CN113429621A - 一种聚乙烯材料的亲水改性方法、亲水型聚乙烯材料、用于聚乙烯材料亲水改性的反应液 - Google Patents

一种聚乙烯材料的亲水改性方法、亲水型聚乙烯材料、用于聚乙烯材料亲水改性的反应液 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚乙烯材料的亲水改性方法、亲水型聚乙烯材料、用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，属于聚乙烯材料的化学处理技术领域。本发明的聚乙烯材料的亲水改性方法，包括对聚乙烯材料进行表面氧化活化处理，然后采用聚乙烯吡咯烷酮接枝聚合；所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为90～97。本发明的聚乙烯材料的亲水改性方法，工艺简单、成本低，仅需将采用常规技术对聚乙烯材料表面氧化活化处理后与聚乙烯吡咯烷酮进行接枝聚合，改性后的聚乙烯材料的水接触角可达15°～30°，大大改善了聚乙烯材料的亲水性。

Description

一种聚乙烯材料的亲水改性方法、亲水型聚乙烯材料、用于聚 乙烯材料亲水改性的反应液
技术领域
本发明涉及一种聚乙烯材料的亲水改性方法、亲水型聚乙烯材料、用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，属于聚乙烯材料的化学处理技术领域。
背景技术
聚乙烯是一类价格低廉、具有优良的化学稳定性和热稳定性的聚合物材料，由其制备得到聚烯烃材料已被广泛应用于工业、农业、医药、环保、电池等领域，尤其是由其制备的聚乙烯微孔膜由于良好的绝缘性和对锂离子的通导性在锂离子电池领域得到了广泛的应用。但是由于聚乙烯化学结构的原因、极性低且结晶性高，所以亲水性差、且不易使其化学改性。
如用于锂离子电池的聚乙烯微孔膜在水性溶液中溶液很难浸润到聚乙烯微孔膜内部，使得其无法直接应用于镍氢电池等水性电池领域。镍氢电池属二次电池，虽能量密度较锂离子电池低，但由于其电解液为KOH水溶液遇到高温时不会发生胀气，安全性较好。为使常规聚乙烯微孔膜能够应用于镍氢电池领域，需要对常规聚乙烯微孔膜进行亲水化处理。
现有技术中，在改善这类聚乙烯材料的亲水性时需要施以臭氧处理、等离子体处理、紫外线照射处理、高压放电处理、电晕放电处理等各种表面活化处理。如申请公布号为CN107887555A的中国发明专利申请中公开一种辉光放电制备改性聚烯烃非织造隔膜的方法，该方法包括以下步骤：将乙烯基硅烷偶联剂在水中搅拌得到乙烯基二氧化硅纳米颗粒水溶胶，向其中加入亲水性接枝单体和引发剂，通氮气备用；将聚烯烃非织造隔膜在3.0～6.0kV的电压下以2～6m/min的速度通过电晕处理器，然后立即放入含有接枝单体和引发化硅纳米颗粒水溶胶中进行接枝改性，反应后取出、洗净、干燥得到改性聚烯烃非织造隔膜。该方法能够改善聚乙烯非织造隔膜的亲水性，但是工艺较为复杂、成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、低成本的聚乙烯材料的亲水改性方法。
本发明还提供了一种采用上述亲水改性方法得到的亲水型聚乙烯材料，以及一种用于聚乙烯材料亲水改性的反应液。
为了实现以上目的，本发明的聚乙烯材料的亲水改性方法所采用的技术方案是：
一种聚乙烯材料的亲水改性方法，包括对聚乙烯材料进行表面氧化活化处理，然后采用聚乙烯吡咯烷酮接枝聚合；所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为90～97。
本发明的聚乙烯材料的亲水改性方法，工艺简单、成本低，K值90～97的聚乙烯吡咯烷酮对聚乙烯微孔膜亲和性好，使得在对表面进行改性时更容易实现，改性过程中仅需将采用常规技术对聚乙烯材料表面氧化活化处理后与聚乙烯吡咯烷酮进行接枝聚合，改性后的聚乙烯材料的水接触角可达15°～30°，大大改善了聚乙烯材料的亲水性。
所述表面氧化活化处理为电晕放电处理。电晕处理过程中，聚乙烯材料在高频、高压环境中分子的化学键发生断裂，增加了其表面粗糙度和表面积，同时电晕装置在放电时产生大量臭氧，臭氧作为一种强氧化剂能够在聚乙烯材料表面发生夺氢反应形成不饱和键。优选的，电晕放电处理的电压为220V，时间为0.5～2min。
所述接枝聚合在引发剂下进行；所述引发剂为丁二酮、二苯甲酮中的至少一种。
所述聚乙烯材料为聚乙烯微孔膜。常规聚乙烯微孔膜的水接触角为80°～120°，其和镍氢电池所用的KOH溶液接触后不发生浸润；采用本发明的亲水改性处理后与KOH溶液接触后可以很容易发生浸润现象，可以克服常规聚乙烯微孔膜不能应用于镍氢电池的缺点。
优选的，所述聚乙烯微孔膜的孔径为40～60nm。所述聚乙烯微孔膜的孔隙率为30～45％。
优选的，所述接枝聚合是将经过表面氧化活化处理后的聚乙烯材料在反应液中进行浸润；所述反应液由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1～4.5％、引发剂0.1～0.6％，余量为溶剂。
优选的，所述浸润的时间为15～30min。浸润过程中，控制反应液的温度为20～25℃。
优选的，所述溶剂为有机溶剂与水的混合物。所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、乙醇、丙酮中的至少一种。所述混合物是将有机溶剂与水按照质量比为0.8～1.3:1的比例混合得到的。
上述的亲水改性方法，还包括将接枝聚合后的聚乙烯材料在40～70℃进行干燥处理。优选的，所述亲水改性方法，还包括干燥前，将介质聚合后的聚乙烯材料用水进行清洗。所述清洗的次数为两次。优选的，清洗时采用的水为去离子水。
所述聚乙烯材料为聚乙烯微孔膜时，上述亲水改性方法还包括将聚乙烯微孔膜干燥后牵引至收卷结构形成卷芯。
本发明的亲水型聚乙烯材料所采用的技术方案为：
一种采用上述的聚乙烯材料的亲水改性方法制得的亲水型聚乙烯材料。
本发明的亲水型聚乙烯材料水接触角可达15°～30°，具有良好的亲水性。
本发明的用于聚乙烯材料亲水改性的反应液所采用的技术方案为：
一种用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1～4.5％、引发剂0.1～0.6％，余量为溶剂；所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为90～97。
本发明的反应液用于聚乙烯亲水改性时，能够简化改性工艺、降低成本，并改善了聚乙烯材料的亲水性，所得的聚乙烯材料水接触角可达15°～30°。
优选的，所述溶剂为二甲基乙酰胺、乙醇、丙酮中的至少一种与水的混合物。
优选的，所述引发剂为丁二酮、二苯甲酮中的至少一种。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
具体实施方式中采用的聚乙烯微孔膜的孔径为40～60nm。
实施例1
本实施例的用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1.5％、二苯甲酮0.5％、溶剂98％；聚乙烯吡咯烷酮的K值为92，溶剂采用二甲基乙酰胺和去离子水按照质量比为1:1的比例混合得到。反应液在配制时，取配方量的聚乙烯吡咯烷酮、二苯甲酮和溶剂在搅拌釜中混匀即可；将配制好的反应液注入容器中，密封备用。
本实施例的聚乙烯材料为常规聚乙烯微孔膜，孔隙率为30％，其亲水改性方法包括以下步骤：
1)将常规聚乙烯微孔膜在放卷机构固定，通过电机控制按照10m/min的速度进入处理电压为220V的电晕装置，在电晕装置中电晕放电处理1min；
2)将电晕放电处理后的聚乙烯微孔膜按照10m/min的速度进入25℃的反应液中，在反应液中浸泡的时间为20min；
3)将浸泡后的聚乙烯微孔膜依次在两个装满去离子水的容器中进行第一次清洗和第二次清洗，清洗过程中控制去离子水的温度为25℃；
4)将经过去离子水清洗后的聚乙烯微孔膜在烘箱内在60℃烘干处理15min；然后将烘干后的聚乙烯微孔膜牵引至收卷结构，形成卷芯，完成具有亲水功能的聚乙烯微孔膜的生产过程。
本实施例的亲水型聚乙烯材料采用本实施例的亲水改性方法制得。
亲水改性处理前的常规聚乙烯微孔膜的水接触角为110°，亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为18°，无明显堵孔，碱性溶液接触角与水接触角基本一致。水接触角测量采用OCA20视频光学接触角测量仪，注射去离子水进行测量，用动态接触角测量模式，将前进和后退作为一个周期，每个样品测量5个周期，使用后退角5次测量获得的平均值。
实施例2
本实施例的用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1.2％、二苯甲酮0.6％、溶剂98.2％；聚乙烯吡咯烷酮的K值为97，溶剂采用二甲基乙酰胺和去离子水按照质量比为1:1的比例混合得到。反应液在配制时，取配方量的聚乙烯吡咯烷酮、二苯甲酮和溶剂在搅拌釜中混匀即可；将配制好的反应液注入容器中，密封备用。
本实施例的聚乙烯材料为常规聚乙烯微孔膜，孔隙率为40％，其亲水改性方法包括以下步骤：
1)将常规聚乙烯微孔膜在放卷机构固定，通过电机控制按照10m/min的速度进入处理电压为220V的电晕装置，在电晕装置中电晕放电处理1min；
2)将电晕放电处理后的聚乙烯微孔膜按照10m/min的速度进入25℃的反应液中，在反应液中浸泡的时间为25min；
3)将浸泡后的聚乙烯微孔膜依次在两个装满去离子水的容器中进行第一次清洗和第二次清洗，清洗过程中控制去离子水的温度为25℃；
4)将经过去离子水清洗后的聚乙烯微孔膜在烘箱内在60℃烘干处理15min；然后将烘干后的聚乙烯微孔膜牵引至收卷结构，形成卷芯，完成具有亲水功能的聚乙烯微孔膜的生产过程。
本实施例的亲水型聚乙烯材料采用本实施例的亲水改性方法制得。亲水改性处理前的常规聚乙烯微孔膜的水接触角为110°，亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为16°，无明显堵孔，碱性溶液接触角与水接触角基本一致。水接触角的测试方法同实施例1。
实施例3
本实施例的用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮4.5％、丁二酮0.1％、溶剂95.4％；聚乙烯吡咯烷酮的K值为90，溶剂乙醇和去离子水按照质量比为0.8:1的比例混合得到。反应液在配制时，取配方量的聚乙烯吡咯烷酮、丁二酮和溶剂在搅拌釜中混匀即可；将配制好的反应液注入容器中，密封备用。
本实施例的聚乙烯材料为常规聚乙烯微孔膜，孔隙率为45％，其亲水改性方法包括以下步骤：
1)将常规聚乙烯微孔膜在放卷机构固定，通过电机控制按照10m/min的速度进入处理电压为220V的电晕装置，在电晕装置中电晕放电处理1min；
2)将电晕放电处理后的聚乙烯微孔膜按照10m/min的速度进入25℃的反应液中，在反应液中浸泡的时间为30min；
3)将浸泡后的聚乙烯微孔膜依次在两个装满去离子水的容器中进行第一次清洗和第二次清洗，清洗过程中控制去离子水的温度为25℃；
4)将经过去离子水清洗后的聚乙烯微孔膜在烘箱内在40℃烘干处理30min；然后将烘干后的聚乙烯微孔膜牵引至收卷结构，形成卷芯，完成具有亲水功能的聚乙烯微孔膜的生产过程。
本实施例的亲水型聚乙烯材料采用本实施例的亲水改性方法制得。亲水改性处理前的常规聚乙烯微孔膜的水接触角为110°，亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为12°，无明显堵孔，碱性溶液接触角与水接触角基本一致。水接触角的测试方法同实施例1。
实施例4
本实施例的用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮3％、二苯甲酮0.3％、溶剂96.7％；聚乙烯吡咯烷酮的K值为95，溶剂采用丙酮和去离子水按照质量比为1.3:1的比例混合得到。反应液在配制时，取配方量的聚乙烯吡咯烷酮、二苯甲酮和溶剂在搅拌釜中混匀即可；将配制好的反应液注入容器中，密封备用。
本实施例的聚乙烯材料为常规聚乙烯微孔膜，孔隙率为35％，其亲水改性方法包括以下步骤：
1)将常规聚乙烯微孔膜在放卷机构固定，通过电机控制按照10m/min的速度进入处理电压为220V的电晕装置，在电晕装置中电晕放电处理1min；
2)将电晕放电处理后的聚乙烯微孔膜按照10m/min的速度进入20℃的反应液中，在反应液中浸泡的时间为15min；
3)将浸泡后的聚乙烯微孔膜依次在两个装满去离子水的容器中进行第一次清洗和第二次清洗，清洗过程中控制去离子水的温度为25℃；
4)将经过去离子水清洗后的聚乙烯微孔膜在烘箱内在70℃烘干处理15min；然后将烘干后的聚乙烯微孔膜牵引至收卷结构，形成卷芯，完成具有亲水功能的聚乙烯微孔膜的生产过程。
本实施例的亲水型聚乙烯材料采用本实施例的亲水改性方法制得。亲水改性处理前的常规聚乙烯微孔膜的水接触角为110°，亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为14°，无明显堵孔，碱性溶液接触角与水接触角基本一致。水接触角的测试方法同实施例1。
对比例1
本对比例的常规聚乙烯微孔膜的亲水改性方法，除所采用的聚乙烯吡咯烷酮的K值为85外，其余完全同实施例1。亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为36°。水接触角的测试方法同实施例1。
对比例2
本对比例的常规聚乙烯微孔膜的亲水改性方法，除所采用的聚乙烯吡咯烷酮的K值为105外，其余完全同实施例1。亲水改性处理后的聚乙烯微孔膜的水接触角为10°，但由于堵孔严重无法正常满足碱性电池对循环性的要求。水接触角的测试方法同实施例1。

Claims (10)

1.一种聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：包括对聚乙烯材料进行表面氧化活化处理，然后采用聚乙烯吡咯烷酮接枝聚合；所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为90～97。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述表面氧化活化处理为电晕放电处理。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述接枝聚合在引发剂下进行；所述引发剂为丁二酮、二苯甲酮中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述聚乙烯材料为聚乙烯微孔膜。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述接枝聚合是将经过表面氧化活化处理后的聚乙烯材料在反应液中进行浸润；所述反应液由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1～4.5％、引发剂0.1～0.6％，余量为溶剂。
6.根据权利要求5所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述浸润的时间为15～30min。
7.根据权利要求5所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：所述溶剂为有机溶剂与水的混合物；所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、乙醇、丙酮中的至少一种。
8.根据权利要求1或5所述的聚乙烯材料的亲水改性方法，其特征在于：还包括将接枝聚合后的聚乙烯材料在40～70℃进行干燥处理。
9.一种采用如权利要求1所述的聚乙烯材料的亲水改性方法制得的亲水型聚乙烯材料。
10.一种用于聚乙烯材料亲水改性的反应液，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：聚乙烯吡咯烷酮1～4.5％、引发剂0.1～0.6％，余量为溶剂；所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为90～97。
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