Synergistic enhancement of gas barrier and aging resistance for biodegradable films with aligned graphene nanosheets

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作者
Jiaxu Li,Songlin Wang,Lei Lai,Pingwei Liu,Haiqiang Wu,Jinlong Xu,Steven J. Severtson,Wenjun Wang
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:172: 31-40 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2020.09.071
摘要

There is currently great interest in biodegradable alternatives for packaging and agricultural applications. The most viable biodegradable alternative, poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), has poor resistance to water vapor and oxygen permeation and tends to degrade rapidly under solar exposure. Herein, we report a preparation of PBAT nanocomposite films with aligned graphene nanosheets both in and on the films by combining two techniques, biaxial orientation and rod scarping. The composite films with a graphene content of 0.48 vol% exhibited 80% decrease of water vapor permeability and over 99% decrease of oxygen permeability, approaching values of 1.0 × 10 −11 g m m −2 ·Pa −1 s −1 and 6.2 × 10 −16 cm 3 cm cm −2 ·Pa −1 s −1 . These values are respectively comparable to and even lower than the reported 9.9 × 10 −12 g m m −2 ·Pa −1 s −1 and 8.0 × 10 −15 cm 3 cm cm −2 ·Pa −1 s −1 for polyethylene films. After a 200 h aging, the composite films still possessed a fracture strength of 47.3 MPa and an elongation at break of 167%, in contrast to a complete fragmentation of pure PBAT. We believe that the controlled incorporation of aligned graphene nanosheets to biodegradable polymers could become an important strategy to develop sustainable packaging and agricultural films. • Aligned graphene in biodegradable PBAT films enhances gas barrier properties. • 0.48 v% graphene in films decreases 80% water vapor and over 99% oxygen permeances. • Graphene is oriented in and on PBAT films by biaxial orientation and rod scarping. • Oxygen content at graphene surfaces governs its compatibility with PBAT. • UV-blocking and aging performance of PBAT are synergistically enhanced.
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