论文摘要
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。