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作者：

宋晓玲

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摘要：

地质聚合物(简称地聚物,Geopolymer)是一种由[A104]和[SiO4]四面体构成具有三维非晶结构的铝硅酸盐无机聚合物,主要制备原料为铝硅酸盐矿物及固体工业废弃物等.地聚物具有强度高,耐腐蚀,耐水,耐高温,固封金属离子等许多优点,但其材料最大的缺点是"脆",由此对地聚物进行增韧改性的研究比较活跃. 聚氯乙烯(简称PVC)是五大通用热塑性树脂之一,因其具有柔韧的分子链,优良的综合性能,其材料的应用已涉及到各种领域.如果将高韧性聚氯乙烯树脂与地聚物脆性材料复合,将会大大提高地聚物材料的韧性;同时地聚物的存在也会提高聚氯乙烯树脂的高温稳定性.基于上述思想,本文系统研究了地聚物/聚氯乙烯复合材料的高温制备工艺,并对复合材料的性能进行了表征和应用探索. 研究中采用偏高岭土,水玻璃,片碱等制备纯地聚物,并对地聚物的制备工艺参数进行优化,获得力学性能优良的基体材料;利用聚氯乙烯具有有机高分子柔性分子链特征,通过塑炼压制法对地聚物进行增韧改性.另外,研究中利用地聚物无机刚性粒子和耐高温的优点,经共混法和原位聚合法对PVC进行了改性,并将其研究成果应用于PVC片材的制备中.其研究结果如下: (1)在纯地聚物的制备过程中,研究了地聚物在高温条件下的流变学特性,固化时间,微观结构和力学性能.结果表明,以地聚物的强度为依据,确定了地聚物中各氧化物摩尔比:n(SiO2)/n(Al2O3)=3.3,n(Na2O)/n (SiO2)=0.27,n(H2O)/n(Na2O)=11.0,最佳工艺参数为:水玻璃陈化时间24h,养护温度60℃,养护时间48h等工艺控制条件.由此制备的28d地聚物抗压强度,抗弯强度高达89.63MPa,13.87MPa.高温成型研究结果显示,170℃时,地聚物浆体的初凝和终凝时间分别为11和16分钟,增大水钠比为14后,其浆体的凝结时间延长;升高养护温度可提高地聚合反应速度并缩短浆体的硬化时间;流变性能研究发现在地聚物成型加工中施加一定的剪切力,有利于地聚物材料的流动成型. (2)PVC对地聚物的增韧改性(PVC小于50wt%),是在地聚物网络结构形成之前加入PVC,在塑炼加工作用下使熔融态的PVC分子链与正在发生地质聚合反应的浆料共混,形成互穿网络的地聚物复合材料.通过高温流变学测试,发现当PVC含量小于50wt%时,由于PVC贡献的粘性特征被大量的地聚物贡献的弹性响应掩盖,导致复合材料模量越来越大,整个复合材料表现出地聚物的固体特征.其高温加工成型工艺参数如下:塑炼温度为170℃,塑炼时间为5分钟,塑炼后的薄片在170℃,15MPa的压力下,保温保压7分钟.PVC增韧地聚物复合材料的机械强度检测结果表明,复合材料的抗弯强度随PVC含量的增加而增大,PVC加入量为50wt%时,复合材料的抗弯强度达到67.06MPa,比纯地聚物28d龄期的抗弯强度提高了3.73倍. (3)地聚物增韧PVC的共混改性方法(PVC大于50wt%),则是在地聚物形成的未固化阶段,将正在进行地聚合反应的浆体加入PVC树脂中,在共混物的塑炼压制加工过程中,正在形成的地聚物网络结构与己解缠绕而伸展的PVC分子链之间存在较好的结合,从而增强了地聚物与基体PVC的界面作用.力学性能测试结果表明,与纯PVC相比,地聚物含量在10wt%以内时,复合材料有较好的力学性能,其中以4wt%为最佳,其材料的抗冲击强度达到了9.13KJ·m-2,比纯PVC材料提高了约40%.维卡软化,热重分析,差示扫描量热法表征结果表明,与纯PVC相比较,复合材料的维卡软化温度提高了2-6℃,地聚物的加入对PVC分子链缺陷结构脱HC1具有吸收和抑制的作用,从而提高了地聚物/PVC复合材料的热稳定性. (4)原位聚合法地聚物/PVC复合材料的制备,是将经硅烷偶联剂有机化改性的地聚物和氯乙烯单体,采用倒加料工艺经原位聚合生成地聚物/PVC复合树脂,然后经塑炼压制制备出复合材料.研究了地聚物对悬浮聚合体系的温度,压力,转化率,搅拌电流等参数的影响.力学性能检测结果表明,在地聚物含量为3wt%时,与纯PVC相比,复合材料抗冲击强度提高了59.4%,拉伸强度提高了13.8%,断裂伸长率提高了7.65%.由Kissinger法所计算的热分解活化能表明,原位聚合法地聚物/PVC复合材料和纯PVC材料的反应表观活化能分别为274.78J.mol-1和152.06J.mol-1地聚物/PVC的热分解活化能明显高于PVC的热分解活化能,证明地聚物的引入提高了PVC基体树脂的分解活化能,表明其热稳定性得以提高. (5)在上述研究的基础上,将不同量的地聚物与PVC熟料充分混合后应用到PVC片材的生产过程中,在保证复合材料力学性能的前提下,使复合片材成本大大降低,耐老化性能得到提高.

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关键词：

地聚物 聚氯乙烯 增韧改性 热稳定性 PVC片材

学位级别：

博士

学位年度：

2013

DOI：

10.7666/d.Y2406696

被引量：

5