PVA改性无纺布复合膜性能测定.doc
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1、4.3 测试结果分析4.3.1 PVA改性无纺布复合膜性能测定(1)PVA浓度对截留率的影响公称孔径为llmal拘无纺布,在GA浓度(2O州)一定的条件下,经不同PV久浓度改性后,对PAM的截留率和膜通量的影响如图4-3所示。图43PvA浓度对截留率和膜通量的影响由图4.3可知,在GA浓度一定的条件下,随PVM浓度的增大,对PAM的截留率也随之增大,而通量则逐渐减小。这是由于PVA浓度越大,其形成的铸膜液的粘度也越大,意味着有更多的PVA吸附于无纺布内、外表面,形成的边界层越厚,经过交联干燥后的复合层厚度越大,所以导致膜的有效孔径减小,从而使改性无纺布的通量随着PVA浓度的增加而降低,截留率增
2、加,即通量从224Lm2h降至50Lm2h,截留率则从108增加至203。因此通过调整铸膜液中PVA浓度,可得到不同孔径的改性无纺布。(2)GA浓度对截留率的影响公称孔径为lima的无纺布,在PVA浓度(0.5wt)一定的条件下,添加不同浓度的GA进行改性后,对PAM的截留率和膜通量的影响如图4.4所示。图44GA浓度对截留率和膜通量的影响由图44可知,在PVA浓度一定的条件下,GA浓度变化对截留率和膜通量的影响与PVA浓度变化的影响趋势相同,即随GA浓度的增大,截留率也随之增大,而通量则逐渐减小。这可能是由于随着GA浓度的增加,能使更多的PVA分子参与交联反应,在无纺布表面以及孔内表面形成P
3、VA凝胶层(复合层)的密度增加的同时也增加了其厚度,导致改性无纺布的有效孔径减小,通量从225Lm2h降至31Lm2h,而截留率从151增加至353。另外,无纺布表面上PVA凝胶密度的增加能使凝胶网络更加紧密,链长缩短(不易伸缩),在水溶液中的膨胀度变小,这也导致膜通量随着GA浓度的增加而降低。与PVA浓度影响(图43)相比,图44通量降低的幅度和截留率增加的幅度均大于图43,说明GA浓度变化对截留率的影响大于PVA浓度的影响。(3)无纺布公称孔径对截留率及通量的影响公称孔径为1、3、5和10m的无纺布,在PVA浓度为O5wt,GA浓度为20wt的条件下进行改性,基膜公称孔径对改性后无纺布的P
4、AM截留率及通量的影响如图45所示图45基膜公称孔径对截留率和膜通量的影响当基膜公称孔径大于PVA分子时,PVA分子能在基膜孔内表面形成PVA层。对于改性无纺布来说,其纤维交叠形成的空隙大于PVA分子,能在无纺布内部纤维表面覆盖一层交联的PVA层,使改性无纺布的有效孔径远远小于未改性无纺布,从图45可以看出,随着基膜公称孔径的增大,通量从150Lm2h逐渐提高至277Lm2h,而截留率则从167逐渐降低至33。(4)固定度在热处理温度为70、热处理时间为ld时的条件下,PVA浓度及GA浓度对固定度的影响如图46所示。当热处理温度和时间一定时,PVA浓度与GA浓度的大小主要影响交联比。交联比定义
5、为每摩尔的PVA单元所对应的交联剂戊二醛的摩尔数。从图46可以看出,在GA浓度一定时(2Owt),随着PVA浓度的增加固定度明显增大。这主要是由于PVA浓度增大导致铸膜液粘度增加,使PVA更容易吸附沉积在无纺布表面。在PVA浓度一定时(O5wt),增加GA浓度,能使交联比增加,交联度也随之增大。但是交联度增大主要是增加所形成的PVA薄膜的致密度,提高PVA薄膜在水溶液中的稳定性和强度,GA浓度对固定度增加的影响不如PVA明显。图46PvAGA浓度对固定度的影响(5)机械性能高分子材料的机械性能是指在机械作用时的力学性质,包括拉伸、撕裂、压缩、弯曲、扭转、磨擦、磨损、疲劳等作用,是高分子材料的重
6、要物理性质之一。无造布属于高分子材料的织物,影响其机械稳定性的因素很多。织物的拉伸、撕裂等机械性能除了与所用的纤维和纱线性质有关外,也和织物本身的结构特征有关。当所用的纤维和纱线性质相同时,织物的结构不同往往会给机械性能造成很大的差异。织物的纤维和纱线的机械性能主要受纤维内部分子结构的影响:大分子的聚合度、大分子的取向度、纤维的结晶度。另外空气中的温湿度也影响其机械性能。PVA形成的高分子膜,其力学性质主要与主链的化学键和分子间的作用力有关。增加高分子的极性、产生氢键,或者适度的交联都可以提高其力学稳定性对于复合膜来说,界面性质是复合材料的重要因素之一,其存在和作用对复合材料的性能极为重要。特
7、别是对于纤维增强复合材料来说如果没有个有机结合的界面,如果界面不能有效地传递应力则复合材料的力学性质将会变差。膜属于粘弹性体,在压力作用下,膜会发生压缩和剪切蠕变,出现压密现象,结果导致膜通量降低。当压力消失后,再给膜施加相同压力,膜通量也只能出现暂时回升,很快又出现下降。这表明由于膜的蠕变使膜产生几乎不可逆的变形。影响膜蠕变的因素很多,如高分子材料的结构,施加的压力、温度、作用时间、环境介质等。随着时间的增加,膜蠕变继续发展,膜通量会逐渐缓慢下降,直到失去使用价值。通过改变高分子链节结构,在主链中引入刚性的苯环或进行交联,是减少膜蠕变的重要手段,具有高度交联结构的复合膜蠕变很小,压密系数很低
8、,因而膜的透过性能也相当稳定。增加膜机械强度的另一个方法,是将膜直接制作在高强度的支撑材料上,目前作为膜支撑材料的有无纺布、玻璃纤维、涤纶、氯纶、锦纶等。在制膜温度一定时,制膜液浓度是影响制膜液粘度的主要因素,粘度过高或过低都不适合用涂敷法制备复合膜,制膜液浓度高低还影响复合膜的机械性能。改性前后无纺布的拉伸强度及撕裂强度的测试结果分别如图47、48、49所示(PVAGA浓度为零的点代表未改性无纺布),改性无纺布的拉伸强度和撕裂强度均大于未改性无纺布,这主要与改性无纺布表面复合的PVA薄膜以及无纺布的纤维之间充满的PVA凝胶有关。图47PVA浓度及GA浓度对拉伸强度的影响图48PVA浓度及GA
9、浓度对断裂伸长率的影响图49PVA浓度及GA浓度对撕裂强度的影响在PVA浓度为05wt时,从图47、48可以看出,当GA浓度小于25wt时,随着GA浓度的增加,拉伸强度逐渐增大,断裂伸长率逐渐减小;当GA浓度大于25wt时,随着GA含量增加拉伸强度降低,断裂伸长率则有所增加。这是因为当改性无纺布受到拉力时,通过PVA凝胶与无纺布纤维的界面作用,PVA凝胶将载荷传递给纤维,由PVA凝胶和纤维共同承担所受到的拉力。在GA浓度小于25wt时,随着GA浓度的增加,凝胶网中的有效承载网链数目增多,分子间作用力增大,使分子链的柔顺性和大分子链的变形、重排能力下降,分子链松弛过程变得困难,所以拉伸强度随着G
10、A浓度的增大而增强,断裂伸长率则逐渐减小;当GA浓度大于25wt时,随着交联反应的进行,空间位阻增大,支化反应增多,使凝胶网络中的有效承载网链数逐渐减少,分子链的柔顺性以及大分子链的变形和重排能力增强,分子链松弛过程变得容易,所以拉伸强度又开始下降,断裂伸长率开始增加。从图49可以看出,撕裂强度随GA浓度的变化与拉伸强度的变化相似,同样在GA浓度为25wt时达到最大值。这是由于交联反应形成的PVA薄膜覆盖在无纺布表面,使表面能增大,塑性流动过程所需耗散的能量也增大,导致撕裂强度随着GA含量的增大而增强。在GA浓度固定为20wt时,增加PVA的浓度,主要增加凝胶中由于氢键作用而发生的物理交联点数
11、。因此,随着PVA浓度的增加,凝胶和无纺布纤维分散所施加外力的能力也随之增强,因此,拉伸强度随着PVA浓度的增加而增大,断裂伸长率随着PVA浓度的增加而减小。在PVA浓度为08wt时,拉伸强度出现最大值,而断裂伸长率则出现最小值。撕裂强度随PVA浓度的变化与拉伸强度的变化相同,在PVA浓度为08wt时达到最大值。由此可见,PVA改性增强了无纺布的机械性能,但受GA浓度和PVA浓度的限制。1.1 聚乙烯醇的性能聚乙烯醇是一种无色塑胶,由聚乙烯酯(通常为聚乙酸乙烯酯)受酸或碱水解作用而得。完全水解的聚乙烯醇,仍含约5%剩余乙酸基在内。聚乙烯醇的物理性质、抗水性及与韧化剂的混合性等与其水解程度有关,
12、即与其在最终制品中的乙酸基与氢氧基之比例有关。聚乙烯醇对于有机溶剂及气体皆为不透性,亦不能与之混和。除多元醇类、氨醇类以外,对能与水混合的多数溶剂皆能抗耐。完全水解的聚乙烯醇能溶于热水。水解程度愈低,对水的抗力愈大,加入各种添加物亦能增加其抗水性。聚合物粘度可通过调节其最初所用聚乙烯乙酸酯的粘度进行控制。1.1.2 聚乙烯醇的性状 干燥无塑性的聚乙烯醇为有机化合物,白色片状、絮状或粉末状固体,无味,无污染。可在80-90水中溶解,不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等,微溶于二甲基亚砜。聚乙烯醇是重要的化工原料,有良好的耐磨性, 粘结力极强,耐油
13、及化学药品,具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质,用于制造聚乙烯醇缩醛、耐汽油管道和维尼纶合成纤维、织物处理剂、乳化剂、纸张涂层、粘合剂等。 1.3 聚乙烯醇的常用数据比重127131;折光率149153;闪点200;抗张强度53.779抗张强度53.779;伸长率l80250%;抗扯强度高;耐油脂、有机溶剂;耐日光性优良;中毒燃烧性。1.4 聚乙烯醇的水溶性近十几年来,国际市场上PVA作为粘结剂用品种发展很快,而国内这方面的发展较慢,仍以纤维使用为主。在这方面存在如下问题:国内生产的纤维级PVA聚合度很高(1700),醇解度大于99%,由于其侧基H和OH的体积小,可进入结晶点中而不造成
14、应力,故PVA大分子中的羟基之间会以氢键形式相互缔合在一起,大分子之间排列整齐(定向度高),水分子难以进入PVA的大分子之间,而使溶剂化作用困难,水溶性变差。聚乙烯醇的水溶性随其醇解度的高低有很大差别。醇解度为87%89%的产品水溶性最好,不管在冷水还是在热水中它都能很快地溶解,表现出最大的溶解度。醇解度在89%90%以上的产品,为了完全溶解,一般需加热到6070。醇解度为99%以上的聚乙烯醇只溶于95的热水中,而醇解度在75%80%的产品只能溶于冷水,不溶于热水。PVA醇解度降低,溶解性提高,是由于-OCOCH3的增多,进一步削弱了氢键的缔合,破坏了PVA大分子的定向性,从而使水分子容易进入
15、PVA大分子之间,提高了溶剂化作用。但-OCOCH3是疏水性的,它的含量过高会使PVA的水溶性下降,所以当醇解度在66%以下时,水溶性下降,直到醇解度降到50%以下,聚乙烯醇即不再溶于水。因此,从水溶性要求来说,以醇解度为85%88%的PVA为好。另外,随着聚合度的增加,PVA分子链增长,分子之间的作用力增强、缠结增多,使它的水溶性也逐渐降低,溶液黏度增大。1.5 成膜性及粘接力聚乙烯醇(PVA)作为一种水溶性合成粘结剂,它的粘接机理是加热时溶剂挥发,PVA分子紧密接触依靠分子间的吸附作用形成具有一定机械性能的膜,从而发挥黏结剂的性能。因此,PVA碳链的长短及醇解度的大小直接影响着膜的物理机械
16、性能。一般聚合度高,强度大,但目前使用的聚合度1700的PVA有些过高,在实际使用过程中,易起浆皮。另外,PVA的醇解度,因影响着分子中疏水基团含量和分子间氢键的作用大小,所以醇解度的降低,同样会引起膜机械性能的降低。但疏水基团含量的改变,根据“相似相容”原理,它对被粘物的粘接力有所改变。1.6 热塑加工性能聚乙烯醇(PVA)含有大量的羟基,能形成大量的分子内和分子间氢键,其熔融温度与分解温度,非常接近,难以热塑加工。目前市售的PVA膜大多采用流延法生产,但流延法生产周期长、效率低、质量不稳定,工人操作劳动强度大、成本高,从而限制了PVA膜的应用。如果能实现PVA的熔融加工,无疑将在PVA的生
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