CN109400927A - 高透明阻燃聚乙烯醇薄膜及其制备方法 - Google Patents

高透明阻燃聚乙烯醇薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高透明阻燃PVA薄膜及其制备方法，所述PVA薄膜阻燃性能优，阻燃剂可与PVA稳定结合，且阻燃PVA薄膜的透明性高。所述高透明阻燃PVA薄膜的制备方法，由含有甲基丙酸基次膦酸和PVA的混合溶液成膜制得所述高透明阻燃PVA薄膜，以混合溶液中甲基丙酸基次膦酸和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中甲基丙酸基次膦酸的质量含量为5％‑30％。优选的，所述成膜的方法为流延成膜后于50‑100℃干燥，得到所述高透明阻燃PVA薄膜。

Description

高透明阻燃聚乙烯醇薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子化学技术领域，特别涉及一种高透明阻燃聚乙烯醇薄膜及其制备方法。
背景技术
随着人们对复合材料的研究不断深入，透明聚合物在有机发光二极管、柔性太阳能电池、可穿戴智能设备和航空航天等当今材料研究的前沿领域中展现出重要的应用价值。聚乙烯醇(PVA)是目前应用最广高分子材料之一，它具有优异的透光性、成膜性、气体阻隔性和生物可降解性，使其在电子材料中具有良好的应用前景。然而PVA材料极易燃烧，氧指数较低，从而对其在上述领域中的应用造成严重影响，此外未交联的PVA在水中容易溶胀，湿态稳定性差，因此为提高其湿态稳定性，需要对其交联。
获得阻燃PVA的途径主要是添加阻燃剂，最常见的阻燃剂为无机纳米阻燃颗粒，如纳米氢氧化镁(Mg(OH)2)，而纳米Mg(OH)2在PVA膜的干燥过程中随着水分的丧失发生逐渐团聚，从而使薄膜的透明性下降。此外中国专利文献CN 103709567B报道了一种通过添加离子液体制备透明PVA的方法；中国专利文献CN 101235180A和CN101058730A公开了一种含氮阻燃剂的PVA阻燃材料；中国专利文献CN 105733145 A报道了氨基乙酸改性的氧化石墨烯阻燃的PVA。上述专利文献提供的阻燃PVA材料均是不透明的，而且添加剂为惰性，与PVA是物理混合，不与PVA发生化学反应，在使用过程中遇水后很容易从薄膜中迁移出来，降低其阻燃效率，使薄膜的性质也变得不稳定。
在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：在保证阻燃性能的前提下，阻燃PVA薄膜的透明性不佳，且阻燃剂与PVA的结合不够稳定，从而导致薄膜性质容易发生变化。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种高透明阻燃PVA薄膜及其制备方法，所述PVA薄膜阻燃性能优，阻燃剂可与PVA稳定结合，且阻燃PVA薄膜的透明性高。
具体而言，包括以下的技术方案：
根据本发明的第一方面，本发明实施例提供了一种高透明阻燃PVA薄膜的制备方法，由含有甲基丙酸基次膦酸(简称CEP)和PVA的混合溶液成膜制得所述高透明阻燃PVA薄膜，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为5％-30％。
优选的，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为15％-20％。
优选的，所述成膜的方法为流延成膜后于50-100℃干燥，得到所述高透明阻燃PVA薄膜。
进一步优选的，以所述混合溶液的质量为基准，混合液中所述PVA的质量百分比浓度为10％-12％。
优选的，所述高透明阻燃PVA薄膜厚度为50-300μm，最优选薄膜厚度为200μm。
CEP可通过商用的化学物质2-甲基-2，5-二氧-1，2-氧磷杂环戊烷(简称OP)水解后提纯得到。OP水解为CEP的化学反应式如下：
所述水解、提纯的具体步骤可以为：
在丙酮中，使OP与水在60℃下发生水解反应2小时，其中OP、水和丙酮的摩尔比为1:1:3；反应液冷却至室温后，析出粗产品，过滤后用丙酮洗涤，在80℃下真空干燥，得到CEP。
根据本发明的第二方面，本发明实施例还提供了上述制备方法所得的高透明阻燃PVA薄膜。
发明人认为，作为PVA高效阻燃剂，若需要保持PVA薄膜的高透明性，需要满足以下三个条件：(1)阻燃剂和PVA基材具有很好的相容性，不发生相分离。(2)阻燃剂需要包含与PVA中的羟基具有较好反应性的活性官能团，才能够使得阻燃剂以化学键的形式存在于PVA中，以避免在使用过程中，阻燃剂从基材中析出，影响膜的阻燃性能、使用效果以及机械性能。(3)在加工过程中溶于水，以便于交联反应在均相中进行。
CEP是一种含羧基和膦羟基化合物，通常作为农药中间体使用。CEP溶于水，即使在很高的浓度下，也不会从水中析出。此外CEP无毒，磷含量高。因此，本发明实施例以CEP作为阻燃剂，成功制得高透明阻燃PVA薄膜：由于CEP在水溶液中可溶，分子中有机官能团甲基和羰基与PVA的甲基相容性高，可以在PVA中以分子水平混合，使PVA透明性保持率高；CEP含活性官能团羧基和膦羟基，均可与PVA中的羟基反应,CEP以化学键与PVA结合，避免薄膜在使用过程中出现阻燃剂析出等问题；CEP可以使PVA发生交联，是一种很有效的交联剂，可提高PVA耐溶胀性能，增加其湿态稳定性。由于CEP和PVA在均相水溶液中发生化学反应，反应易于进行，进一步保证了阻燃性能、湿态稳定性和透明性能。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
所述PVA薄膜阻燃性能优，阻燃剂可与PVA稳定结合，且阻燃PVA薄膜的透明性高，湿态稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为OP水解制得的CEP的红外光谱图；
图2为对比例和实施例2所得PVA薄膜的可见-紫外吸收光谱；
图3为对比例和实施例2所得PVA薄膜的热重分析曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
根据本发明的第一方面，本发明实施例提供了一种高透明阻燃PVA薄膜的制备方法，由含有CEP和PVA的混合溶液成膜制得所述高透明阻燃PVA薄膜，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为5％-30％。
优选的，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为15％-20％。
优选的，所述成膜的方法为流延成膜后于50-100℃干燥，得到所述高透明阻燃PVA薄膜。
进一步优选的，以所述混合溶液的质量为基准，混合液中所述PVA的质量百分比浓度为10％-12％。
优选的，所述高透明阻燃PVA薄膜厚度为50-300μm，更优选为200μm。
CEP可通过商用的化学物质OP水解后提纯得到。OP水解为CEP的化学反应式如下：
所述水解、提纯的具体步骤可以为：
在丙酮中，使OP与水在60℃下发生水解反应2小时，其中OP、水和丙酮的摩尔比为1:1:3；反应液冷却至室温后，析出粗产品，过滤后用丙酮洗涤，在80℃下真空干燥，得到CEP。
根据本发明的第二方面，本发明实施例还提供了上述制备方法所得的高透明阻燃PVA薄膜。
本发明实施例提供的所述PVA薄膜阻燃性能优，阻燃剂可与PVA稳定结合，且阻燃PVA薄膜的透明性高，湿态稳定性好。
下述实施例中，所用试剂信息如下：
OP：Aldrich公司，纯度大于98％。
丙酮：上海国药集团，纯度>99％。
PVA：上海国药集团，聚合度1750。
测试仪器及方法如下：
极限氧指数(LOI)测试：采用氧指数测定仪(JF-3，南京市江宁区分析仪器厂)，按GB/T 2406-1993进行测试；
垂直燃烧性能(UL 94)测试：采用水平垂直燃烧仪(CZF-3，南京市江宁区分析仪器厂)，按GB/T 2048-1996进行测试；
红外光谱FTIR测试：采用傅立叶变换红外光谱仪(TENSOR27，德国Bruker公司)。KBr压片，25℃测试；
核磁(NMR)：采用核磁共振仪(AVANCE 400，德国Bruker公司)，二甲基亚砜(d-DMSO)为溶剂，25℃测试，四甲基硅烷(TMS)为内标；
热重分析：采用热重分析仪(TGA)(SDT Q600Nicolet 10，美国TA公司)，升温速率为20℃/min，由30℃升温至700℃；
透光率测试：采用紫外可见分光光度仪(UV-2550，日本岛津公司)。测试方法：将薄膜裁剪成相应的大小，烘干后用石英玻璃夹好，扫描范围400-800nm。
CEP的合成
取1mol OP置于1000ml带有冷凝装置的三口烧瓶中，加300ml丙酮，搅拌下升温至60℃，待其全部溶解在丙酮中后，加入1mol的蒸馏水于冷凝回流2小时，完成反应，冷却至室温,过滤得到白色晶体CEP。再用丙酮洗涤产品3次，每次丙酮用量100ml。
图1为得到的CEP的红外光谱，图1中:3500cm-1、2800-2500cm-1和980cm-1为膦酸(O＝P-OH)的特征峰,1725cm-1为C＝O伸缩振动峰，1637cm-1为C＝C的特征吸收峰，980cm-1对应的是C-P伸缩振动吸收峰，1252cm-1为P-CH3特征峰，1192cm-1为P＝O吸收峰；1060cm-1为C-O-C酯的不对称伸缩振动峰。1637cm-1和670cm-1为C＝C双键特征吸收峰,2940cm-1,1400cm-1,885和807cm-1为CH3和CH2特征峰。结果证实OP已经水解为CEP。
CEP溶液的配制
将白色晶体CEP溶于去离子水中，25℃搅拌2小时，得到质量百分比浓度为30％的水溶液。
PVA溶液的配制
PVA溶于水中，95℃搅拌5小时直至PVA在水中完全溶解，形成PVA质量百分比浓度为12％的透明水溶液。
对比例
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到PVA薄膜。
实施例1
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入2.10g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为5％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
实施例2
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入4.45g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为10％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
图2为对比例及实施例2所得PVA薄膜的透光率，结果表明在可见光的范围内，对比例纯PVA薄膜的透光率为90％，但是添加阻燃剂后的复合PVA薄膜(实施例2)仍然保持较高的透光率，添加15％时为88.7％，仅下降了1.3％。说明阻燃剂的加入对PVA薄膜的透明性影响不太大，CEP作为阻燃剂阻燃PVA相容性较好。
图3为对比例及实施例2所得PVA薄膜的热重分析曲线图，定义失重5％对应的温度为起始失重温度。对比例为纯PVA，起始失重温度为260℃。加入阻燃剂CEP的PVA薄膜(实施例2)的起始失重温度升高到312℃，且实施例2失重速率与对比例相比，大大降低，失重过程中残炭率也高于对比例。上述结果说明：与纯PVA薄膜相比，含有CEP的PVA薄膜耐热性和阻燃性能大大提高。
实施例3
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入7.06g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为15％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
实施例4
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入10g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为20％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
实施例5
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入13.34g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为25％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
实施例6
取100.00g质量百分比浓度12％的PVA透明水溶液，加入17.15g质量百分比浓度为30％的CEP水溶液，搅拌1-3小时，得到色相均一的稳定的粘状溶液，即为含有CEP和PVA的混合溶液，以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量为30％。将混合溶液倒入玻璃模具中流延成膜。膜在30℃温下放4小时，使溶剂部分挥发，然后置于真空干燥箱中80℃继续干燥至恒重，得到高透明阻燃PVA薄膜。
测试对比例及实施例1-6所得PVA薄膜的透光率及阻燃性能，结果如表1所示。
表1 PVA薄膜在400-800nm平均透光率及阻燃性能(膜厚200μm)
注：CEP(wt％)是指以混合溶液中CEP和PVA的质量之和为基准，所述混合溶液中CEP的质量含量。
表1结果可知：
纯PVA薄膜的透光率为90％，但是添加阻燃剂后的复合薄膜仍然保持较高的透光率，添加15％时为88.7％，仅下降了1.3％，添加30％时为78.2％，下降了10.8％，说明阻燃剂的加入对膜的透明性影响不太大；
纯PVA薄膜的极限氧指数为18.2％，属于易燃薄膜材料，加入15％的CEP时，极限氧指数就从18.2％上升到24.3％，上升了6.1％，且燃烧过程中无滴落；
CEP在较低的添加量就能使薄膜的阻燃性能达到V-0级别，是一种阻燃效果良好的阻燃剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高透明阻燃聚乙烯醇薄膜的制备方法，其特征在于，由含有甲基丙酸基次膦酸和聚乙烯醇的混合溶液成膜制得所述高透明阻燃聚乙烯醇薄膜，以混合溶液中甲基丙酸基次膦酸和聚乙烯醇的质量之和为基准，所述混合溶液中甲基丙酸基次膦酸的质量含量为5％-30％。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以混合溶液中甲基丙酸基次膦酸和聚乙烯醇的质量之和为基准，所述混合溶液中甲基丙酸基次膦酸的质量含量为15％-20％。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述成膜的方法为流延成膜后于50-100℃干燥，得到所述高透明阻燃聚乙烯醇薄膜。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，以所述混合溶液的质量为基准，混合液中所述聚乙烯醇的质量百分比浓度为10％-12％。
5.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述高透明阻燃聚乙烯醇薄膜厚度为50-300μm。
6.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述甲基丙酸基次膦酸由2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧膦杂环戊烷水解后提纯得到。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水解、提纯的具体步骤为：
在丙酮中，使2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧膦杂环戊烷与水在60℃下发生水解反应2小时，其中2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧膦杂环戊烷、水和丙酮的摩尔比为1:1:3；反应液冷却至室温后，析出粗产品，过滤后用丙酮洗涤，在80℃下真空干燥，得到甲基丙酸基次膦酸。
8.权利要求1-7中任一项制备方法所得的高透明阻燃聚乙烯醇薄膜。
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