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摘 要

本课题拟利用冷冻法来制备PVA/BN复合材料，并对PVA/BN复合材料进行冷冻干燥。分别研究了8 w/v%， 10 w/v%， 12 w/v%的 PVA浓度；10:1,10:2,10:3的PVA/BN质量比；0.1～1μm，5～10μm，10～15μm的BN粒径对复合材料的孔特性的影响。经过SEM分析，在PVA浓度10 w/v%，PVA/BN质量比为10:2时，材料的形貌最好，形成类似六边形的尺寸，有利于各个方向的导热通路。经FTIR分析，不同的量BN和不同尺寸的BN在10%的PVA中没有基团变化，这个浓度下PVA和BN之间没用量和尺寸的影响。此外，我们发现BN对形成多孔结构没有影响，但会影响形貌。

关键词：聚乙烯醇 氮化硼 多孔材料

Study on the preparation of polyvinyl alcohol / boron nitride composite porous materials by freeze drying

Abstract

In this study, PVA/BN composites were prepared by freezing method, and the PVA/BN composites were frozen and dried. The effects of PVA concentration of 8 w/v%, 10 w/v%, 12 w/v% ,PVA/BN mass ratio of 10:1,10:2,10:3 and BN particle size of 0.1 ~ 1μm, 5 ~ 10μm, 10 ~ 15μm on the pore properties of the composites were studied respectively. By SEM, when the PVA concentration and PVA / BN mass ratio is 10 w/v% and 10:2, the morphology of the material is the best, forming a hexagonal shape in favor of thermally conductive pathways in all directions. By FTIR, different amounts of BN and different sizes of BN have no group changes in the PVA of 10%. There are no dosage and size effects between PVA and BN at this concentration. Besides, we found that BN has no effect on the formation of porous structure, but it can affect the morphology of the porous structure.

Keywords: Polyvinyl alcohol; boron nitride; porous material

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 聚乙烯醇 1

1.1.1 有机高分子材料复合 1

1.1.2 无机材料复合 2

1.2 导热填料 2

1.2.1.导热非绝缘填料 3

1.2.2导热绝缘填料 3

1.3 氮化硼 4

1.3.1 氮化硼（BN） 4

1.3.2 氮化硼复合材料 5

1.4 导热机理 6

1.5 问题的提出 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料及设备 8

2.2 实验过程 8

2.2.1 配制PVA溶液 8

2.2.2 多孔PVA/BN复合材料的制备 8

2.3 样品测试 8

2.3.1扫描电子显微镜(SEM) 8

2.3.2傅里叶变换红外光谱(FTIR) 9

2.3.3 X-射线衍射(XRD) 9

2.3.4 孔隙率测试 9

2.4 结果与分析 9

2.4.1 SEM分析 9

2.4.2 FTIR分析 14

2.4.3 XRD分析 16

第三章 结论与展望 18

3.1 结论 18

3.2 展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 绪论

1.1 聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVA）是一种线性合成高分子，普遍外观为白色片状、絮状或者粉末状固体，无味，易溶于水（95℃以上），不溶于甲苯，石油醚，汽油，四氯化碳，乙二醇等有机溶剂，微溶于二甲基亚砜。PVA是重要的化工原料，全世界PVA的年产量大约有650000吨^[1]，需求量可观。PVA一般的制备方法：使用碱液醇解聚醋酸乙烯酯制得PVA。聚醋酸乙烯酯醇解前的分子链长度和酸碱条件不同会导致醇解度的不同，使得制得的PVA有着不同的羟基含量，PVA的物理性能很大程度受其影响，比如分子量，亲水性，溶解度和黏度。PVA的物理性能之间可以相互联系。一般情况下，溶解度随着分子量的增大而减小;PVA的亲水性及溶解度随着羟基量的增加而增加。PVA优点很多，无毒性，良好的生物相容性和成膜性，以及优秀的亲水性^[2]，因而被广泛应用于涂料，纺织等领域。但是，PVA较差的导热性能大大限制了它的应用。为了提升PVA的导热性能，使其应用更为广泛，许多研究者将其改性，研究的方向大致分为有机高分子复合和无机材料复合这两种。

1.1.1 有机高分子材料复合

PVA为热塑性高分子，在工业上有着良好的加工工艺。然而较高的成本，很差的耐水性以及缓慢的降解速率限制了它的应用。将其与其他高分子复合可以有效降低成本，提高耐水性、热稳定性、生态友好性，降低溶胀性能，成功拓宽了PVA在其他领域的应用。

例如，Kanimozhi等人^[3]在制备包含不同木质素的PVA/壳聚糖复合仿生多孔支架时通过冷冻干燥的方法，成功提高的PVA的热稳定性，而且加快了它的降解速率。研究中，引用进PVA/壳聚糖的木质素有效降低了结晶度，提高了热稳定性，降低了玻璃化转变温度（Tg）。

另外，Yan等人^[4]为了改良PVA的耐水性能，将聚丙烯酸与PVA混合，在120℃下进行3h的热处理，两者反应后,将制备得到的材料浸入水溶液,材料表现得非常稳定,呈现出良好的耐水性。

Zhai等人^[5]研究发现，由于淀粉的亲水性较差，利用γ和电子束辐照处理在室温下可以制得PVA/淀粉混合水凝胶，对比纯PVA水凝胶，制得的水凝胶的溶胀性能降低，制得的水凝胶力学性能明显下降了。

1.1.2 无机材料复合

高分子材料分散无序的非晶结构，热量在其中传递受到很多阻碍，导致绝大多数高分子材料的导热性比较差。因此，和大多数的高分子一样，PVA的导热性能也很差，极大的限制了其在导热领域的应用。目前，提高高分子材料的导热性有很多种途径，通过向基体中添加具有高导热性的填料的方法制备填充型高分子复合材料在很多研究中是被证实可行且有效的。

Xie等人^[6]研究隐晶质石墨/PVA复合材料，他们填充不同含量隐晶质来观察对复合材料的影响，根据导热网链理论^[7]分析，发现隐晶质石墨(cryptocrystalline graphite)含量越高，包覆这些隐晶质石墨的PVA膜厚度会越小，因而，随着单位体积内的隐晶质石墨颗粒变多，颗粒越来越聚集，导热网链密集程度相应增加，从而导致热量传递的阻碍和声子的散射减小。在PVA与隐晶质石墨之间，热量传递阻碍减小，热传递效率增加，并且气孔减小；热量在气孔与隐晶质石墨之间的传递效率增强，因而使得整体的隐晶质石墨/PVA复合材料的热导率和热扩散系数得到显著提高。研究中，石墨含量大于89%后，复合材料的热导率随着含量增加而增加。

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