地聚物-聚氯乙烯復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、地質(zhì)聚合物(簡稱地聚物，Geopolymer)是一種由[AlO4]和[SiO4]四面體構(gòu)成具有三維非晶結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽無機(jī)聚合物，主要制備原料為鋁硅酸鹽礦物及固體工業(yè)廢棄物等。地聚物具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐水、耐高溫、固封金屬離子等許多優(yōu)點(diǎn)，但其材料最大的缺點(diǎn)是“脆”，由此對地聚物進(jìn)行增韌改性的研究比較活躍。聚氯乙烯(簡稱PVC)是五大通用熱塑性樹脂之一，因其具有柔韌的分子鏈，優(yōu)良的綜合性能，其材料的應(yīng)用已涉及到各種領(lǐng)域。如果將高韌性聚氯乙

2、烯樹脂與地聚物脆性材料復(fù)合，將會大大提高地聚物材料的韌性;同時(shí)地聚物的存在也會提高聚氯乙烯樹脂的高溫穩(wěn)定性。基于上述思想，本文系統(tǒng)研究了地聚物/聚氯乙烯復(fù)合材料的高溫制備工藝，并對復(fù)合材料的性能進(jìn)行了表征和應(yīng)用探索。研究中采用偏高嶺土、水玻璃、片堿等制備純地聚物，并對地聚物的制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的基體材料;利用聚氯乙烯具有有機(jī)高分子柔性分子鏈特征，通過塑煉壓制法對地聚物進(jìn)行增韌改性。另外，研究中利用地聚物無機(jī)剛性粒子和

3、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)共混法和原位聚合法對PVC進(jìn)行了改性，并將其研究成果應(yīng)用于PVC片材的制備中。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴在純地聚物的制備過程中，研究了地聚物在高溫條件下的流變學(xué)特性、固化時(shí)間、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，以地聚物的強(qiáng)度為依據(jù)，確定了地聚物中各氧化物摩爾比:n(SiO2)/n(Al2O3)=3.3，n(Na2O)/n(SiO2)=0.27，n(H2O)/n(Na2O)=11.0，最佳工藝參數(shù)為:水玻璃陳化時(shí)間

4、24h，養(yǎng)護(hù)溫度60℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間48h等工藝控制條件。由此制備的28 d地聚物抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度高達(dá)89.63MPa、13.87MPa。高溫成型研究結(jié)果顯示，170℃時(shí)，地聚物漿體的初凝和終凝時(shí)間分別為11和16分鐘，增大水鈉比為14后，其漿體的凝結(jié)時(shí)間延長;升高養(yǎng)護(hù)溫度可提高地聚合反應(yīng)速度并縮短漿體的硬化時(shí)間;流變性能研究發(fā)現(xiàn)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動成型。
　　 ⑵PVC對地聚物的增韌改性(P

5、VC小于50wt％)，是在地聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成之前加入PVC，在塑煉加工作用下使熔融態(tài)的PVC分子鏈與正在發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)的漿料共混，形成互穿網(wǎng)絡(luò)的地聚物復(fù)合材料。通過高溫流變學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVC含量小于50wt％時(shí)，由于PVC貢獻(xiàn)的粘性特征被大量的地聚物貢獻(xiàn)的彈性響應(yīng)掩蓋，導(dǎo)致復(fù)合材料模量越來越大，整個(gè)復(fù)合材料表現(xiàn)出地聚物的固體特征。其高溫加工成型工藝參數(shù)如下:塑煉溫度為170℃，塑煉時(shí)間為5分鐘，塑煉后的薄片在170℃，15MPa的壓

6、力下，保溫保壓7分鐘。PVC增韌地聚物復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度檢測結(jié)果表明，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨PVC含量的增加而增大，PVC加入量為50wt％時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)到67.06MPa，比純地聚物28d齡期的抗彎強(qiáng)度提高了3.73倍。
　　 ⑶地聚物增韌PVC的共混改性方法(PVC大于50wt％)，則是在地聚物形成的未固化階段，將正在進(jìn)行地聚合反應(yīng)的漿體加入PVC樹脂中，在共混物的塑煉壓制加工過程中，正在形成的地聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與已解纏

7、繞而伸展的PVC分子鏈之間存在較好的結(jié)合，從而增強(qiáng)了地聚物與基體PVC的界面作用。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，與純PVC相比，地聚物含量在10wt％以內(nèi)時(shí)，復(fù)合材料有較好的力學(xué)性能，其中以4wt％為最佳，其材料的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到了9.13KJ·m-2，比純PVC材料提高了約40％。維卡軟化、熱重分析、差示掃描量熱法表征結(jié)果表明，與純PVC相比較，復(fù)合材料的維卡軟化溫度提高了2-6℃，地聚物的加入對PVC分子鏈缺陷結(jié)構(gòu)脫HCl具有吸收和抑制的作用

8、，從而提高了地聚物/PVC復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。
　　 ⑷原位聚合法地聚物/PVC復(fù)合材料的制備，是將經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑有機(jī)化改性的地聚物和氯乙烯單體，采用倒加料工藝經(jīng)原位聚合生成地聚物/PVC復(fù)合樹脂，然后經(jīng)塑煉壓制制備出復(fù)合材料。研究了地聚物對懸浮聚合體系的溫度、壓力、轉(zhuǎn)化率、攪拌電流等參數(shù)的影響。力學(xué)性能檢測結(jié)果表明，在地聚物含量為3wt％時(shí)，與純PVC相比，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度提高了59.4％，拉伸強(qiáng)度提高了13.8％，斷裂伸長率

9、提高了7.65％。由Kissinger法所計(jì)算的熱分解活化能表明，原位聚合法地聚物/PVC復(fù)合材料和純PVC材料的反應(yīng)表觀活化能分別為274.78J.mol-1和152.06 J.mol-1，地聚物/PVC的熱分解活化能明顯高于PVC的熱分解活化能，證明地聚物的引入提高了PVC基體樹脂的分解活化能，表明其熱穩(wěn)定性得以提高。
　　 ⑸在上述研究的基礎(chǔ)上，將不同量的地聚物與PVC熟料充分混合后應(yīng)用到PVC片材的生產(chǎn)過程中，在保證復(fù)合