GTR-11气体透过率测试仪助力可调控光气透过性能研究

 摘要 

低碳社会需要摆脱依赖石油炼制的产业模式，实现可持续发展。作为石油资源的替代品，矿物和植物在生物质炼制产业中展现出较大潜力。

国立工业科学技术研究所的Kazuhiro Shikinaka和森林综合研究所的Yuichiro Otsuka等多团队合作，在《RSC Advances》期刊上发表了一项题为“Noniammable UV protective films consisting of clay and lignin with tunable light/gas transparency"的研究。

该研究报道了一种以粘土矿物和木质素衍生物为原料的环保型阻燃紫外线防护膜。该膜通过酶法提取的木质素与粘土复合制备，全程无需危险化学品。通过调控两者比例及相分离结构，可实现光学性能与气体渗透率的精确调控，其中气体透过率可在数 mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹ 范围内调节。该研究将天然矿物与植物成分转化为高附加值工业材料，有助于降低对石油资源的依赖，减轻环境负担。

 研究材料/仪器/方法 

材料

超纯水、蒙脱土、斯蒂文石、聚乙烯醇、SESC木质素、含纤维素酶和木聚糖酶、磷酸盐缓冲液、氧化锆珠、聚乙烯。

仪器

珠磨机、离心机、均质机、行星离心混合机、53 mm筛网、制膜刀、高分辨率场发射透射电子显微镜、GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪、雾度计、紫外-可见分光光度计。

GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪

方法

SESC木质素的制备

将雪松粉末（10 w/w%，粒径0.01-2 mm）、酶混合物（OPTIMASH XL与OPTIMASH BG等体积混合）和100 mM磷酸盐缓冲液（pH 6.0）混合，在50℃、圆周速度14.0 m·s⁻¹条件下，使用0.5 mm氧化锆珠通过珠磨机研磨2 h。随后将混合物在10000×g下离心30 min，收集含糖类的上清液，沉淀在相同酶和缓冲液条件下用0.1 mm氧化锆珠再次研磨，研磨后离心收集上清液，富含木质素的沉淀用等体积超纯水洗涤两次，离心后得到SESC木质素。

粘土-SESC木质素薄膜的制备

将一定量的粘土水凝胶加入超纯水，用均质机在6000 rpm下分散15 min；搅拌状态下向粘土分散液中滴加一定浓度的SESC木质素水分散体，按需加入Epocros®（调控薄膜结构）或PVA（增强薄膜性能），继续搅拌25 min；混合物在室温下冷却30 min后，用行星离心混合机在2000 rpm下混合5 min；随后通过53 mm筛网，并用行星离心混合机在2200 rpm下脱气10 min；将所得凝胶状混合物用制膜刀（间隙0.6 mm）流延到PET片材上，在环境条件下干燥约1天，得到厚度约0.02 mm的自支撑薄膜，MMT基薄膜经退火处理以获得防水性能。

性能与结构表征

• 结构表征：采用200 kV的高分辨率场发射透射电子显微镜（FE-TEM）对薄膜横截面进行结构观察和元素mapping分析。

• 气体透过率测试：使用GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪，在温度311.7 K、压差241.3 kPa条件下，测试72 h内的氦气透过率（HTR）和氧气透过率（OTR）。

• 光学性能测试：用雾度计测定总透光率（TLT）和雾度值，用紫外-可见分光光度计测定200-800 nm波长范围内的透过率，依据AS/NZS4399标准计算315-400 nm（UVA）和290-315 nm（UVB）范围内的平均透过率。

• 热性能测试：按照ISO 1210协议，采用UL-94垂直燃烧法评估薄膜的阻燃性能。

 结论 

该研究成功开发出一种由粘土与木质素复合制备的新型多功能薄膜材料。该薄膜在实现紫外线防护和阻燃性能的同时，具备可调控的气体透过能力，并可通过环保的水基工艺制备，过程无需使用有害化学品。通过调整粘土与木质素的比例，可有效控制薄膜的结构与性能。例如，其气体透过率可在较宽范围内调节，阻氧性能显著优于传统聚合物材料，展现出在包装或防护领域的应用潜力。这一工作将天然矿物与植物成分转化为具有高附加值的工业材料，不仅实现了材料多功能化，也降低了对石油基资源的依赖，为推动绿色可持续材料的发展提供了可行路径。