聚乙烯醇膜耐水改性的研究进展

王锐

（天津辛德玛悬浮剂有限公司，天津 300270）

聚乙烯醇（PVA）的改性主要是将其他单位以及官能团插入醋酸乙烯的酯基、双键或是改变侧链基团及结构，用来增加聚乙烯醇的耐水性。在这个倡导环保拒绝白色不可降解地污染的时代，由于聚乙烯醇具有可生物降解性的特点，越来越受到社会各界人士的广泛认同。所以，我们针对改变聚乙烯醇的耐水性做了诸多研究，以便为未来各行各业带来福音。

一、聚乙烯醇的特性以及其存在的主要问题

（一）水溶性

聚乙烯醇具有良好的水溶性，其耐水性相当差。此外，其水溶性与醇解度有相当大的关系：产品在其醇解度75%到80%时，只溶于冷水，不溶于热水；而醇解度在87%到89%时，无论是冷水还是热水，产品都可以很快溶解，表现出极强的水溶性；然而当醇解度在89%到90%之间时，当加热到60-70摄氏度时，聚乙烯醇产品可以完全溶解；此外，当其醇解度达到99%及以上时，表现出极强的耐水性，只会在95摄氏度的热水中溶解。此外，随着聚乙烯醇的聚合度愈来愈高，聚乙烯醇的分子链越长，分子间诸如范德华力的作用力越来越强，使得水溶性降低。

（二）成膜性及粘结力

加热时溶剂挥发使得聚乙烯醇分子紧密接触，依靠分子间的相互吸附作用形成膜，发挥粘接作用。因此，聚乙烯醇的碳链长度以及醇解度直接决定聚乙烯醇的成膜性及粘结力。

（三）热塑加工性

聚乙烯醇还有大量的羟基，可以形成许多氢键，由于此熔解温度与分解温度相差无几，导致热塑加工存在极大的困难。所以在生产过程中，基本上是采取生产周期长、生产效率低下、劳动强度大、投入成本高而且质量还不稳定的流延法生产，极大地限制了聚乙烯醇膜的发展。

（四）可生物降解性

由于现在的地球被白色垃圾围绕，导致各行各业都在关注可生物降解的材料，预计未来可生物降解的材料将炙手可热。由于聚乙烯醇具有一定的生物降解性，导致许多专家对于其进行深入研究。李斌等应用魔芋葡甘聚糖与聚乙烯醇和戊二醛进行化学交联，成功制成了一种新型材料——互穿聚合物网络（IPN)。科学家们应用傅立叶红外光谱等技术表征了膜的结构。其表明由于交联键的存在，使得互穿聚合物网络拉伸强度显著高于魔芋葡甘聚糖以及聚乙烯醇，为日后的聚乙烯醇薄膜应用打下了基础。

二、评价聚乙烯醇薄膜耐水性的四种方法

（一）计算交联密度

第一步，将聚乙烯醇薄膜晒干至恒重，用电子天平测量重量记为W0；第二步，将已测量好的恒重聚乙烯醇薄膜放置入温水中直到溶胀平衡；第三步，用吸水纸将其表明的水擦掉，在此测量重量记为W1；第四步，将数据代入公式a=（W1-W0）|W0得出其平衡溶胀比；第五步，根据衡溶胀比可以得出体积分数，进而得出聚乙烯醇薄膜的交联密度。交联密度是聚乙烯醇薄膜耐水性的重要参数，在一定程度上可以反映其耐水性。

（二）计算质量损失比

前三步与方法一是相同的，按照W%=（W1-W0）|W1计算出质量损失比，其越小就代表聚乙烯醇薄膜的耐水性越好。该方法比较适合具有交联结构的聚乙烯醇薄膜。

（三）溶解温度

根据聚乙烯醇薄膜在水中的溶解温度来判断，其溶解温度越高，耐水性越好；反之，耐水性越差。

（四）溶解时间

聚乙烯醇薄膜在100摄氏度的沸水中，看其溶解时间，溶解时间越长，耐水性越好；反之，耐水性越差。

三、聚乙烯醇膜耐水改性的四种方法的研究进展

（一）化学交联法

由于聚乙烯醇链的羟基比较活泼，所以容易和其他物质发生化学反应。因此，化学交联法紧紧抓住聚乙烯醇的羟基，让其与其他化学有机物发生反应，致力于改变聚乙烯醇的化学结构，进而增强聚乙烯醇链的耐水性。此外，在聚乙烯醇耐水改性实验中，经常使用的化学交联试剂是戊二醛、聚丙烯酸、草酸以及氮丙啶，这些化学交联试剂可以在一定程度上增加聚乙烯醇薄膜的耐水性。然而，在具体的使用过程中我们可以发现，这些化学交联试剂往往具有刺激性气味以及毒性，会给地球带来巨大的灾祸，也不符合当前绿色化学的要求。因此，就有科学家另辟蹊径采取无机交联试剂代替有毒的有机交联试剂，比如硼酸、多价金属离子以及无机盐等。这些无机交联试剂也可以显著提高聚乙烯醇薄膜的耐水性。

（二）物理交联法

物理交联法不同于化学交联法，但其具体本质是差不多的。由于聚乙烯醇结构规整、侧链分子之间容易形成氢键，所以聚乙烯醇容易形成三维的晶体结构。这些晶体结构起着物理交联的作用，可以增加聚乙烯醇的耐水性。但是，晶体结构的物理交联作用没有化学交联试剂稳定，使得聚乙烯醇薄膜随着时间的推移耐水性降低。随着诸多科学家的潜心研究与实验发现，总结出两种行之有效的方法可以有效提高晶体结构的结晶度，增加聚乙烯醇薄膜耐水性的持久度。第一种，是在生产过程中使用流延法时，对于聚乙烯醇薄膜产品进行反复多次的冷冻-解冻处理，使得聚乙烯醇薄膜在无限循环的过程中增加其晶体结构，进而增加其耐水性。此外，在这种方法中，为了降低晶体结构的体积以及提高薄膜的透明度，生产过程中往往会使用到有毒有害有机溶剂。且这种方法费时费力费成本，所以不建议使用。第二种，热处理法。通过加热处理，使得聚乙烯醇薄膜里的晶体活跃运动，同样也增加了产品中的晶体结构。由于热处理法相对无数次的冷冻-解冻处理来说，操作简单省时省力，得以大力推广。[1]

（三）无机纳米材料复合法

由于无机纳米材料具有表面极性强、热稳定强的特点，将其复合在聚乙烯醇上可以极大增加产品的热稳定性以及耐水性。其提高程度就复合的无机纳米材料的种类用量决定。据文献研究显示，以二氧化硅和蒙脱土耐水改性效果最好。目前有三种方法可以将二氧化硅复合在聚乙烯醇薄膜上。第一种方法，是先将二氧化硅纳米粒子水分散液与聚乙烯醇水溶液混合，然后用混合液制备薄膜。这种方法操作比较简单，但是也存在氧化硅纳米粒子团聚情况的发生，严重影响了聚乙烯醇薄膜的透明度。第二种方法，是基于第一种方法进行的改良。采取明胶这种物质诱导前体物质硅酸钠水缩聚形成二氧化硅纳米粒子，极大地避免了团聚情况的出现。但是，由于明胶容易变质，会影响聚乙烯醇薄膜的性能。第三种方法，以正硅酸四乙酯为前体物质，混合聚乙烯醇水溶液在酸性条件下，直接发生水缩合反应，即避免团聚情况的发生，又避免其他物质对于反应造成的不良影响，是较为值得推广使用的一种方法。[2]

（四）聚合物共混法

该方法顾名思义，就是采用一些耐水性较好的聚合物与聚乙烯醇共混，达成提高聚乙烯醇薄膜耐水性的最终目的。此外，我们可以发现不同的聚合物共混会产生不同的效果，所以针对不同的性能要求，就可以采取不同性能的聚合物，满足不同行业的需求。

四、耐水性聚乙烯醇薄膜的主要应用前景

（一）分离纯化膜

现代各行各业都会应用到膜分离技术，尤其是与水相关的行业，然而膜分离技术又与膜材料好坏有着巨大的关系，因而耐水性聚乙烯醇薄膜就可以在膜分离技术中大展拳脚，发挥巨大优势。

（二）包装膜

由于聚乙烯醇薄膜具有无色无味无毒、防氧化、防细菌、防油雾等特点，被广泛应用于食品包装、服装包装、电子元器件的运输保护上。耐水性聚乙烯醇薄膜由于其空气阻隔性，可以防止食物氧化变质、纺织品变色发黄。所以，聚乙烯醇薄膜可以在包装行业上起着巨大作用。[3]

（三）偏光膜

在高中物理光学实验中，经常会用到偏振片，将自然光线变成偏振光，用以观察实验现象，得出实验结论。偏振片是由偏光膜、内外保护膜、压敏胶层组成，其中偏光膜的质量是偏振片作用效果的直接决定因素。

（四）生物医用膜

医疗领域同样与聚乙烯醇薄膜息息相关。由于聚乙烯醇薄膜具有良好的生物相溶性，如果可以在薄膜中添加一些生物活性或药理成分，就会得到具有医用前景的生物医用膜。比如，壳聚糖与聚乙烯醇共混合形成的共混膜可以用于组织修复。若在耐水性较强的聚乙烯醇薄膜上添加一些止血、杀菌物质，就可以用作伤口敷料。

（五）农药种衣剂的成膜剂

农业是我国经济发展的支持行业，与民生息息相关。种子是农业的关键，我们加以重视。在种子上一般会包膜使得种子可以在地里得到更好的生长。一般成膜剂要求具有较强的耐水性，使得种子在水分较高的土壤里不被毁掉。

结束语：聚乙烯醇薄膜具有透明度好、无毒无味、阻隔气体的特点，尤其是可生物降解性和生物相容性的特点，是一种绿色环保无污染的产品，其应用价值相对广阔。现阶段，可以采取四种方法改善聚乙烯醇薄膜的耐水性，提高聚乙烯醇薄膜的适用范围，进一步增加聚乙烯醇薄膜的商业价值。这四种方法各有千秋，优缺点并存，研究绿色环保的改性方法，进一步提高聚乙烯醇薄膜耐水性是一代科学家未来的主要研究课题。