论文部分内容阅读
聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)凭借较好的水溶性、气体阻隔性、成膜性、抗菌性等,以胶水、纤维和复合材料等形式广泛应用于日用品、印刷业、农业等各个领域。然而,聚乙烯醇作为包装材料使用时,其气体阻隔性能并不能达到要求,这也使得聚乙烯醇膜更不能满足对气体阻隔特别是氧气阻隔效果要求极高的包装材料的使用要求,极大限制了聚乙烯醇在包装材料中的应用。因此,提高聚乙烯醇的气体阻隔性能并带来综合性能的提高已成为重要的研究课题。本课题以聚乙烯醇阻隔改性为重点,通过添加无机粒子到聚乙烯醇基体中改善其气体阻隔性能。与以往方法不同的是,本课题拟添加多种不同尺度和不同结构的纳米粒子即 α-磷酸锆(α-Zirconium Phosphate,a-ZrP)、氧化石墨烯(Graphite Oxide,GO)、磺化聚磷腈微球(Sulfonated Polyphosphazene,sPPSZ)到聚乙烯醇基体中。通过调控不同尺度纳米粒子的总添加量以及比例,制备了具有优良气体阻隔性能的PVA/α-ZrP/GO复合膜,并对其氧气阻隔性能、力学性能等进行了分析;在此基础上,制备了PVA/sPPSZ/α-ZrP/GO复合膜,构建出一种多维的、更为复杂的气体阻隔结构,使氧气分子通过以聚乙烯醇为基体的复合膜的渗透路径大大增加,提高聚乙烯醇复合膜的气体阻隔性能。此外,由于sPPSZ微球的加入,使得复合膜具有一定的阻燃效果。主要研究工作和结果如下:(1)分别通过回流法、Hummers法和一步沉淀法,制备了 α-ZrP、GO和PPSZ微球三种纳米粒子,并通过插层剂M1000剥离、超声剥离和磺化法,制得了剥离态的α-ZrP水分散液、GO水分散液和sPPSZ水分散液。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红转变红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)和X-射线光电子能谱(XPS)等方法对制备的α-ZrP、GO和sPPSZ的结构及表面形貌进行了表征。结果表明,经插层剂聚醚胺M1000剥离的α-ZrP的粒径由7.676μm变成1OOnm,其结果与SEM、TEM观察到的结果一致;FTIR显示,石墨粉在经过氧化过后,其表面接上了大量的含氧基团,并且超声剥离后的厚度为1.2nm;经过磺化反应前后,PPSZ和sPPSZ微球结构并未受到破坏,并通过XPS分析证实PPSZ成功磺化。(2)将α-ZrP和GO添加到PVA中,制备PVA/α-ZrP/GO复合膜。通过X-射线衍射(XRD)、差式量热扫描(DSC)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、力学性能测试以及氧气渗透测试(OTR)进行对比分析。结果显示,α-ZrP和GO在PVA基体中有较好的分散状态,并且分别与PVA基体以氢键作用力结合。当α-ZrP和GO的总添加量为 1wt%且 α-ZrP:GO=5:1(Z:G-5:1)时,氧气渗透系数(O2 Permeability Coefficient,Po2)较纯 PVA 膜从 1.835×10-16 cm3 cm cm-2 s-1 Pa-1 降低到了 0.587×10-16 cm3 cm cm-2 s-1Pa-1,降低了 68%。α-ZrP 和 GO 不同复配比例体系(Z:G=5:1;2:1;1:1;1:2;1:5)加入到PVA中后,力学性能和结晶度较纯PVA膜和单组份的PVA/α-ZrP和PVA/GO复合膜有一定的提高。(3)将 sPPSZ 微球、α-ZrP 和 GO 添加到 PVA 中,制备 PVA/sPPSZ/α-ZrP/GO 复合膜。通过SEM、TGA、OTR和锥形量热(CONE)对三种填料在基体中分散状态及其与基体的相互作用分析,以及对复合膜的热稳定性、氧气阻隔性、阻燃性能进行分析。结果显示,在保持α-ZrP和GO的含量与比例同(2)中不变的情况下,sPPSZ含量分别为5wt%、10wt%、15wt%和20wt%时,复合膜的氧气渗透系数呈现先降低后增加的趋势。当sPPSZ含量为5wt%时,pVA/sPPSZ/α-ZrP/GO复合膜的Po2最低,并且力学性能保持较优。通过PVA膜和PVA/sPPSZ/α-ZrP/GO复合膜的锥形量热分析得到,5wt%含量的sPPSZ加入,PVA/5%-sPPSZ/Z:G-5:1复合膜的热释放速率较纯PVA相比有所降低,PkHRR从442降低到了 334 kWm-2,具有一定的阻燃效果和抑烟作用。