CN102181114B - 聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料，该材料通过插层复合技术与化学发泡技术制得；发泡材料中含有3～5wt％的纳米级蒙脱石，使材料的机械强度、热稳定性得到提高；聚乙烯醇发泡材料内部具有交联网状结构，有致密且孔径较均匀的孔隙，材料比表面积大，吸附容量大，兼具优良吸附及过滤分离功能，而且其材料成本低、易于重复使用，有望成为众多过滤分离吸附领域中极有推广应用前景的过滤分离吸附材料。因此，利用聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料机械强度高、热稳定性好的特点，可以应用于饮品、食品、酿造、制药、化学化工、污水处理、环境保护等行业，满足澄清净化、固液分离、过滤回收体系中更高技术条件的要求。
Description
技术领域
本发明属于复合材料或高分子发泡材料领域，尤其涉及一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料及制备方法。
背景技术
在饮品、食品、酿造、制药、化学化工、污水处理、环境保护等行业的澄清净化、固液分离、过滤回收等生产过程中，广泛用到由塑料、陶质、金属粉末冶金等材料制成的多孔过滤分离吸附材料，成为工业生产中不可缺少的部分。由聚乙烯醇制备的PVA发泡材料的内部具有交联网状结构，有致密且孔径较均匀的孔隙，材料比表面积大，吸附容量大，机械强度高，化学稳定性好，对水的浸润性和渗透性强，兼具优良吸附及过滤分离功能，是分离领域迫切需要的关键材料，由于其材料成本低、易于重复使用，有望成为众多过滤分离吸附领域中极有推广应用前景的过滤分离吸附材料。
随着现代科学技术的日新月异，人们对材料提出的要求也日益的广泛和苛刻，单一组分的材料通常已难以满足社会及生产的需要。将两种或两种以上的异质、异形、异性的材料通过一定的工艺组合成复合材料，满足人们在某方面性能的预期要求，已成为开发高性能材料的重要途径。可以说材料的复合化是当今材料行业发展的主要趋势。
复合材料是指由两种或两种以上性质不同的材料，经过一定的物理化学手段复合而成的一种多相固体材料。材料显微结构中至少有一相的一维尺寸达到纳米级的复合材料称为纳米复合材料。插层复合法是将有机单体或聚合物插入到具有层状结构硅酸盐的片层之间，利用热力学或力化学作用使片层剥离成纳米尺度的初级粒子，并均匀分散在聚合物基体中，形成纳米复合材料。它是制备高性能有机/无机纳米复合材料的重要方法，也是近年来材料研究领域的一个热点。这类材料具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点，可以明显改善高分子材料的物理机械性能、热稳定性、气体阻隔性、阻燃性、导电性、光学性等；特别是剥离型纳米复合材料只需很少的量就可以大幅度提高复合材料的性能，因而引起了人们极大的兴趣。
蒙脱石类层状硅酸盐是研究得较多的层状硅酸盐。蒙脱石的理想晶体结构式为Nax(Al2- XMgX)(Si4O10)(OH)2·m H2O，属于2∶1型的三层结构的硅酸盐矿物，每个晶层由二层硅氧四面体中夹一层铝氧八面体构成，晶层间距离为0.96～2.14nm。四面体的顶端氧指向结构层中央与八面体共用，并将三层联结在一起，每个片层的厚度约1nm，长宽各约100nm。这种结构沿a，b轴方向可无限延长，沿c轴方向以一定的间距重叠。由于c轴方向的晶层间的氧层与氧层的联系力较小，可形成良好的解离面，层间易侵入水分子或其它极性分子，引起c轴方向的膨胀。因此，蒙脱石具有良好的膨胀性、吸附性和阳离子交换性，为许多客体物质进行层间复合或插入反应，提供了较有利的条件。
目前，聚乙烯醇/层状硅酸盐纳米复合材料的研究及应用主要集中在薄膜、纤维、粉体等纳米复合材料上，CN 100381506C公开了一种纳米蒙脱土水相插层的制备方法，得到了疏松装的层间距大于1.9纳米的蒙脱土。在聚乙烯醇发泡材料的制备技术中，CN1095075A公开了一种高吸水泡沫塑料及制备方法，以聚乙烯醇和玉米淀粉为主要成分加入醛、硫酸、有机硅消泡剂和表面活性剂，通过浇铸成型制备高吸水泡沫塑料；CN1095387A公开了一种医用卫生用聚乙烯醇发泡材料，采用聚乙烯醇、甲醛为原料，在酸催化作用下经聚合反应后再添加乙二醛和碳酸氢钠发泡剂，经浇铸成型，发泡固化，脱膜洗涤、干燥，制备医用卫生用聚乙烯醇发泡材料；CN 1218997C公开了一种高吸水聚乙烯醇发泡体及其制备方法，采用由聚乙烯醇、甲醛、酸和化学发泡剂通过化学发泡法制备连续开孔发泡体；CN 101363021A公开了一种大孔网状聚乙烯醇泡沫载体及其制备，泡沫载体具有稳定大孔网状结构，呈现良好的亲水性、物理化学稳定性和抗生物降解性，适用于固定化酶及微生物以构成多种床型的生物反应器，用于污水处理等现代生物工程领域；CN101186720B公开了一种污水处理用聚乙烯醇发泡材料，由聚乙烯醇、甲醛和淀粉为原料经化学发泡法制备的软质泡沫塑料，与现有发泡材料的区别是加入碳纳米管一起发泡，也就是发泡材料中含有碳纳米管，提高了发泡材料用于污水处理的净化能力；目前尚未见聚乙烯醇与其它纳米材料复合制备发泡材料的报道，也未见将蒙脱石与聚乙烯醇进行复合化处理制备复合纳米发泡材料的研究发表。
发明内容
本发明将聚合物/层状硅酸盐纳米插层复合技术与聚乙烯醇化学发泡技术相结合，目的在于提供一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料的制备方法，制备出含有纳米蒙脱石的聚乙烯醇发泡材料，使聚乙烯醇发泡材料性能有所改善。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将精制的蒙脱石分散于水中，充分搅拌并超声分散形成悬浮液；
(2)将聚乙烯醇加入水中，在搅拌下升温至聚乙烯醇完全溶解，形成聚乙烯醇溶液；
(3)按照计量将聚乙烯醇溶液逐渐滴加到蒙脱石悬浮液中，边搅拌边升温至80～85℃，保温并强力搅拌，形成均一透明液体，该液体在80～85℃下超声振荡30min；在驱动力作用下，使聚乙烯醇从水溶液中插层到蒙脱石的层间区域，并使蒙脱石晶层的片层产生剥离，形成的纳米级蒙脱石晶层均匀地分散在聚乙烯醇基体中，得到聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液；
(4)在温度为30～40℃的聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液中，按照计量加入成孔剂、发泡剂、缩醛化剂(硫酸和甲醛的混合液)，充分搅拌反应溶液5～6min；待反应液粘稠时，注入模具中于55℃～65℃温度下缩醛化反应5～7小时，交联、发泡、固化，取出发泡体充分洗涤，除去残余物，得到聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料。
制备得到了一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料，发泡材料中含有纳米级粒度的蒙脱石，其含量为聚乙烯醇的1～7wt％，优选3～5wt％。
由本发明带来的有益效果是：
1.提供一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料的制备方法。
2.制备出了一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料。
3.由于蒙脱石硅酸盐片层极大的径厚比，大的比表面积，可赋予纳米复合材料优异的力学性能，特别是剥离分散的蒙脱石硅酸盐片层在聚乙烯醇体系中均匀分散，在含量很少时起到了极强的增强作用，使填充了蒙脱石硅酸盐片层的聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料比单纯聚乙烯醇发泡材料拉伸强度提高了20％以上；弹性模量提高了2倍多。由于蒙脱石硅酸盐片层的存在延缓了PVA的热分解过程，完全热分解温度提高了120℃以上；其主要原因是呈纳米分散的蒙脱石硅酸盐片层阻碍了聚合物分子的热运动，同时，蒙脱石片层对嵌入片层间的聚乙烯醇分子起到了隔热隔氧的保护作用，才使得聚乙烯醇的热分解温度极大提高。
4.利用聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料机械强度高、热稳定性好的特点，可以应用于饮品、食品、酿造、制药、化学化工、污水处理、环境保护等行业，满足澄清净化、固液分离、过滤回收体系中更高技术条件的要求。
具体实施方式
非限定实施例叙述如下：
本发明制备方法如下步骤：
本实施例中所涉及组分的量均是聚乙烯醇(PVA1788或PVA1799)的相对含量。
将精制的蒙脱石(3～5wt％)分散于水中，充分搅拌并超声分散形成悬浮液；将聚乙烯醇加入水中，在搅拌下升温至85～90℃聚乙烯醇完全溶解，形成浓度为10～15wt％聚乙烯醇溶液；按照计量将聚乙烯醇溶液逐渐滴加到蒙脱石悬浮液中，边搅拌边升温至80～85℃，保温并强力搅拌，形成均一透明液体，该液体在80～85℃下超声振荡30min；在驱动力作用下，使聚乙烯醇从水溶液中插层到蒙脱石的层间区域，并使蒙脱石晶层的片层产生剥离，形成的纳米级蒙脱石晶层均匀地分散在聚乙烯醇基体中，得到聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液；在温度为30～40℃的聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液中，加入玉米淀粉(55～65wt％)、碳酸钠(5～8wt％)、缩醛化剂(硫酸50～60wt％和甲醛40～50wt％的混合液)，充分搅拌反应溶液5～6min；待反应液粘稠时，注入模具中于55℃～65℃温度下缩醛化反应5～7小时，交联、发泡、固化，取出发泡体充分洗涤，除去残余物，得到聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料。
Claims (3)
1.一种聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料，其特征是：所述发泡材料是以聚合物/层状硅酸盐纳米插层复合技术与聚乙烯醇化学发泡技术相结合的制备方法制得，发泡材料中含有纳米级粒度的蒙脱石，其含量为聚乙烯醇的1～7wt％。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料，其特征是：所述发泡材料中含有纳米级粒度的蒙脱石，其含量为聚乙烯醇的3～5wt％。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：
(1)将精制的蒙脱石分散于水中，充分搅拌并超声分散形成悬浮液；
(2)将聚乙烯醇加入水中，在搅拌下升温至聚乙烯醇完全溶解，形成聚乙烯醇溶液；
(3)按照蒙脱石在聚乙烯醇中1～7wt％的计量，将聚乙烯醇溶液逐渐滴加到蒙脱石悬浮液中，边搅拌边升温至80～85℃，保温并强力搅拌，形成均一透明液体，该液体在80～85℃下超声振荡30min；在驱动力作用下，使聚乙烯醇从水溶液中插层到蒙脱石的层间区域，并使蒙脱石晶层的片层产生剥离，形成的纳米级蒙脱石晶层均匀地分散在聚乙烯醇基体中，得到聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液；
(4)在温度为30～40℃的聚乙烯醇/纳米蒙脱石复合溶液中，按照计量加入成孔剂、发泡剂、由硫酸和甲醛组成的缩醛化剂，充分搅拌反应溶液5～6min；待反应液粘稠时，注入模具中于55℃～65℃温度下缩醛化反应5～7小时，交联、发泡、固化，取出发泡体充分洗涤，除去残余物，得到聚乙烯醇/蒙脱石复合纳米发泡材料。
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