郭森 馬天從 鄒永昆 劉芳 何經(jīng)緯

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510640)

負(fù)壓封閉引流技術(shù)是在引流管外用醫(yī)用泡沫包裹，使泡沫材料成為引流管和被引流腔隙或創(chuàng)面之間的中介，再利用具有生物閥功能的半透性粘貼薄膜封閉被引流區(qū)，使之與外界隔絕，接通高負(fù)壓源(16～60 kPa)，形成一個高效引流系統(tǒng)，及時地清除被引流區(qū)的滲出物［1-2］.隨著負(fù)壓封閉引流技術(shù)的不斷發(fā)展，引流材料的開發(fā)研究也得到更多的關(guān)注.

聚乙烯醇泡沫塑料具有開孔結(jié)構(gòu)豐富、耐磨性和耐候性優(yōu)異、機(jī)械性能高、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，作為負(fù)壓引流材料具有良好的發(fā)展前景.目前，對于聚乙烯醇引流材料的研究大多關(guān)注于生物安全性，對其力學(xué)性能則缺乏研究，而力學(xué)性能是其能否用于負(fù)壓引流材料的關(guān)鍵影響因素之一.為此，文中以聚乙烯醇、甲醛、淀粉、十二烷基磺酸鈉、硫酸為原料，制備負(fù)壓封閉引流聚乙烯醇縮甲醛泡沫材料，研究了表面活性劑等對產(chǎn)品吸水性能、力學(xué)性能等的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇(PVA1799)、可溶性淀粉，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司產(chǎn)品;十二烷基磺酸鈉(SDS)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;甲醛，分析純，廣州化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;BX51型透反兩用研究顯微鏡，奧林巴斯公司生產(chǎn);UT-2080型電腦化拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)，優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn);測厚儀，廣州六菱儀器廠生產(chǎn).

1.2 聚乙烯醇縮甲醛發(fā)泡材料的制備

1.2.1 聚乙烯醇溶液的制備

稱取一定量的聚乙烯醇、可溶性淀粉和水，50℃下攪拌分散，制得聚乙烯醇水溶液，迅速升溫至90～95℃，攪拌糊化淀粉5min，冷卻至室溫備用，得到第一組分.稱取一定量的SDS、甲醛、硫酸，攪拌使SDS完全溶解，得到第二組分.

若無特殊說明，文中的實(shí)驗(yàn)配方為10 g聚乙烯醇、2g淀粉、70mL蒸餾水，1g SDS、10mL甲醛、8mL硫酸.

1.2.2 發(fā)泡成型

在高速攪拌下，將第二組分加入第一組分中，使之迅速發(fā)泡.控制發(fā)泡時間與攪拌速度，得到所需發(fā)泡程度的發(fā)泡體.將發(fā)泡體轉(zhuǎn)移到固化模型中，放入烘箱恒溫加熱固化1～2 h后，從固化模型中取出產(chǎn)品，用蒸餾水反復(fù)洗滌至泡沫很少時為止.在鼓風(fēng)干燥箱(70℃以下)中蒸發(fā)掉大部分水分，再置于真空干燥箱(60℃)中充分干燥后放入干燥器中備用［5-6］.

若不設(shè)計(jì)為變量，則文中的實(shí)驗(yàn)條件均為80℃固化，固化時間為1h.

1.3 性能測試

1.3.1 吸水性能測試

表征具有較高吸水能力材料吸水性能的概念是吸水量，常用吸水率來衡量.吸水率按下式計(jì)算［7］:

其中，Q為吸水率，m1為干燥樣品的質(zhì)量，m2為吸水后的質(zhì)量.

1.3.2 力學(xué)性能測試

拉伸強(qiáng)度和最大應(yīng)變參照GB/T 6344—2008標(biāo)準(zhǔn)，測試在室溫(25℃)、相對濕度60%下進(jìn)行.拉伸強(qiáng)度TS=103×F/A，其中F為最大載荷(N)，A為試樣平均原始橫截面面積(mm2).

斷裂伸長率Eb=(L-L0)/L0，其中L為試樣斷裂標(biāo)距，L0為試樣原始標(biāo)距.

1.3.3 孔徑分析方法

使用顯微鏡放大50倍或100倍后觀察聚乙烯醇發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水性能

文中采用的發(fā)泡方法主要是通過機(jī)械攪拌，將空氣引入聚乙烯醇溶液中，以形成發(fā)泡體.在攪拌速率不變的情況下，起到降低表面張力、防止泡孔破裂、增加泡沫穩(wěn)定性的表面活性劑對泡孔的數(shù)目和孔徑有較大的影響［8］，因此文中主要研究表面活性劑SDS對發(fā)泡材料吸水性能的影響，結(jié)果如圖1所示.

從圖1中可以看出，在一定范圍內(nèi)，SDS的添加量與吸水能力呈正線性相關(guān)，即吸水能力隨SDS添加量增大而直線上升.隨著表面活性劑添加量的增大，相同的機(jī)械攪拌速率下，發(fā)泡度也隨之增加，SDS的添加使溶液的表面張力下降，增加了泡沫的穩(wěn)定性，產(chǎn)生的孔更大，且不易破裂，產(chǎn)品中的泡孔吸附和包容的水也相應(yīng)增加，導(dǎo)致吸水率增大［9］.

圖1 SDS添加量對吸水率的影響Fig.1 Effect of SDS content on the water absorbency

在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，SDS的添加量超過2.0 g后，其在第二組分溶液中接近飽和，難以完全溶解，并且導(dǎo)致發(fā)泡材料力學(xué)性能急劇下降，因此本研究不對更多的SDS添加量影響進(jìn)行分析研究.

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 SDS對發(fā)泡材料力學(xué)性能的影響

SDS的添加量對發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖2所示.

圖2 SDS用量對拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of SDS content on the tensile strength

由圖2可見，當(dāng)SDS添加量小于1.0 g時，發(fā)泡材料的拉伸強(qiáng)度隨著SDS添加量的增加而降低;當(dāng)SDS添加量大于1.0 g后，發(fā)泡材料的拉伸強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，SDS添加量對斷裂伸長率的影響如圖3所示.

由圖3可見，隨著SDS添加量的增加，材料的斷裂伸長率也不斷增加.這可能是由于SDS降低了表面張力，使得泡沫穩(wěn)定性增加，產(chǎn)品的孔洞數(shù)目，孔徑產(chǎn)生了變化，從而使得斷裂伸長率增加［10-11］.

圖3 SDS用量對斷裂伸長率的影響Fig.3 Effect of SDS content on the elongation at break

2.2.2 淀粉對發(fā)泡材料力學(xué)性能的影響

淀粉在發(fā)泡體系中有重要的作用:一方面是致孔劑，在聚乙烯醇溶液尚未縮醛化的時候，淀粉在酸性介質(zhì)中膨脹，占據(jù)體積，而后在固化階段逐漸水解破裂溶出，最終形成孔洞;另一方面，淀粉糊化后增加了體系的黏度，有利于提高發(fā)泡體中泡沫的穩(wěn)定性［12］.淀粉用量對發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖4所示.

圖4 淀粉用量對拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of starch content on the tensile strength

由圖4可見，淀粉添加量過多時，會導(dǎo)致發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度的下降.這可能是由于淀粉的用量增加后，泡沫塑料中微孔的數(shù)目大大增加，導(dǎo)致相同體積中聚乙烯醇材料所占的比例減少，從而使產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度急劇下降.

淀粉用量對發(fā)泡材料斷裂伸長率的影響如表1所示.

由表1可見，不同的淀粉用量對于斷裂伸長率的影響沒有明顯的規(guī)律.與2.2.1節(jié)中SDS對發(fā)泡材料斷裂伸長率的影響相比后，可以推斷淀粉作為致孔劑，對孔洞的影響要小于表面活性劑對孔洞的影響.

表1 淀粉用量對斷裂伸長率的影響Table 1 Effect of starch content on the elongation at break

2.2.3 固化溫度對發(fā)泡材料力學(xué)性能的影響

由于縮醛化反應(yīng)速度隨著反應(yīng)溫度的提高而提高，在固化時間相同的情況下(均為1 h)，不同的固化溫度將影響產(chǎn)品的縮醛度［13］，從而影響產(chǎn)品的拉伸性能.固化溫度對發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖5所示.

圖5 固化溫度對發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of curing temperature on the tensile strength of foma material

由圖5可見，隨著固化溫度的提高，發(fā)泡材料拉伸強(qiáng)度逐漸下降，這可能是由于聚乙烯醇本身對熱的不穩(wěn)定性決定的，也可能是由于溫度過高，甲醛揮發(fā)量較多，縮醛反應(yīng)進(jìn)行不充分導(dǎo)致的［14］.

2.3 泡沫孔徑

2.3.1 攪拌速率對孔徑及其分布的影響

本實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)械攪拌的方法，將空氣打入聚乙烯醇溶液中，形成氣泡.因此，機(jī)械攪拌的速率對氣泡的形成有較大的影響.在其他反應(yīng)參數(shù)相同的前提下，分別在攪拌速率為600、450 r/min的條件下制備兩個發(fā)泡材料樣品，記為樣品F1、F2.不同攪拌速率下制備的樣品的孔徑分布如表2、表3所示.

表2 樣品F1的孔徑分布Table 2 Pore size distribution of sample F1

表3 樣品F2的孔徑分布Table 3 Pore size distribution of sample F2

由表2、表3可以看出，樣品F1的孔徑分布更窄，孔徑普遍小于樣品F2.這表明，使用機(jī)械攪拌的方法發(fā)泡，機(jī)械攪拌速率直接影響到泡沫塑料的孔徑及其均勻性.高速攪拌可以制得孔徑更小、孔徑分布更均勻的發(fā)泡材料［15］.

不同攪拌速率下制備的樣品的顯微鏡分析結(jié)果如圖6所示.由圖可以看出，相比于樣品F2，F(xiàn)1的泡孔直徑更小，分布更均勻.相關(guān)孔徑數(shù)據(jù)見表4.

圖6 不同攪拌速率下制備的樣品的顯微鏡分析結(jié)果Fig.6 Microscopic images of foam material prepared at different stirring rates

表4 不同攪拌速率下制備的發(fā)泡材料的孔徑及其分布Table 4 Pore size and pore size distribution of foam material prepared at different stirring rates

2.3.2 SDS添加量對孔徑及其分布的影響

不同SDS添加量下制備的發(fā)泡材料的顯微鏡分析結(jié)果如圖7所示，孔徑及其分布如表5所示.

圖7 不同SDS添加量下制備的發(fā)泡材料的顯微鏡分析結(jié)果Fig.7 Microscopic images of foam material prepared at different SDS contents

表5 不同SDS用量下制備的發(fā)泡材料的孔徑大小及分布Table 5 Pore size and pore size distribution of foam material prepared at different SDS contents

由圖7和表5可以看出，隨著SDS用量的增加，聚乙烯醇發(fā)泡材料的孔徑也逐漸增大，并且變得更加不均勻.SDS的添加使得溶液的表面張力下降，增加了泡沫的穩(wěn)定性，產(chǎn)生的孔更大，且不易破裂.因此，添加更多的SDS將會保留更多的較大孔洞，最終產(chǎn)品的孔徑分布范圍更大，這也表明SDS可以大大增加發(fā)泡能力［16］.

2.3.3 淀粉添加量對孔徑及其分布的影響

從圖8和表6可以看出，淀粉的添加量增加時，孔徑會相應(yīng)增加.因?yàn)榈矸墼诎l(fā)泡體系中作為致孔劑，在聚乙烯醇縮醛化反應(yīng)之前占據(jù)了一定的空間.當(dāng)縮醛化之后，淀粉又逐漸水解粉碎溶出，形成了聚乙烯醇材料中眾多的空隙和孔洞.一方面聚乙烯醇發(fā)泡材料的泡孔數(shù)目隨淀粉的增加而增，但另一方面視野內(nèi)相同面積內(nèi)的泡孔數(shù)目會因?yàn)榭讖皆龃蠖鴾p少，故視野內(nèi)泡孔數(shù)目與淀粉添加量并無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系.

圖8 不同淀粉添加量下制備的發(fā)泡材料的顯微鏡分析結(jié)果Fig.8 Microscopic images of foam material prepared at different starch contents

表6 不同淀粉用量下制備的發(fā)泡材料的孔徑大小及其分布Table 6 Pore size and pore size distribution of foam material prepared at different starch contents

3 結(jié)論

文中在不同條件下進(jìn)行聚乙烯醇發(fā)泡材料的制備，并就各實(shí)驗(yàn)條件對聚乙烯醇發(fā)泡材料性能的影響進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論:

(1)在一定范圍內(nèi)，材料的吸水性能隨SDS添加量增大而增大;材料的力學(xué)性能隨SDS添加量的增大而趨于穩(wěn)定;隨著淀粉用量的增大和固化溫度升高，材料的力學(xué)性能急劇下降.

(2)高速的攪拌可以制得孔徑更小、孔徑分布更均勻的發(fā)泡材料;SDS用量增大會產(chǎn)生更多的大孔，最終產(chǎn)品的孔徑分布范圍更大.

(3)泡孔數(shù)目與淀粉添加量并無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系.

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