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第四章 不同反應條件對 PVFM 負壓滲水性能的影響

聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料親水性好，有關研究表明，特定的聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料有一定的微孔結構（Gregg S J et al.，1967），能夠產生一定的進氣值并具有滲水性能，可以在負壓灌溉中使用。然而微孔結構又受反應條件影響，最終導致進氣值以及滲水性能發生變化。在 PVA 與甲醛的縮聚反應中，反應時的溫度、攪拌機轉速、保溫時間等，都會影響產品質量（張媛，2005；姜玉，2011）。

本試驗以反應溫度、反應時間、攪拌機轉速為試驗因素，以 PVFM 的表觀密度、吸水倍率、孔隙率、發泡點以及滲水速率為考核指標，設計完全試驗來優選制備 PVFM 的最佳反應條件，篩選出 PVFM 作為負壓滲水材料制備的最優反應條件。

4.1 試驗設計

進行完全試驗設計來優選合成 PVFM 負壓滲水材料。在試驗過程中，確定出主要反應條件為反應溫度、反應時間、攪拌機轉速，表 4.1 為完全試驗的因素水平表。根據因素水平制備 PVFM材料，倒入不同模具固化后得到不同規格的 PVFM 材料。以 PVFM 負壓滲水材料的進氣值以及不同負壓下的滲水速率作為考核指標，結果分析如表 4.2、表 4.3 所示。制得長度 15cm，內徑為1cm，外徑為 3cm，一端封閉的中空管狀灌水器。

表 4.1 完全試驗因素水平表

4.2 結果分析

4.2.1 不同反應條件對表觀密度、吸水倍率、孔隙率的影響

由表4.2可以看出，不同反應條件對三個參數的影響均無顯著性差異，從極差來看，不同反應條件并沒有使三個參數的數據產生較大波動，不同反應條件使得孔隙率的數據波動最小。當反應溫度達到70℃時，材料已無法均勻固化成型，因此沒有測定數據。從反應溫度對表觀密度、吸水倍率、孔隙率三者的影響看，溫度為55℃時表觀密度、吸水倍率、孔隙率的平均水平均為最高，40℃時次之。從反應時間對表觀密度、吸水倍率、孔隙率三者的影響看，反應時間為10h時，表觀密度最大，14h時的次之，反應6h的最??；吸水倍率隨著反應時間的增大而提高，反應時間14h時，吸水倍率最大，反應6h時最??；孔隙率在反應時間為6h時最低，10h與14h下的孔隙率基本一致。從攪拌機轉速對表觀密度、吸水倍率、孔隙率的影響看，表觀密度在轉速2000r-min-1時最大，轉速1000r-min-1時次之，轉速1500r-min-1時最??；吸水倍率在攪拌機轉速為1500r-min-1時最大，轉速在1000r-min-1次之，轉速在2000r-min-1時最??；孔隙率隨著攪拌機轉速的增加而減小，即在攪拌機轉速1000r-min-1時孔隙率最大，轉速2000r-min-1時孔隙率最小。

由此可見三個條件在反應溫度上表現一致，均在55℃時數值最高，但在反應時間與攪拌機轉速上表現不同，反應時間≥10h時三者表現均較好，但攪拌機轉速的影響卻因不同的指標而有差異。

表 4.2 表觀密度、吸水倍率、孔隙率的試驗結果與分析

4.2.2 不同反應條件對發泡點及供水速率的影響

進一步對所制PFVM滲水器的負壓滲水性能進行測定，結果如表4.3，可知，不同因素對發泡點和供水速率的影響不同，對于不同反應條件對發泡點數據引起的波動而言，反應時間>攪拌機轉速>反應溫度，對-5kPa下滲水速率數據引起的波動，反應溫度>反應時間>攪拌機轉速，對-10kPa下滲水速率數據引起的波動，反應時間>反應溫度>攪拌機轉速。從反應溫度對發泡點和負壓下對土壤供水速率的影響看，發泡點在不同溫度下無顯著性差異，僅從均值上可以看出55℃發泡點的平均水平較40℃高，但負壓下的供水速率在55℃與40℃有極顯著差異，說明溫度為55℃時能夠使供水速率明顯提高。反應時間對發泡點和供水速率的影響均無顯著性差異，從均值看，反應10h時，樣品的發泡點值最高，反應6h的次之，反應14h的最??；供水速率隨反應時間的增加而提高，反應時間14h時-5kPa及-10kPa下對土壤的供水速率達到最高，6h的供水速率最慢。攪拌機轉速對發泡點及不同負壓下的供水速率也無顯著性影響，發泡點值隨著攪拌機轉速的增加而降低，從均值看，當轉速1000r-min-1時最高，2000r-min-1時最低；-5kPa下的供水速率隨著攪拌機轉速的升高而降低，即在1000rmin-1時供水速率最快，在2000r-min-1時供水速率最慢，但-10kPa下的供水速率則表現為轉速1500r-min-1時最高，轉速2000r-min-1時次之，轉速1000r-min-1時最低。

由此可見，三個反應條件對發泡點以及負壓下對土壤的供水速率也沒有一致的表現，總體來說，反應溫度55℃時，或者反應時間≥10h，或攪拌機轉速≤1500r-min-1時，PVFM的發泡點及對土壤的供水速率均有較好表現。

表 4.3 發泡點及供水速率的試驗結果與分析

4.2.3 不同反應條件下四種 PVFM 樣品性能的比較

由上文可以看出，當反應條件為溫度 55℃、反應時間 10h 和 14h，攪拌機轉速 1000r-min-1和1500 r-min-1時，上述五個指標均有較好表現，因此進行 1×2×2 的完全實驗設計，反應條件如表4.4 所示。重點對這四種條件下的樣品進行發泡點和負壓下累積入滲量的測定，結果如圖 4.1 圖4.2 所示。由圖 4.1 可以看出，14 號 PVFM 樣品的發泡點值最高，為 55.98kPa，11 號樣品次之，為 53.31kPa，12 號樣品的發泡點值最低，為 41.32kPa，可見反應溫度 55℃、反應時間 10h、攪拌機轉速為 1500r-min-1的反應條件下，所制得樣品的發泡點值最高。由圖 4.2 可以看出，-5kPa 時入滲 100min 時，12 號樣品的累積入滲量最高，為 0.23L，14 號樣品的累積入滲量次之，為 0.18L，11 號、15 號樣品的累積入滲量最低，約為 0.14L；-10kPa 時 14 號與 15 號樣品的累積入滲量曲線趨勢相似，入滲 300min 的累積入滲量約為 0.10L，其余 12 號與 11 號樣品 300min 內的累積入滲量均低于 0.06L。綜合看來，只有當反應溫度 55℃、反應時間 10h、攪拌機轉速為 1500r-min-1時，PVFM 的發泡點值與累積入滲量均達到較高水平。

表 4.4 四種 PVFM 樣品的反應條件

圖 4.1 不同反應條件下四種樣品發泡點的比較

圖 4.2 四種樣品-5kPa 及-10kPa 下累積入滲量的比較

4.3 討論

在化學反應中，反應條件是影響反應進展的關鍵因素。常見的影響影響因素有濃度、反應時間、反應溫度、催化劑、物理攪拌、pH 等（陳甘棠，2007）。增加反應物濃度是增加了活化分子數目，但是活化分子的百分數沒有改變。增加反應時間提高物料轉化率但降低反應選擇性，對可逆反應來說有利于生成熱力學穩定性高的產物，但是反應時間過長也會導致副反應增加，在生成聚乙烯醇縮甲醛的反應中，為了保證聚乙烯醇與甲醛充分地交聯，生成網狀結構，因此需要較高的保溫反應時間。反應溫度的影響比較復雜，它主要是增加活化分子的百分數來提高反應速率，升高溫度有利于提高吸熱反應的平衡常數，但對于放熱反應來說，并不是溫度越高越好，有關研究表明，對于甲基丙烯酸甲酯和間氨基乙酰苯胺的反應，在 90～100℃左右時，無論反應時間延長多少，產物相對含量最高只有 89%左右，但當溫度降到 50℃左右時產物含量就能達到 96%以上（張勝建等，2014），在制備聚乙烯醇時，溫度對于鍵合方式有影響，溫度越高，聚乙烯醇中“頭碰頭”的鍵合幾率越高，而以“頭碰頭”鍵合方式形成的聚乙烯醇并不利于提高與甲醛的縮醛化度（宋建華等，2011），可見對于有機化學反應來說并不是溫度越高越好，尤其對于縮聚反應這樣的放熱反應來說，溫度不能太高，經過試驗研究可見溫度在 50℃左右時聚乙烯醇與甲醛反應生成的聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料滲水性能比較好。攪拌機的攪拌作為機械發泡法的主要動力，對于聚乙烯醇縮甲醛的微孔結構也有影響，例如在制備丁醛縮合 MgO-Al2O3這種催化劑時，發現，隨著攪拌速率的增大，催化劑比表面積增大，形成的微米級顆粒增多（崔龍等，2013），因此也設置不同攪拌機轉速來制備 PVFM，但是通過對負壓滲水性能的比較看來，攪拌機轉速并沒有明顯影響。本試驗在制備的過程中保證了過量的催化劑以及強酸性環境，因此沒有繼續探究催化劑以及 pH 對反應的影響，這可在后續試驗中進一步探究。

4.4 小結

（1）從基本物理性能來看，反應溫度、反應時間、攪拌機轉速對表觀密度的影響不呈規律性，比較而言表觀密度在反應條件為 55℃、10h、2000 r-min-1時最好；三個條件中只有反應時間對吸水倍率有正影響，隨反應時間的增大而增大，比較而言吸水倍率在 55℃、14h、1500r-min-1時最好；孔隙率受反應溫度、反應時間的影響小，僅在攪拌機轉速 1000 r-min-1時較大。

（2）反應條件中僅攪拌機轉速對發泡點有負影響，隨攪拌機轉速的增加而降低，比較而言， 發泡點值在反應條件 55℃、10h、1000 r-min-1時最大；-5kPa 下 PVFM 對土壤的供水速率隨反應條件呈現規律性變化，其隨反應時間的增大而增大，隨攪拌機轉速的增大而降低，比較而言其在反應條件為 55 ℃、14h、1000r-min-1時最快；-10kPa 下 PVFM 對土壤的供水速率僅與反應時間呈現規律性變化，隨反應時間的增大而增大，比較而言其在反應條件為 55℃、14h、1500 r-min-1最快。

（3）將具備以上條件的樣品進一步比較，11 號樣品的發泡點值高但累積入滲量低，12 號樣品的累積入滲量高但發泡點值低，只有反應條件為 55℃、10h、1500r-min-1的 14 號樣品，發泡點與負壓下的累積入滲量同時達到較高水平，因此可以以 14 號樣品的反應條件為最佳條件。