CN110041011A - 一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法，由1%‑4%聚乙烯醇及99%－96%的无机物填充料组成。材料防水、不燃具有10MPa以上的抗折强度、2GPa‑5GPa的弹性模量，可以连续挤出生产。并且使用工业固废为填充料。生产过程具有低能耗无废气、废水、废渣排放。材料不含有害人体物质，可有效利用工业固废。产品具有成本优势和环保优势。

Description

一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法

技术领域

一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法，由1%-4%聚乙烯醇及99%－96%的无机物填充料组成。材料防水、不燃具有10MPa以上的抗折强度、2GPa-5GPa 的弹性模量，可以连续挤出生产。并且使用工业固废为填充料。生产过程具有低能耗无废气、废水、废渣排放。材料不含有害人体物质，可有效利用工业固废。产品具有成本优势和环保优势。

背景技术

加大无机填料比例提高强度和弹性模量、降低生产成本是塑料型材领域的热点技术。例如PVC行业以碳酸钙、粉煤灰为填料增加强度降低生产成本经过对配方改进、填料表面改性、工艺和设备改进填充料的添加量不断提高到80％以上。但伴随而来的塑化困难，设备快速磨损以及添加剂毒性等诸多问题，同时强度和弹性模量也偏离需求区间，逐渐失去应用价值。因此在高分子行业无机填料超过90%的非常罕见。工业固废中有很多可以产生水化反应，在水中溶解并且再结晶形成强度的材料，这些材料可以作为填料使用。但在高分子材料领域都被忽视，或是没有被利用，究其原因在热塑性材料塑化成型过程中很难引入水的成份。聚乙烯醇PVA是可溶于水的少数塑料之一，由于其无色无味可降解等优点被广泛应用在医疗卫生、环保等行业如PVA海绵、可降解地膜、可降解包装等。由于PVA的水溶性特征作为板材、型材使用是没有意义的。交联PVA虽然在水溶性上有大幅度提升但也失去了材料水溶性特征，更容易被其他材料替代。在建筑行业用聚乙烯醇溶液或聚乙烯醇缩甲醛作为建筑胶水使用，应用在施工和涂料等行业但快速被各种乳液和可再分散胶粉替代。在建筑材料中用PVA作为粘接剂、改性剂的报道很多，但因耐水性差、有甲醛释放、效果不明显等原因被胶粉和各种乳液替代，因此广泛应用的并不多。聚乙烯醇PVA虽然可以引入水成份但这种可逆性又带来材料的耐水性问题，交联聚乙烯醇可以解决耐水性问题但交联剂等成份严重影响无机材料的水化反应，而且不可控，很难做到交联与水化反应同步。为了达到10MPa以上强度和2GPa-5GPa弹性模量需要填料形成完整的水化结晶体与穿插的完整的聚乙烯醇交联体并形成理想的三维结构，而这种不同步导致填料水化结晶被交联体阻断或交联体被结晶体阻断，无法形成完整的结构。这种不同步制造的麻烦和对强度的破坏是致命的，因此上述理论成立但在实验中往往都是失败。

发明内容

以可控辐射功率的辐射设备，实现聚乙烯醇交联反应可控，并能够跟随填料的水化反应形成同步，从而得到水化结晶体与穿插的完整的聚乙烯醇交联体形成理想的三维结构是本技术方案的核心。研究了100秒到100毫秒周期的方波、三角波、双辐射管正弦波控制的辐射功率输出。研究了2450MHz、900MHZ微波及780nm－3um波长的近红外光波都能得到理想的三维结构。研究了炉渣、粉煤灰、煤矸石、电石渣、固废石膏、硅灰的水化反应和部分组合物的水化同步反应，确定了15W/Kg－1.5KW/Kg的辐射功率定义域。研究了聚乙烯醇对上述填料水化的影响及对整体材料物理指标影响，确定了聚乙烯醇溶液浓度在1%-8%，聚乙烯醇总量占比在1%－4%能得到物理指标和经济指标都较为理想的材料。研究了辐射前对胚体的基本要求：它必须是分散良好均质的原料混合体，总体水量应符合填料水化反应需求，且胚体平整度、光洁度、外形必须符合要求，选择了平行双螺杆挤出机完成混合塑化，螺杆长径比在32：1以上，并且有两个以上塑化段，得到了理想的混合料，经模口挤出得到了符合基本要求的胚体。照射前原料是分散均匀的水、聚乙烯醇、无机填料，经辐射、脱水、熟化后得到了填料水化反应完整，结晶良好且搭接正常的填料水化反应体与交联完整搭接正常的聚乙烯醇交叉形成的三维结构。实现了无机填料90%以上并保留塑料才有的10Mp以上抗折强度和2GPa-5GPa弹性模量的高无机物填充的交联聚乙烯醇材料。

该材料由溶液制备、混合挤出成型、辐射交联、脱水熟化4个工艺步骤完成制备。具体⑴溶液制备：在水浴反应器或常压反应釜中加入聚乙烯醇1质量份，水11.5－99质量份，充分搅拌后加温到95℃以上2小时得到充分溶解的聚乙烯醇溶液，降温后备用。⑵混合挤出成型：在双螺杆挤出机中完成，将上述制备冷却完成的液体1质量份与3-8质量份的无机填充料加入双螺杆挤出机完成混合塑化后经模口挤出成型，具体的无机填充料是炉渣、粉煤灰、煤矸石、电石渣、固废石膏、硅灰的一种或一种以上的组合。⑶辐射交联：对上述材料以15W/Kg-1.5KW/Kg的辐射功率照射，具体的辐射是2450MHz的微波或780nm到3um波长的近红外光波。⑷脱水熟化：自然干燥或80℃以下烘干并且放置24小时以上。

实例一

聚乙烯醇100g加水2400g搅拌均匀充分溶胀后升温到95℃以上2h得到聚乙烯醇溶液，冷却后备用；取煤矸石1000g硅灰2000g电石渣1000g加水6000g在95℃条件下反应2小时取出后离心脱水烘干备用。取上述液体200g上述粉体800g及80g带有乙烯基的玻纤加入双螺杆挤出机挤出10mm厚度板材，将上述板材放入2450MHz微波中调功率15W照射48小时再经80℃4小时烘干得到板材，静置24小时后经检测抗折强度11.5MPa，弹性模量3600MPa。

实例二

聚乙烯醇100g加水2400g搅拌均匀充分溶胀后升温到95℃以上2h得到聚乙烯醇溶液，冷却后备用；取磷石膏3000g加温到200℃经30分钟脱水后取出冷却备用。取上述液体300g上述粉体1000g及90g带有乙烯基的玻纤加入双螺杆挤出机挤出10mm厚度板材，将上述板材静置5分钟后放入900nm波长上下各300W的近红外辐射环境照射10分钟，再经80℃4小时烘干得到板材，静置24小时后经检测抗折强度15.2MPa，弹性模量3200MPa。

实例三

聚乙烯醇100g加水2400g搅拌均匀充分溶胀后升温到95℃以上2h得到聚乙烯醇溶液，冷却后备用；取炉渣2000g粉煤灰2000g电石渣1000g共混磨细到100目加水9000g在80℃水浴中反应72小时取出后离心脱水烘干备用。取上述液体500g上述粉体2500g及200g带有乙烯基的玻纤加入双螺杆挤出机挤出10mm厚度板材，将上述板材放入1.2um波长上下各60W的近红外辐射环境照射24小时，再经80℃4小时烘干得到板材，静置24小时后经检测抗折强度20.2MPa，弹性模量4200MPa。

以上实例只是本发明的一个具体方案，并不代表发明全部内容。本发明权利见《权利要求书》。

Claims (2)

1.一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法，其特征是该材料具有10Mp以上的抗折强度、2GPa-5GPa 的弹性模量，材料由1wt%-4wt%的聚乙烯醇和90wt%以上的炉渣、粉煤灰、煤矸石、电石渣、固废石膏、硅灰无机物填充料组成，经双螺杆挤出机混合塑化挤出成型，再经辐射交联制备。

2.根据权利要求1，一种高无机物填充的辐射交联聚乙烯醇材料及制备方法具体由：⑴溶液制备：在水浴反应器或常压反应釜中加入聚乙烯醇1质量份，水11.5－99质量份，充分搅拌后加温到95℃以上2小时得到充分溶解的聚乙烯醇溶液，降温后备用；⑵混合挤出成型：在双螺杆挤出机中完成，将上述制备冷却完成的液体1质量份与3-8质量份的无机填充料加入双螺杆挤出机完成混合塑化后经模口挤出成型，具体的无机填充料是炉渣、粉煤灰、煤矸石、电石渣、固废石膏、硅灰的一种或一种以上的组合；⑶辐射交联：对上述材料以15W/Kg－1.5KW/Kg的辐射功率照射该材料，具体的辐射是900MHz－2450MHz的微波或780nm－3um波长的近红外光波；⑷脱水熟化：自然干燥或80℃以下烘干并且放置24小时以上完成。