Достижения в области исследований модифицированных мембран из поливинилспирта

Поливиниловый спирт (ПВА) — популярный водолюбивый полимерный мембранный материал. Он широко применяется в пищевой упаковке, первапорации и очистке сточных вод, поскольку химически стабилен, устойчив к кислотам и щелочам, легко образует плёнки и безопасен в использовании. Многочисленные гидроксильные группы обеспечивают ему хорошие водолюбивые и противообрастающие свойства. Однако эти же группы создают два основных недостатка: он не очень прочный и плохо удерживает воду. Это означает, что он может набухать или даже растворяться в воде, что ограничивает область его применения.

Чтобы решить эти проблемы, ученые пытались изменить мембраны ПВС, смешивая их с другими материалами, формируя нанокомпозиты, нагревая их, химически сшивая их или используя сочетание этих способов.

1. Физическая модификация: повышение функциональности и силы

Методы физической модификации, такие как смешивание и нанокомпозиты, популярны из-за своей простоты и возможности масштабирования для промышленного производства.

1.1 Модификация смешивания

Комбинирование компонентов для создания плёнок из ПВА предполагает смешивание материалов, которые хорошо работают и хорошо смешиваются с ПВА для создания плёнок. Например, часто используется хитозан (ХЗ). Его преимущество заключается в том, что он придаёт плёнкам ПВА отличные бактерицидные свойства, эффективно блокируя или даже уничтожая кишечную палочку и золотистый стафилококк. Это помогает Пленка поливинилспиртовая (пленка ПВА) Его можно использовать, например, в кровоостанавливающих повязках. Однако добавление присадочных материалов иногда может снизить исходные механические свойства поливинилацетатной пленки, что делает баланс между функциональностью и механической прочностью ключевой проблемой при таком подходе.

1.2 Модификация нанокомпозита

Модификация нанокомпозитов использует уникальные поверхностно-фазные эффекты наноразмерных наполнителей (таких как нанолисты, наностержни и нанотрубки), влияющие на внутреннюю структуру пленок ПВС на молекулярном уровне. Даже небольшое количество наполнителя позволяет значительно повысить механическую прочность и водостойкость пленок ПВС, а также улучшить их электропроводность, теплопроводность и антимикробные свойства.

• Биополимерные наноматериалы: Добавление наноцеллюлозы (CNC/CNF) и нанолигнина (LNA) может улучшить механические свойства пленок ПВС, поскольку они биосовместимы и обладают хорошими механическими свойствами. Было показано, что межмолекулярные водородные связи между этими материалами повышают прочность на разрыв и гибкость пленок ПВС. Нанолигнин, в частности, значительно повышает прочность пленок ПВС и их устойчивость к разрыву. Он также улучшает их способность блокировать водяной пар и ультрафиолетовое излучение, что делает их более подходящими для упаковки пищевых продуктов.
• Наноматериалы на основе углерода: Графен, оксид графена (GO) и углеродные нанотрубки (CNT) обладают исключительно высокой механической прочностью и превосходной электро- и теплопроводностью. GO может образовывать множественные водородные связи с PVA, повышая как механическую прочность пленки, так и водостойкость. Например, добавление бычьего сывороточного альбумина к наночастицам SiO₂ (создание SiO₂@BSA) может более чем вдвое увеличить прочность на разрыв и модуль упругости пленок PVA по сравнению с использованием пленок из чистого PVA. Наноматериалы на основе кремния: наночастицы кремния (SiO₂NP) и монтмориллонит (MMT) могут эффективно улучшать механические свойства и термическую стабильность пленок PVA. Например, наночастицы SiO₂, модифицированные бычьим сывороточным альбумином (SiO₂@BSA), могут увеличить прочность на разрыв и модуль упругости пленок PVA более чем вдвое по сравнению с чистыми пленками.
• Наночастицы металлов и оксидов металлов: Наночастицы серебра (AgNP) придают пленкам ПВС отличную электропроводность и антибактериальные свойства; наночастицы диоксида титана (TiO2NP) значительно усиливают фотокаталитическую активность пленок ПВС, реагируя с гидроксильными группами молекулярных цепей ПВС, что демонстрирует большой потенциал для очистки сточных вод.

2. Химические и термодинамические подходы: создание стабильной структуры

2.1 Химическая сшивка

Химическая сшивка заключается в использовании многочисленных гидроксильных групп в боковых цепях поливинилового спирта для взаимодействия со сшивающими агентами (такими как двух-/многоосновные кислоты или ангидриды) с образованием устойчивой химической (эфирной) связи между полимерными цепями. Этот метод позволяет более последовательно улучшать механические свойства и водостойкость пленки поливинилового спирта, значительно снижая ее растворимость в воде и набухание в воде. Например, использование глутаровой кислоты в качестве сшивающего агента может одновременно повысить прочность на разрыв и относительное удлинение при разрыве пленки поливинилового спирта.

2.2 Модификация термообработки

Термическая обработка контролирует движение молекулярных цепей ПВС путем регулирования температуры и времени, оптимизируя внутреннюю структуру и повышая кристалличность.

• Отжиг: Выполняемая выше температуры стеклования, она увеличивает кристалличность пленки ПВС, тем самым повышая ее механическую прочность и водостойкость.
• Цикл замораживания-оттаивания: При низких температурах образуются зародыши кристаллов, и размораживание способствует их росту. Образующиеся микрокристаллы служат точками физической сшивки полимерных цепей, значительно повышая механическую прочность и водостойкость пленки. После нескольких циклов прочность на разрыв пленки ПВС может достигать 250 МПа.

3. Синергетическая модификация: на пути к высокопроизводительному будущему

Метод модификации одним методом часто не в состоянии полностью удовлетворить сложные эксплуатационные требования к пленкам ПВС в практических применениях. Одновременно повысить прочность и ударную вязкость сложно. Поэтому ключевым подходом является использование двух нанонаполнителей или методов, которые хорошо работают вместе. Это позволяет создавать пленки ПВС, обладающие превосходными характеристиками во всех областях. Например, сочетание химической сшивки с нанокомпозитами в настоящее время является одной из наиболее перспективных стратегий. Исследования показали, что синергетическая модификация пленок ПВС с использованием янтарной кислоты (SuA) в качестве сшивающего агента и нановискеров бактериальной целлюлозы (BCNW) в качестве армирующего наполнителя значительно повышает прочность на разрыв и водостойкость, эффективно компенсируя недостатки методов модификации одним методом.

4. Заключение и перспективы

Значительный прогресс был достигнут в модификации пленок поливинилового спирта (ПВС). Благодаря комбинированному применению различных методов, включая физическую, химическую и термическую обработку, механические свойства, водостойкость и многофункциональность пленок ПВС значительно улучшились. Это значительно расширило практическое применение модифицированных мембран ПВС в таких областях, как водоочистка, упаковка пищевых продуктов, оптоэлектронные устройства и топливные элементы.

Заглядывая вперед, исследования модифицированных ПВС-мембран (таких как Модифицированный ПВА 728Ф) сосредоточится на следующих аспектах:

• Синергетическая модификация: Дальнейшее изучение оптимального синергетического эффекта химической сшивки и нанокомпозитов для разрешения конфликта между потоком проницаемости и селективностью мембранных материалов и достижения синергетической оптимизации множества свойств.
• Функциональное расширение: Мы планируем продолжить работу над пленками PVA, придав им новые функции, такие как самовосстановление и интеллектуальные реакции, чтобы их можно было использовать в более сложных ситуациях.

Благодаря использованию природных преимуществ ПВС и передовых процессов модификации пленки из поливинилспирта, вероятно, найдут еще более широкое применение в области высокопроизводительных полимерных материалов.

Веб-сайт: www.elephchem.com

Вотсап: (+)86 13851435272

Электронная почта: admin@elephchem.com