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第五章 不同助劑對 PVFM 負壓滲水性能的影響

聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料（PVFM）是一種親水性強、吸水效果好的多孔性海綿材料，其孔隙可控制在 1～3000μm（王光釗等，2006），因此將其制備成一種微孔負壓滲水材料，這種負壓滲水材料具有相當的發泡點，可以承受一定的負壓，相互連通的小孔可以讓水分滲出，較好的親水性保證了水分由壁內向壁外的快速運移。然而現在面臨的較大問題是抗壓強度較低，埋在土體內部時會因土體較重而變形，因此提高其強度成為一個亟待解決的問題。

不同助劑對高分子材料有不同的增強作用（王瀾，2011），塑料增硬劑雖然能起到顯著效果，但主要在高溫條件下運用注塑或吹塑的工藝合成塑料或橡膠時使用，不適合常溫條件下的化學合成，因此本試驗依據常規合成 PVFM 的方法選擇了兩種常見的顆粒填料 SiO2粉末和高嶺土，以及一種表面活性劑二甲基硅油作為助劑分別加入到 PVFM 中進行滲水器材料的制備，比較不同助劑對 PVFM 灌水器基本物理性質、機械強度、負壓滲水性能的影響。

5.1 試驗設計

實驗根據助劑的不同設置六個處理，每個處理進行 3 次重復，助劑的具體用量如表 5.1 中所示。在 PVA 溶解至透明糊狀后，趁熱加入助劑，加速攪拌，加快助劑溶解并使之與 PVA 充分接觸。制得一端封閉的 PVFM 泡沫塑料管，長度約 15cm，外徑 3cm，內徑 1cm。

表 5.1 不同處理的試驗設計表

5.2 結果分析

5.2.1 不同助劑對 PVFM 基本物理性能的影響

由表 5.2 可以看出，加入不同助劑的試驗組與對照組 CK 在吸水倍率、表觀密度、孔隙率方面相比均有不同。在 PVFM 中加入任何助劑都會使吸水倍率降低，使表觀密度和孔隙率增大。從吸水倍率看，硅油、硅油+ SiO2組與對照組相比有顯著性差異，兩組中均添加了硅油，說明硅油的加入是引起吸水倍率降低的主要因素，其中硅油+ SiO2組的下降幅度最大，達 25.9%；從表觀密度看，試驗組均與對照組 CK 有顯著性差異，試驗組中 SiO2、硅油+ SiO2、硅油+高嶺土組為最高水平，且與硅油、高嶺土組有顯著性差異，其中硅油+高嶺土組使 PVFM 的表觀密度提高幅度最大，達 57.5%；從孔隙率來看，SiO2組、高嶺土組、硅油+高嶺土組與 CK 有顯著性差異，其孔隙率較 CK 提高了 4.12%~3.63%，其中以高嶺土組的孔隙率值最大，平均為 86.0%，其次為硅油+高嶺土組，平均為 85.7%。由上可以看出，添加硅油與高嶺土能使表觀密度和吸水倍率得到較大幅度提升，雖然也會引起吸水倍率的顯著性下降，但降低后的吸水倍率仍然大于 4，說明 PVFM仍具有較好的吸水性，這些填料的加入不會成為吸水倍率的限制因素。

5.2.2 不同助劑對 PVFM 機械性能的影響

由表 5.3 可知，根據邵氏 A 硬度標準的測定值來看，PVFM 的硬度均較小，加入單一助劑的PVFM 的硬度反而較 CK 有下降，加入復合助劑的硬度較 CK 有升高，以硅油+SiO2組的硬度最大為 13，硅油組、SiO2粉末組、硅油+高嶺土組的硬度最小，僅為 5，相較而言 CK 組位于中間水平，硬度為 8。從拉伸強度來看，處理組與 CK 相比拉伸強度并沒有大幅提升，相反硅油組以及高嶺土組有小幅下降，對于拉伸強度的提升最明顯的是硅油+SiO2組，拉伸強度為 0.82MPa，較 CK 組提升了 51.9%，高嶺土組的下降最為明顯，降幅達 37.0%。從斷裂伸長率來看，除高嶺土組外，處理組均較 CK 有小幅提升，其中以硅油+高嶺土組的斷裂伸長率最大，達到 271%，較CK 增大了 33.5%。從三者關系來看，硬度、拉伸強度、斷裂伸長率三者具有基本一致的表現，硬度大的，拉伸強度較大，斷裂伸長率也偏大。

表 5.3 不同助劑對硬度、拉伸強度、斷裂伸長率的影響

5.2.3 不同助劑對 PVFM 負壓滲水性能的影響

1、不同助劑對 PVFM 發泡點的影響

根據圖 5.1 可以看出，處理組的發泡點值全部在 39.5～60.6kPa 之間，且較 CK 的 35.5kPa 均有提高，其中硅油組和硅油+高嶺土組的發泡點值明顯高于其他四組。進行顯著性分析可知，硅油+高嶺土組的發泡點值最高為 60.6kPa，與 CK、SiO2組、高嶺土組、硅油+SiO2的差異均達到極顯著，較 CK 而言，其增幅達到 70.7%；硅油組的發泡點值次高，為 53.6kPa，與 CK 組的差異達到極顯著，且較 CK 提高了 51.0%。由此可見，硅油和高嶺土的加入對發泡點值的提升有明顯作用。

圖 5.1 不同處理間發泡點值的比較

2、不同助劑對 PVFM 累積入滲量的影響

對含有不同助劑的 PVFM 滲水器進行-5kPa 及-10kPa 下累積入滲量的測定，如圖 5.2?？梢钥闯?，-5kPa 時，CK 累積入滲量曲線總是在處理組累積入滲量曲線的上方，說明入滲相同時間，CK 組的入滲量總要高于處理組，以入滲 5h 為例，CK 可入滲 0.33L，而處理組僅入滲 0.23L～0.17L，可見添加物會引起 PVFM 累積入滲量降低。處理組中，入滲相同時間，硅油+高嶺土組的累積入滲量最低，其它 4 個處理的累積入滲量相近，其曲線介于 CK 與硅油+高嶺土組之間。-10kPa 時，入滲相同時間，CK 的累積入滲量居于中間水平，20h 時入滲約 0.06L；SiO2組的累積入滲量最大，20h 約入滲 0.07L，較 CK 提高 16.7%;硅油組則處于最低，20h 的入滲量約為 0.04L，較 CK 降低了 33.3%，高嶺土組、硅油+高嶺土組二者累積入滲量曲線與 CK 較為接近，20h 也入滲 0.06L 左右。綜合看來，發泡點表現最好的硅油+高嶺土組在-5kPa 的累積入滲量表現是最差的，在-10kPa時的累積入滲量表現中等，而 SiO2組在-5kPa 及-10kPa 累積入滲量均表現較好，但相較而言加入助劑并不能很大程度地提高 PVFM 的累積入滲量，在不同條件下某些助劑甚至能降低 PVFM 的累積入滲量。

圖 5.2 不同助劑對-5kPa（a）及-10kPa（b）下 PVFM 累積入滲量的影響

5.3 討論

表觀密度、硬度、拉伸強度、斷裂伸長率是衡量機械性能的重要指標，吸水倍率則是衡量親水性與吸水性的重要指標，孔隙率、累積入滲量又是衡量滲水性能的重要指標，而發泡點值的高低則是決定材料是否能應用于負壓灌溉的關鍵因素。由上文可以看出，不同處理對表觀密度、吸水倍率、孔隙率、硬度、斷裂伸長率、拉伸強度、發泡點、累積入滲量這些指標均有不同影響，加入助劑導致 PVFM 吸水倍率下降，發泡點、表觀密度、孔隙率提高，但對硬度、拉伸強度、斷裂伸長率、累積入滲量的影響不一。從先決因素發泡點來看，硅油+高嶺土組的發泡點值最高，該組在表觀密度、孔隙率、斷裂伸長率方面也表現最好，在硬度和拉伸強度方面表現次之，在累積入滲量方面則表現一般。發泡點值次高的是硅油組，但是硅油組在表觀密度、吸水倍率、孔隙率、硬度、拉伸強度、斷裂伸長率以及累積入滲量方面表現不佳；高嶺土組的除吸水倍率與孔隙率較好外，其余各指標表現不佳，由此可見，硅油與高嶺土的混合加入有利于各項指標均衡提升，使 PVFM 具備良好的負壓滲水性能。有關研究表明，高嶺土作為填料使用可以填充孔隙，用在塑料中可以使塑料表面光滑，減少熱裂和收縮，與橡膠混合時可以形成一種有機高聚物—無機物復合材料，作為補強劑，能夠提高橡膠的力學強度、耐磨性、耐腐蝕性以及穩定性等，還可提高產品的品質，降低成本（劉淑鵬等，2010；唐華偉等，2007），而硅油作為一種表面活性劑則起到了消泡、勻泡的效果，使表面更加光滑，這與硅油自身較低的表面張力有關，此外，硅油也因具有較好的潤滑性和化學穩定性而作為脫模劑與增光劑來使用，也可以提高產品品質（孫爭光等，2001），其中 PVFM 的吸水倍率降低也與硅油自身的憎水性有關。兩種助劑相結合的使用效果要優于單獨使用，可能是因為在表面活性劑的基礎上又加入粉末類填料，使得孔隙結構更加均勻，在表面活性劑的作用下使得高嶺土與 PVFM 的網狀結構結合緊密，充分發揮了高嶺土的增強效果。硅油+SiO2對 PVFM 硬度和拉伸強度的增強明顯，可能是在表面活性劑硅油的基礎上添加本身硬度就比較大的二氧化硅，再加上顆粒狀的二氧化硅有助于生成良好結構，利于滲水，因此可以嘗試在硅油+高嶺土的基礎上加入 SiO2粉末。

5.4 小結

（1）助劑的加入導致 PVFM 的吸水倍率下降，使表觀密度、孔隙率及發泡點值明顯提升，但是不同助劑對 PVFM 的機械性能及累積入滲量有不同影響，多數對累積入滲量有降低作用。

（2）硅油在幾種單一助劑中對 PVFM 性能有突出影響，它能使吸水倍率、硬度、拉伸強度顯著下降，使發泡點值明顯提升。其他單一助劑高嶺土、SiO2粉末的加入也會導致硬度和拉伸強度的小幅下降。

（3）復合助劑的加入也會導致 PVFM 吸水倍率的下降，但與單一助劑不同的是它會使 PVFM 的硬度、拉伸強度、斷裂伸長率、表觀密度、孔隙率、發泡點值有明顯提高，其中硅油+SiO2對硬度及拉伸強度的提升最明顯，對-10kPa 下的累積入滲量有小幅提高，硅油+高嶺土對表觀密度、孔隙率、斷裂伸長率、發泡點值的提升效果最好，但累積入滲量并沒有增加。復合助劑效果好的原因可能是表面活性劑與物理填料相搭配使得孔隙更加致密均勻，使抗拉性、穩定性更好。因此在兩組復合填料中選擇對發泡點值提升最顯著的硅油+高嶺土組更好一些。