度聚乙烯薄膜层。如图3所示，接触角测试结果表明，本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面水滴接触角为158°，水滴在薄膜表面的滚动角为2°，薄膜表面与番茄酱接触后的粘附率小于0.08％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦200次后，薄膜表面接触角仍然保持在155°，体现了极好的抗液体粘附和耐磨性。

实施例3

一种本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与平均粒径为80nm的纳米氧化锌颗粒按照8∶2的质量比混合均匀并造粒，形成低密度聚乙烯母粒；

(2)按照1∶10∶1的质量比分别称取低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒，并分别放入相应的料斗，通过三层共挤机挤出厚度为0.5mm的三层共挤厚膜；

(3)将三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上匀速拉伸至厚度为0.05mm的薄膜，便获得多层共挤超疏水聚乙烯薄膜。

本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜由两个表层夹设中间层构成，两个表层为纳米多孔复合薄膜层，纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，中间层为高密度聚乙烯薄膜层。如图4所示，接触角测试结果表明，该薄膜表面水滴接触角为157°，水滴在薄膜表面的滚动角为3°。牛奶与该多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面接触后的粘附率小于0.05％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦100次后，薄膜表面接触角仍然保持在156°，体现了极好的抗液体粘附和耐磨性。

实施例4

一种本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与平均粒径为50nm的纳米氧化锌颗粒按照9∶2的质量比混合均匀并造粒，形成低密度聚乙烯母粒；

(2)按照1∶20∶1的质量比分别称取低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒，并分别放入相应的料斗，通过三层共挤机挤出厚度为0.6mm的三层共挤厚膜；

(3)将三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上匀速拉伸至厚度为0.08mm的薄膜，便获得多层共挤超疏水聚乙烯薄膜。

本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜由两个表层夹设中间层构成，两个表层为纳米多孔复合薄膜层，纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，中间层为高密度聚乙烯薄膜层。如图5所示，接触角测试结果表明，本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面水滴接触角为155°，水滴在薄膜表面的滚动角为5°。牛奶与该多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面接触后的粘附率小于0.03％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦150次后，薄膜表面接触角仍然保持在153°，体现了极好的抗液体粘附和耐磨性。

实施例5

一种本发明的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低密度聚乙烯颗粒与平均粒径为50nm的纳米碳酸钙颗粒按照9∶1的质量比混合均匀并造粒，形成低密度聚乙烯母粒；

(2)按照1∶30∶1的质量比分别称取低密度聚乙烯母粒、高密度聚乙烯颗粒、低密度聚乙烯母粒，并分别放入相应的料斗，通过三层共挤机挤出厚度为0.8mm的三层共挤厚膜；

(3)将三层共挤厚膜放置于纵横向拉伸架上匀速拉伸至厚度为0.01mm的薄膜，便获得多层共挤超疏水聚乙烯薄膜。

本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜由两个表层夹设中间层构成，两个表层为纳米多孔复合薄膜层，纳米多孔复合薄膜层以低密度聚乙烯颗粒与纳米材料颗粒为原料制成，中间层为高密度聚乙烯薄膜层。如图6所示，接触角测试结果表明，本实施例的多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面水滴接触角为154°，水滴在薄膜表面的滚动角为7°。番茄酱与该多层共挤超疏水聚乙烯薄膜表面接触后的粘附率小于0.08％，用负载10N力的橡皮在薄膜表面摩擦160次后，薄膜表面接触角仍然保持在153°，体现了极好的抗液体粘附和耐磨性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。