關于瞬態電子改性PVA 基底薄膜的性能研究

樊苗苗 任向紅 宦 萌 李曉慧 魏 偉

(火箭軍工程大學，陜西 西安710025)

1 概述

通常用作瞬態基底的主要是合成高分子材料：聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）、聚乳酸羥基乙酸（PLGA）、聚碳酸脂（PC）、聚甲醛（POM）等。本文主要研究改性PVA基底薄膜的性能。

2 PVA基底薄膜的改性增塑

2.1 PVA薄膜的改性方法

PVA 根據其合成的聚合度和醇解度的不同進行分類命名，如PVA0588、PVA1788、PVA1799 等，其中編號的前兩位數表示聚合度，后兩位數表示醇解度，PVA1788 即聚合度為1700、醇解度為88%。一般來講，隨著聚合度和醇解度的增大，PVA水溶液的黏度增大，在水中的溶解性變小，成膜的抗拉強度增大但斷裂伸長率變小，醇解度為99%時在冷水中的溶解度較小[1,2]。PVA的改性方法主要有共聚和接枝等化學改性以及增塑和共混等物理改性[3,4]。PVA的共混改性，主要是使用與PVA 能夠混合相容的天然高分子和合成聚合物等共混制備薄膜，在性能方面相互補充，改善PVA 的親水性、熱熔性、拉伸性能以及成膜的表面粗糙度等。PVA通常與含有環氧基、氨基、醛基、羧基的物質發生反應，破壞PVA分子內的強氫鍵作用，改進復合材料的性能[5]。PVA 與淀粉、改性纖維素共混，能夠提高成膜的熱穩定性和拉伸性能[6]；PVA 與PEO 共混，PEO 的氧原子與PVA 的羥基發生反應，能降低其熔點，提高力學性能；PVA與明膠、殼聚糖等共混，能改善其成膜的表面粗糙度[7]。

2.2 PVA薄膜的改性設計

PVA/Gel 共混改性：使用去離子水分別配制5wt%的PVA 和6%的Gel 溶液，然后按Gel 與PVA的質量比1：9、2：8、3：7、4：6 分別進行共混，并分成相同的兩組；一組加入占溶劑20wt%的DMSO（DMSO 與溶液中去離子水比例為2：8）增塑，另一組在加入同樣DMSO的同時，再加入占PVA質量的對二甲氨基苯甲醛，與DMSO組成復合增塑劑進行改性；按照共混、攪拌、脫泡等步驟處理后，按順序編號備用。PVA/PVP 共混改性：使用去離子水分別配制5wt%的PVA和8wt%的PVP 溶液，然后按PVP 與PVA的質量比1：5、2：5、3：5、4：5、5：5 分別進行共混，并依次加入占溶劑20wt%的DMSO（DMSO 與溶液中去離子水比例為2：8）增塑，按照共混、攪拌、脫泡等步驟處理后，按順序編號備用。

3 共混改性PVA基底薄膜的性能研究

3.1 PVA/Gel 復合薄膜

圖1 所示為不同比例PVA/Gel 復合膜的激光共聚焦顯微鏡照片：在溶劑中DMSO 占比20%時，PVA 與Gel 部分相容；當Gel 與PVA 的共混比例大于2：8 時，復合膜中兩種組分相容性差，在蒸發溶劑成膜過程中有小顆粒結晶，薄膜的表面粗糙度明顯變大；當Gel 與PVA 的共混比例為2：8 時，薄膜表面粗糙度最小，僅為0.184μm。使用對二甲氨基苯甲醛與DMSO復配增塑時，能夠增加PVA 與Gel 的相容性，隨Gel 加入比例增大，復合膜的表面粗糙度先減小后增大，但沒有明顯的變化，均在納米級，當Gel 與PVA 的共混比例為3：7 時，薄膜的表面粗糙度最小僅為0.175μm。

圖1 PVA/Gel復合膜的激光共聚焦顯微鏡圖像

圖2 為不同比例PVA/Gel 復合薄膜的接觸角和表面能圖：復合薄膜的水接觸角比DMSO 增塑的PVA 薄膜大，說明共混Gel 使薄膜的水溶性變差，耐水性有一定提高；復合膜的水接觸角隨Gel 的加入比例增大逐漸變大，表面能則基本是變小趨勢，說明隨共混Gel 比例的增大，薄膜的耐水性提高；復合薄膜的水接觸角都是小于90°的，說明雖然復合膜與PVA 薄膜比較的水溶性變差。

圖2 PVA/Gel復合薄膜的接觸角和表面能圖

圖3 為PVA/Gel 復合薄膜的拉伸性能曲線圖，由圖中可以看出：當Gel 的加入比例小于2：8 時，復合薄膜的拉伸性能較DMSO增塑PVA薄膜在拉伸性能方面有一定提高；當Gel 與PVA共混比為1：9 時，復合薄膜的抗拉強度和斷裂伸長率分別為25.4MPa 和266%，比溶劑占比20%DMSO 增塑的PVA 薄膜提高了13%和25%；隨著Gel 的共混比例增大，薄膜的抗拉強度和斷裂伸長率變小，說明共混Gel 增加了PVA薄膜的硬度，隨著Gel 共混比例的增大，薄膜中可能形成連續相的明膠，整體的拉伸性能下降。復配增塑的PVA/Gel 復合膜抗拉強度與同共混比的DMSO 增塑的PVA/Gel 復合膜相當，但斷裂伸長率有較明顯的降低，其中PG6的斷裂伸長率僅為143%，比PG2減小了約38%，進一步驗證復配增塑劑增加了PVA和Gel 了相容性。

圖3 PVA/Gel復合薄膜的拉伸性能曲線圖

圖4 為PVA/Gel 復合膜的TGA 測試結果，復合膜的整體失重情況與占溶劑質量比20%DMSO增塑的PVA薄膜相當。但通過加熱試驗觀察，在200℃持續加熱，隨Gel 共混比例的增大，薄膜的失重越快。

圖4 PVA/Gel復合膜的TGA測試曲線

3.2 PVA/PVP 復合薄膜

圖5 所示為不同比例PVA/PVP 復合膜的激光共聚焦顯微鏡照片：PVP 與PVA具有良好相容性，隨PVP 共混比例的增大，薄膜表面的紋路逐漸變淺，表面粗糙度變小。當PVP 與PVA的共混比例為5：5 時，薄膜的表面粗糙度最小，僅為0.191μm。

圖5 PVA/PVP 復合膜的激光共聚焦顯微鏡照片

圖6 為不同比例PVA/PVP 復合薄膜的接觸角和表面能圖：隨PVP 的共混比例增大，復合膜的水接觸角明顯變小，表面能逐漸變大，說明通過加入PVP 共混制膜，薄膜的水溶性得到了明顯改善。

圖7 為PVA/PVP 復合薄膜的拉伸性能曲線圖：隨著PVP 共混比例的增大，復合膜的斷裂伸長率與溶劑占比20%DMSO 增塑的PVA 薄膜相當，但抗拉伸強度明顯變小；當PVP 與PVA 共混比例為4：6 時，薄膜的抗拉強度僅為4.26MPa，比質量占比20%DMSO增塑的PVA薄膜降低了81%。

圖6 PVA/PVP 復合薄膜的接觸角和表面能圖

圖7 PVA/PVP 復合薄膜的拉伸性能曲線圖

4 結論

本文主要研究了PVA薄膜的性能改進優化，采用溶液澆鑄法制備薄膜，分析了DMSO與明膠和聚乙烯吡咯烷酮共混，薄膜在表面粗糙度、親水性、拉伸和熱降解等方面的性能變化。明膠與PVA共混，為部分相容體系，增強了薄膜的拉伸、耐水和熱降解性能；使用DMSO和對二甲胺基苯甲醛對PVA/Gel 進行復配增塑，能夠增強明膠和PVA 的相容性，改善薄膜的表面粗糙度，提高抗拉伸強度；聚乙烯吡咯烷酮與PVA 共混，能夠改善薄膜的表面粗糙度、水溶和熱降解性能，隨共混比例的增大，薄膜的表面粗糙度和水接觸角明顯減小，抗拉強度有一定的降低；當共混比例為4：5 時，薄膜的熱降解性能最好，在200℃時，熱失重率約為70%。