賈青青,田華峰,項愛民
(北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院,北京100048)
面對當(dāng)前白色污染的加劇及可持續(xù)發(fā)展的要求,聚乙烯醇(PVA)作為一種可生物降解型材料,由于其降解速度快且廉價易得成為研究熱點[1]。大量的氫鍵及高密度堆砌單斜晶體的存在使得PVA具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、生物適應(yīng)性、高阻透性、良好的光澤度和高的力學(xué)性能[2-4]。尤其是作為薄膜材料使用時,其氣體阻透性、力學(xué)強度及化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于其他材料,有望成為新一代環(huán)境友好型塑料包裝薄膜[5]。然而,PVA的水溶性不僅使得其薄膜材料耐水性差、水蒸氣透過率高,而且吸水后薄膜的力學(xué)性能及氣體阻透性能大幅下降[6-7],限制了其廣泛應(yīng)用。
近年來大量研究證明,制備納米復(fù)合材料是改善聚合物使用性能的有效手段。已有學(xué)者研究了納米二氧化硅、碳納米管等對PVA性能的影響[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)上述納米材料主要影響PVA薄膜的結(jié)晶性能及熱穩(wěn)定性,而對PVA的耐水性影響甚微。因此,眾多學(xué)者對具有獨特納米片層結(jié)構(gòu)的蒙脫土(MMT)與PVA制得的復(fù)合材料進(jìn)行了研究。MMT作為天然層狀硅酸鹽礦物的一種,具有2:1型的片層狀結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。片層之間的水合陽離子很容易與有機或無機陽離子進(jìn)行交換,使得聚合物分子可插入片層之間,并將層間距撐大,甚至使其以納米尺度的單層或數(shù)層分散于聚合物基體之中。
圖1 蒙脫土的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of montmorillonite
研究發(fā)現(xiàn),層狀分散的MMT可以改善PVA薄膜耐水性差等缺點,這主要與層狀分布的MMT延長了分子擴(kuò)散距離并限制了PVA分子活動空間有關(guān),其作用機理如圖2所示[12]。MMT分布在PVA基體中通常有3種形態(tài):常規(guī)、插層及剝離,后兩種為納米尺度的復(fù)合,如圖3所示[13]。根據(jù)分散狀態(tài)所占比例的不同,復(fù)合材料可分為插層及剝離型兩種。
圖2 氣體透過薄膜的路徑Fig.2 The path for gas through PVA film
圖3 PVA/MMT復(fù)合材料的形態(tài)Fig.3 Morphology for PVA/MMT composites
插層聚合法即先將層狀填料分散于聚合物單體中,使單體插層進(jìn)入層狀硅酸鹽片層中,利用聚合時放出的大量熱量,克服硅酸鹽片層間的庫侖力,使其片層間距增大或剝離,從而使硅酸鹽片層與聚合物基體以納米尺度相復(fù)合[14]。
由于乙烯醇單體不能穩(wěn)定存在,PVA不能使用乙烯醇單體直接均聚獲得,而需使用醋酸乙烯酯(VAc)單體聚合后通過水解得到。為了使醋酸乙烯酯單體更好地插入片層中,通常要先對MMT進(jìn)行有機化處理,即通過其片層間的陽離子交換作用將有機長碳鏈離子引入其中,擴(kuò)張片層間間距,同時使MMT片層表面由親水變成疏水性,以利于醋酸乙烯單體插入其中[15-16]。
Yu等[15]采用原位自由基聚合法制備了PVA/MMT復(fù)合材料,先將0.015~0.5g的有機改性MMT分散于100mL甲醇溶液中,常溫下磁力攪拌24h;再將9.5~10g醋酸乙烯酯單體溶于8mL甲醇溶液中,并與之前分散體系混合,攪拌加熱至60~65℃,加入適量引發(fā)劑再加熱攪拌4h;隨后冷卻至40℃,加入含有0.2g NaOH的甲醇溶液20mL,水解10min,過濾后使用甲醇洗滌,在40℃下真空干燥48h,即可制得納米復(fù)合材料,如圖4所示。
圖4 原位插層聚合法制備PVA/MMT復(fù)合材料Fig.4 PVA/MMT composites prepared by in situ polymerization
Yu等[15]使用原位聚合法制備 MMT含量為0.15%~5%的PVA/MMT復(fù)合材料。隨 MMT含量的增加,復(fù)合材料的分解溫度由229.51℃增加至270.13℃,并隨MMT含量的增加而升高。殘?zhí)苛恳渤尸F(xiàn)同一趨勢,由5.36%增加至15.02%。其原因為:首先,MMT具有極好的隔熱性,可以限制熱量的傳遞,而且對降解過程中物質(zhì)的揮發(fā)起到阻透作用;其次,呈納米級分散的MMT片層阻礙了聚合物分子的熱運動;最后,PVA分子進(jìn)入到 MMT片層中,被片層保護(hù),增加了體系的熱穩(wěn)定性。隨著MMT含量的增加,以上作用愈加明顯,因此熱穩(wěn)定性逐漸增加。與MMT復(fù)合后,PVA的相對分子質(zhì)量隨MMT含量的增加呈下降趨勢,重均相對分子質(zhì)量由60731降至10944,數(shù)均相對分子質(zhì)量由7101降至4309。而相對分子質(zhì)量分布卻相對集中,隨 MMT含量的增加,由8.55降至2.65。這是由于隨 MMT的添加,越來越多的醋酸乙烯酯單體分散進(jìn)入MMT片層間進(jìn)行聚合,分子鏈增長受到一定限制,從而使得相對分子質(zhì)量隨MMT含量的增加而減小,相對分子質(zhì)量分布也隨之變窄。將制得的復(fù)合材料制成濃度為1%的水溶液,倒入模具中可流延成薄膜,與PVA薄膜相比,PVA/MMT復(fù)合薄膜的儲能模量升高,并隨MMT含量的增加呈上升趨勢。薄膜的透光率隨MMT含量的增加而降低,由70%逐漸降至23%。
Yeum等[16]采用懸浮聚合法制備 MMT含量為1%~5%的PVA/MMT納米復(fù)合材料,研究發(fā)現(xiàn)聚合的PVA分子已成功插層進(jìn)入MMT片層中,插層后,由于片層間距離增大,使得衍射角度有所偏移(圖5)。隨著MMT含量的增加,PVA重均相對分子質(zhì)量由83504降至16174,數(shù)均相對分子質(zhì)量由10654降至4980,相對分子質(zhì)量分布由7.84降至3.25。添加MMT后,復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性明顯提升,添加1%MMT的復(fù)合材料,其殘?zhí)苛勘燃働VA提高了5%。
圖5 MMT及PVA/MMT復(fù)合材料的XRD曲線Fig.5 XRD curves for MMT and PVA/MMT composite
使用原位聚合法可制得納米級的PVA/MMT復(fù)合材料,合成的PVA相對分子質(zhì)量隨MMT含量的增加而減小,而相對分子質(zhì)量分布卻隨MMT含量的增加而集中;復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性隨MMT含量的增加而上升;使用流延法可制得薄膜,其儲能模量隨MMT含量的增加呈上升趨勢;透光率隨MMT含量的增加逐漸下降。使用原位插層聚合法可制得分散形態(tài)最好的PVA/MMT復(fù)合材料,但PVA相對分子質(zhì)量較低,而且制備過程繁瑣,目前最廣泛應(yīng)用的復(fù)合插層法為工藝較為簡潔的溶液插層法。
聚合物大分子鏈在溶液中借助于溶劑插層進(jìn)入MMT的硅酸鹽片層之間,之后再揮發(fā)去溶劑制得復(fù)合材料的方法即為溶液插層法[17]。這種方式需要合適的溶劑來同時溶解聚合物和分散MMT。MMT片層間通常吸附有Na+、K+、Ca2+等陽離子,這些陽離子常處于水化狀態(tài),片層之間作用力較弱,在水中易吸水膨脹,在水溶液中即可完成對其的分散[11]。而PVA是水溶性聚合物[2],因此在水溶液中即可完成 MMT的分散與PVA的溶解。
彭人勇等[18-19]使用溶液插層法制備 PVA/MMT薄膜,即取一定量精制的鈉基MMT,分散于去離子水中,形成濃度為1%的懸浮液,攪拌均勻并超聲分散約30min后向上述懸浮液中加入一定量PVA,控制總的固含量(MMT和PVA)不超過5%。隨后置于水浴中,邊攪拌邊升溫至90℃,恒溫并強力攪拌2h,形成均一透明液體。該液體在90℃下超聲振蕩30min后重新置于90℃水浴中,攪拌濃縮至一定濃度即制得PVA/MMT插層復(fù)合材料。制備流程如圖6所示。
圖6 溶液插層法制備PVA/MMT復(fù)合材料Fig.6 PVA/MMT composites prepared by solution-intercalation
張英杰等[20]研究了使用溶液插層法制得薄膜的耐水性能。由表1可以看出,隨MMT含量的增加,薄膜的耐水性先上升后下降。首先,MMT片層的存在限制了PVA分子的振動空間,使之不容易發(fā)生吸水溶脹;其次,大面積的片層阻止水分子由表面向內(nèi)部的擴(kuò)散,造成吸水速度降低。但由于MMT親水,因此含量過高,耐水性也會隨之下降。
Susheelkumar等[17]在插層溶液中分別加入異丙醇及1,4-二氧己環(huán),研究了MMT含量為5%及10%時薄膜的耐水性能。隨著MMT含量的增加,薄膜的吸水率先降低后增加。水蒸氣透過率也呈現(xiàn)相同趨勢,薄膜的水蒸氣透過值為0.155kg/(m2·h),添加異丙醇的薄膜,水蒸氣透過值降至0.065kg/(m2·h)(5%含量)及0.151kg/(m2·h)(10%含量)。
表1 PVA/MMT納米復(fù)合材料的耐水性Tab.1 Water resistance of PVA/MMT composites
彭人勇等[18]在插層溶液中加入四硼酸鈉,隨含量的增加,飽和吸水率由95%降至50%。張英杰[20]在溶液中加入戊二醛后,薄膜的飽和吸水率又由95%下降到40%;加入硼酸后,飽和吸水率可下降至52.2%。戊二醇及硼酸作為交聯(lián)劑減少了PVA分子鏈上的氫鍵作用,降低其親水性,同時交聯(lián)作用進(jìn)一步限制了PVA分子鏈的運動,減少了吸水溶脹。
Yang等[21-22]研究了2%~20%的 MMT 對復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的影響,如圖7所示。與原位聚合插層法一致,隨MMT含量的增加,熱穩(wěn)定性逐漸增強。
圖7 PVA/MMT復(fù)合材料的TG曲線Fig.7 TG curves for PVA/MMT composites
研究發(fā)現(xiàn),加入MMT后,復(fù)合材料的結(jié)晶溫度及結(jié)晶度隨MMT含量的增加而降低,由38.85%降至9.71%。原因是由于 MMT片層分散于PVA基體中,限制了PVA分子的自由體積,阻礙了PVA分子的重排結(jié)晶,隨MMT含量的增加,這種影響愈加明顯,從而使得結(jié)晶度不斷下降。同時,MMT又起到異相成核劑的作用,加速了復(fù)合材料的結(jié)晶。
柳翱等[23]對PVA/MMT薄膜的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著MMT含量的增加,拉伸強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當(dāng)MMT含量為7.5%時,薄膜的拉伸強度最佳,由52.5MPa提升至65MPa。彭人勇[18]在進(jìn)行溶液插層時加入了交聯(lián)劑四硼酸鈉,薄膜的拉伸強度又提升至70.5MPa;張英杰[20]加入戊二醛作為交聯(lián)劑,拉伸強度提升至74.18MPa,加入硼酸作為交聯(lián)劑后,拉伸強度可提升至70.31MPa。Yang等[21]用儲能模量表征復(fù)合薄膜的力學(xué)性能。隨著MMT含量的增加,各溫度下復(fù)合薄膜的儲能模量均隨MMT含量的增加呈上升趨勢。
吳選軍等[24]研究了蒙脫土含量為3%~10%的復(fù)合薄膜的透光性,如圖8所示。與原位聚合插層法制得的薄膜一致,透光率隨MMT含量的增加而下降。
圖8 PVA/MMT薄膜的透光率Fig.8 Transmittance for PVA/MMT composite films
由于MMT納米片層的長度與寬度方向尺寸同可見光的波長相近,而厚度方向則大大小于可見光的波長,因此可見光在復(fù)合材料中傳輸時很容易繞過這些納米分散相,所以片層對PVA基體的透光性能影響較小。但當(dāng)MMT含量達(dá)到10%時,片層產(chǎn)生較嚴(yán)重的堆疊,當(dāng)堆疊厚度接近或超過可見光的波長時會引起較強的光散射,導(dǎo)致透光性能出現(xiàn)明顯下降。
彭人勇等[18-19]研究發(fā)現(xiàn) 當(dāng) MMT 含 量 小 于5%時,復(fù)合材料為剝離型;大于7.5%時為插層型材料,如圖9所示。當(dāng)MMT含量小于7.5%時,已沒有明顯的衍射峰,表明片層狀結(jié)構(gòu)已完全剝離開,而當(dāng)含量大于7.5%時,出現(xiàn)衍射峰,此時片層狀的MMT雖然被PVA分子撐大片層間距,但仍保持一定的有序性。插層后衍射角度及片層間距如表2所示。插層型和剝離型材料的性能差別如表3所示。
表2 MMT含量對插層效率的影響Tab.2 Effect of different MMT content on intercalated efficiency
圖9 PVA/MMT復(fù)合材料XRD曲線Fig.9 XRD curves for PVA/MMT composites
表3 MMT分散狀態(tài)對PVA性能的影響Tab.3 Influence of dispersion of MMT on the properties of PVA
插層型復(fù)合材料可以將更多的PVA分子鏈?zhǔn)`在層板之間,因此可以更多地限制分子鏈的熱運動,并且可以保護(hù)插入層中的PVA分子,因此熱穩(wěn)定性明顯好于剝離型材料。插層型復(fù)合材料的MMT片層可更多地限制PVA分子的吸水溶脹且延長水分子的滲透路徑,但由于插層型材料的MMT含量高,MMT具有較高的親水性,因此兩種類型復(fù)合材料的耐水性能相差不大,當(dāng)MMT含量為7.5%時性能最佳。插層型材料由于MMT片層易產(chǎn)生堆疊,復(fù)合材料的透光性能出現(xiàn)明顯下降。由于MMT含量較高時,片層間間距小,因此材料拉伸產(chǎn)生銀紋時,基體無法像剝離型復(fù)合材料迅速產(chǎn)生塑性變形來吸收沖擊能,銀紋得以快速擴(kuò)大,因此剝離型材料的拉伸強度更好。
Chang等[25]采用不同種類的 MMT制備了PVA/MMT納米復(fù)合材料,包括鈉基MMT及有機改性MMT。有機改性MMT片層間距較大(圖10),且其片層表面由于長碳鏈離子的引入,也由親水性變?yōu)槭杷裕瑢娱g距大利于聚合物分子的插入,但對于親水性的PVA來說,MMT有機化后反而限制了其插層效率(圖11),插層后,鈉基MMT的XRD曲線上已沒有了衍射峰,表明鈉基MMT已經(jīng)大部分剝離,而有機改性MMT仍能觀察到衍射峰,仍呈現(xiàn)片層有序狀結(jié)構(gòu)。孫萌萌等[26]通過研究插層效率表征了兩種 MMT在PVA基體中的插層情況(表4)??梢钥闯觯?jīng)過有機化處理后,MMT片層間距有所增大,而采用溶液插層法,鈉基MMT片層擴(kuò)張率要高于有機MMT,這表明鈉基MMT層間插入了更多的PVA分子。
圖10 MMT的分散狀態(tài)Fig.10 Dispersion of montmorillonite
表4 MMT的插層效率Tab.4 Efficiency of inserted MMT
Chang等[25]研究了鈉基及有機化MMT對復(fù)合材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),添加量同為4%時,鈉基MMT的殘?zhí)苛扛哂谟袡C改性MMT約5%;在MMT含量為2%~8%時,使用有機改性MMT制得的復(fù)合薄膜,其拉伸強度隨著MMT含量的增加由105MPa逐漸增加至130MPa;而鈉基MMT的拉伸強度則由105MPa逐漸增加到160MPa。
使用溶液插層法制得的納米復(fù)合材料,熱穩(wěn)定性隨MMT含量的增加而提高;力學(xué)性能及耐水性隨MMT含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;當(dāng)MMT含量少于7.5%時,復(fù)合材料中剝離形態(tài)占主體,而高于7.5%時,插層形態(tài)占主體,剝離型材料力學(xué)性能較好,而插層型材料的熱穩(wěn)定性、氣體阻透性較好;在PVA基體中,鈉基MMT的插層效率好于有機改性MMT,使用鈉基MMT插層的復(fù)合薄膜,其熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能均優(yōu)于有機改性MMT。溶液插層法作為目前使用最多且最廣泛的制備PVA/MMT復(fù)合材料的方法,技術(shù)成熟且相對簡便。然而制備聚合物插層復(fù)合材料還有更為簡便且高效的方法——熔融插層法。
將聚合物與MMT在高于聚合物熔融溫度下加熱,在熱力及剪切力作用下,聚合物分子鏈直接插層進(jìn)入MMT的硅酸鹽片層間制得復(fù)合材料的方法即為熔融插層法[27]。
圖11 MMT的XRD曲線Fig.11 XRD curves for MMT
熔融插層法目前并未能在PVA基體中廣泛應(yīng)用,主要是由于PVA分子極性大,熔融溫度與分解溫度接近,難以熱塑加工。因此目前大都采用溶液濕法進(jìn)行加工,其效率較低且成本高,阻礙了PVA的廣泛應(yīng)用。如能實現(xiàn)PVA的熔融加工,將提供一種高性能、低成本的PVA制備技術(shù),拓寬PVA應(yīng)用領(lǐng)域[28-32]。因此,PVA干法熔融加工已成為國內(nèi)外的前沿研究課題。近年來,已有眾多學(xué)者對于熔融加工PVA進(jìn)行了研究,通過添加甘油等助劑,減小分子間作用力,克服了PVA難以熱塑成型的難題,開發(fā)了干法擠出吹塑[33],為PVA/MMT的熔融插層提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
王婧等[34]采用熔融插層法制備復(fù)合材料的方法為:將增塑過的PVA與MMT按照不同的比例加入溫控高速混合機中,于常溫下攪拌20min混合均勻,然后用單螺桿擠出機于190℃下擠出造粒,制得PVA/MMT納米復(fù)合材料,如圖12所示。
圖12 熔融插層法制備PVA/MMT薄膜Fig.12 PVA/MMT composite filmprepared by melt-intercalation
王婧等[34]將制得的粒料于210℃下進(jìn)行吹塑成膜,制得膜材料,研究了MMT土含量為0~3%時薄膜的力學(xué)性能。在測試范圍內(nèi),拉伸強度隨MMT含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢,由最初的60.7MPa提升至86.7MPa,斷裂伸長率由163%降至71.2%。添加MMT后復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性如圖13所示。復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性隨MMT含量的增加而提升。
圖13 PVA/MMT薄膜的熱穩(wěn)定性Fig.13 The rmal stability of PVA/MMT composite films
王麗麗等[35]用有機化MMT采用干法擠出吹塑制得MMT含量0~7%的復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn),拉伸強度隨MMT含量的增加呈現(xiàn)先升后降趨勢。最大拉伸強度為MMT含量3%時,由26MPa提升至33MPa。斷裂伸長率隨MMT含量的增加由350%降至140%。如表5所示,與上述插層方法結(jié)果一致,隨MMT含量的增加,耐水性先升高后下降。
表5 PVA/MMT薄膜的耐水性能Tab.5 Water resistance of PVA/MMT composite films
王濱等[36]研究了MMT對復(fù)合材料結(jié)晶性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),MMT的加入加快了PVA的結(jié)晶,使其結(jié)晶溫度向高溫偏移。但MMT的加入也限制了PVA分子鏈的活動,使其難以形成大尺寸結(jié)晶,晶粒尺寸下降明顯,如圖14所示。
圖14 PVA及PVA/MMT復(fù)合材料結(jié)晶形態(tài)Fig.14 Crystallization morphology of PVA and PVA/MMT composites
使用熔融插層法制得的納米復(fù)合材料,其熱穩(wěn)定性隨MMT含量的增加而得以提升;薄膜拉伸強度隨MMT含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;薄膜的耐水性隨MMT含量的增加呈上升趨勢;加入MMT后,PVA的結(jié)晶溫度提高,晶粒尺寸下降。雖然當(dāng)前熔融插層法并沒有得到廣泛應(yīng)用,但其操作簡便且制備工藝簡單,應(yīng)具有更大的應(yīng)用前景。
PVA/MMT納米復(fù)合材料可通過原位聚合、溶液插層及熔融插層法來制備。以上3種制備方法各有優(yōu)勢:原位聚合法可制得MMT分散狀態(tài)最好的復(fù)合材料,溶液插層法技術(shù)成熟是目前最常用的插層方法,熔融插層法操作簡便、過程短、節(jié)省能源。3種方法制得的復(fù)合材料具有相同或相似的結(jié)構(gòu),在性能上也基本相近。另2種插層方法相比,熔融插層法生產(chǎn)周期短,操作簡便,不需有機溶劑,工藝簡單,對環(huán)境友好,具有更大的應(yīng)用前景。隨著研究的深入,PVA/MMT納米復(fù)合材料定會有更好的發(fā)展及應(yīng)用前景。
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