專利名稱：一種利用電場制備聚合物梯度材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種聚合物混合物梯度材料的制備方法，特別涉及一種利用電場作用制備聚合物混合物梯度材料的方法，屬高分子材料技術領域。
背景技術：
隨著材料科學的發展，人們對于制備特殊結構和性質的不均一材料越來越感興趣。自從八十年代在日本及歐洲出現了材料中兩組分組成、結構由材料內部至表面呈梯度變化的新型功能梯度材料以來，由于它能緩和或消除界面應力，并保持混合后材料的整體力學性能，且能最大限度地發揮兩種材料各自的優異特性，因而受到了研究工作者的重視。目前，聚合物混合物梯度材料的制備方法有化學方法和物理方法。
例如Chapiro A.等人在Inter-science，1962.New York.發表的一篇文章“Radiatoin Chemistry of Polymer Systems”中采用控制輻射強度來控制體系交聯反應程度，制成交聯度呈梯度變化的高分子；ShenM和Kawai H.發表在Properties andStructure of Polymeric Alloys.AIChE J.1978，24(1)1~20的文章中通過調節聚合反應單體的化學性質來控制生成的高分子中溶劑的含量，可制成溶脹平衡度呈梯度變化的高分子。現有技術中用化學方法來制備梯度高分子材料有很多種方法，可以直接從分子角度控制體系梯度化，但實施過程都比較復雜。
現有技術中制備梯度材料的物理方法一般有熱處理法，高速剪切流動加工法，拉伸取向法等。Xie X.M.等人發表在Macromolecules，1999，32(13)4424～4429的一篇文章中發現，將均勻混合的聚丙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物(PP/EVAc)(70/30)的共混物，以聚酰亞胺(PI)膜為基板，在200℃下熱處理一小時后，得到EVAc分散相粒子在PP基體中從樣品中心到表面呈梯度變化的共混物樣品。此種方法要求聚合物共混物熔體在一定的基板作用誘導下方可發生。Gezovich D.M.等人在J.Matter.Sci.，1971，6(6)509文章中通過高速剪切流動的方法來使得聚合物共混物分散相粒子尺寸及含量的梯度化。這種方法要求在高速剪切條件下進行，而且梯度化程度不易控制。
發明內容
本發明的目的在于提供一種利用電場制備聚合物梯度材料的方法，其特征在于通過電場對聚合物電解質的誘導作用，使得含聚合物電解質的水溶性聚合物混合物相容體系在水溶液中形成組分梯度，從而制得聚合物梯度材料，該方法按如下步驟進行(1)根據對所制材料的組分及其性能的要求，將所需的一種聚合物電解質和另一種可電離出與其帶相反電荷的大分子離子的聚合物電解質或非電解質聚合物按著一定的百分比混合；(2)將上述混合物共溶于水中，制成均勻的1％-10％的稀溶液；(3)根據對所制材料的薄厚要求，取一定量的上述稀溶液倒入可提供均勻電場的電解池中，并將該電解池置于溫度為20-80℃恒溫環境中；(4)在上述電解池兩端的電極上加10-200V直流電壓，待水溶劑全部電解和蒸發后，斷電、干燥，即可得到組分沿電場方向呈梯度變化的聚合物混合物材料。
上述步驟(3)中，將聚合物稀溶液倒入裝有由Pt絲多次折疊而成的網狀電極或其他片裝電極的電解池中，使其形成均勻電場。
本發明與其它方法相比，可以便捷地得到組分連續變化的聚合物共混物梯度材料。梯度化過程容易控制。可以通過控制電壓大小，溫度高低等條件來方便地得到不同梯度化程度的聚合物共混物材料。經本發明制得的聚合物混合物材料，其組成分布呈連續的梯度變化，具有很多組成均勻分布的材料所不具備的優異性能。
圖1為電解池示意圖，表示出電解池中的電極是用Pt絲多次折疊而成的網狀電極。
圖2為制得的聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)共混物梯度薄膜不同位置的射紅外圖。
具體實施例方式
將配制好的一定量的聚合物混合物稀溶液倒入電解池中，(溶液量依據對材料的厚度要求及電解池的底面積而定)。圖1為電解池結構示意圖。聚合物電解質在水溶液中發生電離，產生帶電荷的聚合物離子。為使電解池兩電極間形成均勻電場，電極1采用將Pt絲多次折疊形成網狀結構，也可以用其它的電極(如片裝電極)代替。在電解池兩端電極1加直流電壓，直流電壓一般為10-200V。在電極附近發生電解反應，產生的氣體從氣泡室2中冒出，4為氣泡隔柵。同時聚合物離子在電場作用下，在遷移室3中由一極向另一極遷移，形成濃度梯度。隨著水溶劑的電解和蒸發，溶液粘度逐漸增大，待溶劑完全蒸干后，斷電、干燥，便得到聚合物組分呈梯度分布的聚合物共混物材料。
圖2是制得的將聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)共混物薄膜不同位置的反射紅外圖。(從上到下分別為1-7)。1-純PAA，2-距正極1.5cm，3-距正極4.5cm，4-距正極7.5cm，5-距正極10.5cm，6-距正極13.5cm，7-純PVA。
實施例1.
將聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)(或用NaOH溶液部分中和的聚丙烯酸鹽)以各種比例混合制成2％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中(電解池的示意圖如圖1)。將電解池置于50℃的恒溫箱中，兩電極間加直流40V電壓。
16小時后樣品溶劑蒸干后，斷電，干燥。取出共混膜用反射紅外沿電場方向對樣品多點進行組成測試，發現了明顯且連續的組分梯度變化。圖2是PVA/PAA(70/30)共混物水溶液溶劑蒸發干燥后，所得共混物薄膜由電場負極到正極各處的反射紅外譜圖。
以羰基在1722cm-1處的吸收峰作為表征PAA含量的特征峰，以PVA中(C-O)在1096cm-1附近的吸收峰作為PVA的定量的特征峰。把PAA的特征峰調至等高，由圖2中可以看出，PVA在1096cm-1處的特征峰的峰高從正極到負極逐漸變高。再結合1350-1125cm-1間峰形的變化可以明顯看出從正極到負極PAA逐漸減少，而PVA逐漸增多的組分梯度變化。表明所得的共混物薄膜組成分布的確呈梯度變化，證明了通過電場誘導制備梯度高分子共混物這一嶄新方法的可行性。
實施例2.
將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯磺酸(或用NaOH溶液部分中和的聚苯乙烯磺酸鹽)(70/30)配制成8％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中(電解池的示意圖如圖1)。將電解池置于30℃的恒溫箱中，兩電極間加直流70V電壓。溶劑逐漸蒸發和電解。待溶劑完全蒸干后，斷電，干燥，得到聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸組成呈梯度變化的共混物膜。
實施例3.
將聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯亞胺鹽酸鹽(60/40)配制成2％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中。將電解池置于60℃的恒溫箱中，兩電極間加直流30V電壓。溶劑逐漸蒸發和電解。待溶劑完全蒸干后，斷電，干燥，得到聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯亞胺組成呈梯度變化的共混物膜。
實施例4.
將聚苯乙烯磺酸(或用NaOH溶液部分中和的聚苯乙烯磺酸鹽)和聚乙烯亞胺鹽酸鹽(50/50)配制成1％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中。將電解池置于40℃的恒溫箱中，兩電極間加直流100V電壓。溶劑逐漸蒸發和電解。待溶劑完全蒸干后，斷電，干燥，得到聚苯乙烯磺酸和聚乙烯亞胺組成呈梯度變化的共混物膜。
實施例5將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯磺酸(或用NaOH溶液部分中和的聚苯乙烯磺酸鹽)(70/30)配制成1％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中(電解池的示意圖如圖1)。將電解池置于80℃的恒溫箱中，兩電極間加直流50V電壓。溶劑逐漸蒸發和電解。待溶劑完全蒸干后，斷電，干燥，得到聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸組成呈梯度變化的共混物膜。
實施例6將聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)(70/30)配制成5％(g/g)的水溶液，取一定量倒入電極材料為Pt的自制電解池中(電解池的示意圖如圖1)。將電解池置于30℃的恒溫箱中，兩電極間加直流170V電壓。溶劑逐漸蒸發和電解。待溶劑完全蒸干后，斷電，干燥，得到聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸組成呈梯度變化的共混物膜。
權利要求
1.一種利用電場制備聚合物梯度材料的方法，其特征在于通過電場對聚合物電解質的誘導作用，使得含聚合物電解質的水溶性聚合物混合物相容體系在水溶液中形成組分梯度，從而制得聚合物梯度材料，該方法按如下步驟進行(1)根據對所制材料的組分及其性能的要求，將所需的一種聚合物電解質和可電離出與其帶相反電荷的大分子離子的另一種聚合物電解質或非電解質聚合物按著一定的百分比混合；(2)將上述混合物共溶于水中，制成均勻的1％-10％的稀溶液；(3)根據對所制材料的薄厚要求，取一定量的上述稀溶液倒入可提供均勻電場的電解池中，并將該電解池置于溫度為20-80℃的恒溫環境中；(4)在上述電解池兩端的電極上加的10-200V直流電壓，待水溶劑全部電解和蒸發后，斷電，干燥，即可得到組分沿電場方向呈梯度變化的聚合物材料。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于上述步驟(3)中，將聚合物稀溶液倒入裝有由Pt絲多次折疊而成的網狀電極或其他片裝電極的電解池中，加電壓后使其形成均勻電場。
全文摘要
一種利用電場制備聚合物梯度材料的方法,該方法將一種聚合物電解質和可電離出與其帶相反電荷的大分子離子的另一種聚合物電解質或非電解質聚合物按一定比例共溶于水制成稀溶液,將一定量的該溶液倒入可形成均勻電場的電解池中,聚合物電解質在水溶液中將發生電離,產生帶電荷的聚合物離子。同時聚合物離子在電場作用下,在遷移室中由一極向另一極遷移,形成濃度梯度。隨著水溶劑的電解和蒸發,聚合物混合物的組分將沿電場方向逐漸呈現出梯度,待水全部電解和蒸發,即可得到組分連續變化的聚合物共混物梯度材料。本發明與其它方法相比,可以便捷地得到組分連續變化的聚合物共混物梯度材料,梯度化過程容易控制。可以通過控制電壓大小,溫度高低等條件來方便地得到不同梯度化程度的聚合物共混物材料。
文檔編號C08J3/28GK1339520SQ01136038
公開日2002年3月13日 申請日期2001年9月29日 優先權日2001年9月29日
發明者孔祥明, 李治, 謝續明 申請人:清華大學