关于瞬态电子改性PVA 基底薄膜的性能研究

樊苗苗 任向红 宦 萌 李晓慧 魏 伟

(火箭军工程大学，陕西 西安710025)

1 概述

通常用作瞬态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）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸羟基乙酸（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 根据其合成的聚合度和醇解度的不同进行分类命名，如PVA0588、PVA1788、PVA1799 等，其中编号的前两位数表示聚合度，后两位数表示醇解度，PVA1788 即聚合度为1700、醇解度为88%。一般来讲，随着聚合度和醇解度的增大，PVA水溶液的黏度增大，在水中的溶解性变小，成膜的抗拉强度增大但断裂伸长率变小，醇解度为99%时在冷水中的溶解度较小[1,2]。PVA的改性方法主要有共聚和接枝等化学改性以及增塑和共混等物理改性[3,4]。PVA的共混改性，主要是使用与PVA 能够混合相容的天然高分子和合成聚合物等共混制备薄膜，在性能方面相互补充，改善PVA 的亲水性、热熔性、拉伸性能以及成膜的表面粗糙度等。PVA通常与含有环氧基、氨基、醛基、羧基的物质发生反应，破坏PVA分子内的强氢键作用，改进复合材料的性能[5]。PVA 与淀粉、改性纤维素共混，能够提高成膜的热稳定性和拉伸性能[6]；PVA 与PEO 共混，PEO 的氧原子与PVA 的羟基发生反应，能降低其熔点，提高力学性能；PVA与明胶、壳聚糖等共混，能改善其成膜的表面粗糙度[7]。

2.2 PVA薄膜的改性设计

PVA/Gel 共混改性：使用去离子水分别配制5wt%的PVA 和6%的Gel 溶液，然后按Gel 与PVA的质量比1：9、2：8、3：7、4：6 分别进行共混，并分成相同的两组；一组加入占溶剂20wt%的DMSO（DMSO 与溶液中去离子水比例为2：8）增塑，另一组在加入同样DMSO的同时，再加入占PVA质量的对二甲氨基苯甲醛，与DMSO组成复合增塑剂进行改性；按照共混、搅拌、脱泡等步骤处理后，按顺序编号备用。PVA/PVP 共混改性：使用去离子水分别配制5wt%的PVA和8wt%的PVP 溶液，然后按PVP 与PVA的质量比1：5、2：5、3：5、4：5、5：5 分别进行共混，并依次加入占溶剂20wt%的DMSO（DMSO 与溶液中去离子水比例为2：8）增塑，按照共混、搅拌、脱泡等步骤处理后，按顺序编号备用。

3 共混改性PVA基底薄膜的性能研究

3.1 PVA/Gel 复合薄膜

图1 所示为不同比例PVA/Gel 复合膜的激光共聚焦显微镜照片：在溶剂中DMSO 占比20%时，PVA 与Gel 部分相容；当Gel 与PVA 的共混比例大于2：8 时，复合膜中两种组分相容性差，在蒸发溶剂成膜过程中有小颗粒结晶，薄膜的表面粗糙度明显变大；当Gel 与PVA 的共混比例为2：8 时，薄膜表面粗糙度最小，仅为0.184μm。使用对二甲氨基苯甲醛与DMSO复配增塑时，能够增加PVA 与Gel 的相容性，随Gel 加入比例增大，复合膜的表面粗糙度先减小后增大，但没有明显的变化，均在纳米级，当Gel 与PVA 的共混比例为3：7 时，薄膜的表面粗糙度最小仅为0.175μm。

图1 PVA/Gel复合膜的激光共聚焦显微镜图像

图2 为不同比例PVA/Gel 复合薄膜的接触角和表面能图：复合薄膜的水接触角比DMSO 增塑的PVA 薄膜大，说明共混Gel 使薄膜的水溶性变差，耐水性有一定提高；复合膜的水接触角随Gel 的加入比例增大逐渐变大，表面能则基本是变小趋势，说明随共混Gel 比例的增大，薄膜的耐水性提高；复合薄膜的水接触角都是小于90°的，说明虽然复合膜与PVA 薄膜比较的水溶性变差。

图2 PVA/Gel复合薄膜的接触角和表面能图

图3 为PVA/Gel 复合薄膜的拉伸性能曲线图，由图中可以看出：当Gel 的加入比例小于2：8 时，复合薄膜的拉伸性能较DMSO增塑PVA薄膜在拉伸性能方面有一定提高；当Gel 与PVA共混比为1：9 时，复合薄膜的抗拉强度和断裂伸长率分别为25.4MPa 和266%，比溶剂占比20%DMSO 增塑的PVA 薄膜提高了13%和25%；随着Gel 的共混比例增大，薄膜的抗拉强度和断裂伸长率变小，说明共混Gel 增加了PVA薄膜的硬度，随着Gel 共混比例的增大，薄膜中可能形成连续相的明胶，整体的拉伸性能下降。复配增塑的PVA/Gel 复合膜抗拉强度与同共混比的DMSO 增塑的PVA/Gel 复合膜相当，但断裂伸长率有较明显的降低，其中PG6的断裂伸长率仅为143%，比PG2减小了约38%，进一步验证复配增塑剂增加了PVA和Gel 了相容性。

图3 PVA/Gel复合薄膜的拉伸性能曲线图

图4 为PVA/Gel 复合膜的TGA 测试结果，复合膜的整体失重情况与占溶剂质量比20%DMSO增塑的PVA薄膜相当。但通过加热试验观察，在200℃持续加热，随Gel 共混比例的增大，薄膜的失重越快。

图4 PVA/Gel复合膜的TGA测试曲线

3.2 PVA/PVP 复合薄膜

图5 所示为不同比例PVA/PVP 复合膜的激光共聚焦显微镜照片：PVP 与PVA具有良好相容性，随PVP 共混比例的增大，薄膜表面的纹路逐渐变浅，表面粗糙度变小。当PVP 与PVA的共混比例为5：5 时，薄膜的表面粗糙度最小，仅为0.191μm。

图5 PVA/PVP 复合膜的激光共聚焦显微镜照片

图6 为不同比例PVA/PVP 复合薄膜的接触角和表面能图：随PVP 的共混比例增大，复合膜的水接触角明显变小，表面能逐渐变大，说明通过加入PVP 共混制膜，薄膜的水溶性得到了明显改善。

图7 为PVA/PVP 复合薄膜的拉伸性能曲线图：随着PVP 共混比例的增大，复合膜的断裂伸长率与溶剂占比20%DMSO 增塑的PVA 薄膜相当，但抗拉伸强度明显变小；当PVP 与PVA 共混比例为4：6 时，薄膜的抗拉强度仅为4.26MPa，比质量占比20%DMSO增塑的PVA薄膜降低了81%。

图6 PVA/PVP 复合薄膜的接触角和表面能图

图7 PVA/PVP 复合薄膜的拉伸性能曲线图

4 结论

本文主要研究了PVA薄膜的性能改进优化，采用溶液浇铸法制备薄膜，分析了DMSO与明胶和聚乙烯吡咯烷酮共混，薄膜在表面粗糙度、亲水性、拉伸和热降解等方面的性能变化。明胶与PVA共混，为部分相容体系，增强了薄膜的拉伸、耐水和热降解性能；使用DMSO和对二甲胺基苯甲醛对PVA/Gel 进行复配增塑，能够增强明胶和PVA 的相容性，改善薄膜的表面粗糙度，提高抗拉伸强度；聚乙烯吡咯烷酮与PVA 共混，能够改善薄膜的表面粗糙度、水溶和热降解性能，随共混比例的增大，薄膜的表面粗糙度和水接触角明显减小，抗拉强度有一定的降低；当共混比例为4：5 时，薄膜的热降解性能最好，在200℃时，热失重率约为70%。