第五章 不同助剂对 PVFM 负压渗水性能的影响
聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料（PVFM）是一种亲水性强、吸水效果好的多孔性海绵材料，其孔隙可控制在 1～3000μm（王光钊等，2006），因此将其制备成一种微孔负压渗水材料，这种负压渗水材料具有相当的发泡点，可以承受一定的负压，相互连通的小孔可以让水分渗出，较好的亲水性保证了水分由壁内向壁外的快速运移。然而现在面临的较大问题是抗压强度较低，埋在土体内部时会因土体较重而变形，因此提高其强度成为一个亟待解决的问题。
不同助剂对高分子材料有不同的增强作用（王澜，2011），塑料增硬剂虽然能起到显着效果，但主要在高温条件下运用注塑或吹塑的工艺合成塑料或橡胶时使用，不适合常温条件下的化学合成，因此本试验依据常规合成 PVFM 的方法选择了两种常见的颗粒填料 SiO2粉末和高岭土，以及一种表面活性剂二甲基硅油作为助剂分别加入到 PVFM 中进行渗水器材料的制备，比较不同助剂对 PVFM 灌水器基本物理性质、机械强度、负压渗水性能的影响。
5.1 试验设计
实验根据助剂的不同设置六个处理，每个处理进行 3 次重复，助剂的具体用量如表 5.1 中所示。在 PVA 溶解至透明糊状后，趁热加入助剂，加速搅拌，加快助剂溶解并使之与 PVA 充分接触。制得一端封闭的 PVFM 泡沫塑料管，长度约 15cm，外径 3cm，内径 1cm。
表 5.1 不同处理的试验设计表
5.2 结果分析
5.2.1 不同助剂对 PVFM 基本物理性能的影响
由表 5.2 可以看出，加入不同助剂的试验组与对照组 CK 在吸水倍率、表观密度、孔隙率方面相比均有不同。在 PVFM 中加入任何助剂都会使吸水倍率降低，使表观密度和孔隙率增大。从吸水倍率看，硅油、硅油+ SiO2组与对照组相比有显着性差异，两组中均添加了硅油，说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组的下降幅度最大，达 25.9%；从表观密度看，试验组均与对照组 CK 有显着性差异，试验组中 SiO2、硅油+ SiO2、硅油+高岭土组为最高水平，且与硅油、高岭土组有显着性差异，其中硅油+高岭土组使 PVFM 的表观密度提高幅度最大，达 57.5%；从孔隙率来看，SiO2组、高岭土组、硅油+高岭土组与 CK 有显着性差异，其孔隙率较 CK 提高了 4.12%~3.63%，其中以高岭土组的孔隙率值最大，平均为 86.0%，其次为硅油+高岭土组，平均为 85.7%。由上可以看出，添加硅油与高岭土能使表观密度和吸水倍率得到较大幅度提升，虽然也会引起吸水倍率的显着性下降，但降低后的吸水倍率仍然大于 4，说明 PVFM仍具有较好的吸水性，这些填料的加入不会成为吸水倍率的限制因素。
5.2.2 不同助剂对 PVFM 机械性能的影响
由表 5.3 可知，根据邵氏 A 硬度标准的测定值来看，PVFM 的硬度均较小，加入单一助剂的PVFM 的硬度反而较 CK 有下降，加入复合助剂的硬度较 CK 有升高，以硅油+SiO2组的硬度最大为 13，硅油组、SiO2粉末组、硅油+高岭土组的硬度最小，仅为 5，相较而言 CK 组位于中间水平，硬度为 8。从拉伸强度来看，处理组与 CK 相比拉伸强度并没有大幅提升，相反硅油组以及高岭土组有小幅下降，对于拉伸强度的提升最明显的是硅油+SiO2组，拉伸强度为 0.82MPa，较 CK 组提升了 51.9%，高岭土组的下降最为明显，降幅达 37.0%。从断裂伸长率来看，除高岭土组外，处理组均较 CK 有小幅提升，其中以硅油+高岭土组的断裂伸长率最大，达到 271%，较CK 增大了 33.5%。从三者关系来看，硬度、拉伸强度、断裂伸长率三者具有基本一致的表现，硬度大的，拉伸强度较大，断裂伸长率也偏大。
表 5.3 不同助剂对硬度、拉伸强度、断裂伸长率的影响
5.2.3 不同助剂对 PVFM 负压渗水性能的影响
1、不同助剂对 PVFM 发泡点的影响
根据图 5.1 可以看出，处理组的发泡点值全部在 39.5～60.6kPa 之间，且较 CK 的 35.5kPa 均有提高，其中硅油组和硅油+高岭土组的发泡点值明显高于其他四组。进行显着性分析可知，硅油+高岭土组的发泡点值最高为 60.6kPa，与 CK、SiO2组、高岭土组、硅油+SiO2的差异均达到极显着，较 CK 而言，其增幅达到 70.7%；硅油组的发泡点值次高，为 53.6kPa，与 CK 组的差异达到极显着，且较 CK 提高了 51.0%。由此可见，硅油和高岭土的加入对发泡点值的提升有明显作用。
图 5.1 不同处理间发泡点值的比较
2、不同助剂对 PVFM 累积入渗量的影响
对含有不同助剂的 PVFM 渗水器进行-5kPa 及-10kPa 下累积入渗量的测定，如图 5.2。可以看出，-5kPa 时，CK 累积入渗量曲线总是在处理组累积入渗量曲线的上方，说明入渗相同时间，CK 组的入渗量总要高于处理组，以入渗 5h 为例，CK 可入渗 0.33L，而处理组仅入渗 0.23L～0.17L，可见添加物会引起 PVFM 累积入渗量降低。处理组中，入渗相同时间，硅油+高岭土组的累积入渗量最低，其它 4 个处理的累积入渗量相近，其曲线介于 CK 与硅油+高岭土组之间。-10kPa 时，入渗相同时间，CK 的累积入渗量居于中间水平，20h 时入渗约 0.06L；SiO2组的累积入渗量最大，20h 约入渗 0.07L，较 CK 提高 16.7%;硅油组则处于最低，20h 的入渗量约为 0.04L，较 CK 降低了 33.3%，高岭土组、硅油+高岭土组二者累积入渗量曲线与 CK 较为接近，20h 也入渗 0.06L 左右。综合看来，发泡点表现最好的硅油+高岭土组在-5kPa 的累积入渗量表现是最差的，在-10kPa时的累积入渗量表现中等，而 SiO2组在-5kPa 及-10kPa 累积入渗量均表现较好，但相较而言加入助剂并不能很大程度地提高 PVFM 的累积入渗量，在不同条件下某些助剂甚至能降低 PVFM 的累积入渗量。
图 5.2 不同助剂对-5kPa（a）及-10kPa（b）下 PVFM 累积入渗量的影响
5.3 讨论
表观密度、硬度、拉伸强度、断裂伸长率是衡量机械性能的重要指标，吸水倍率则是衡量亲水性与吸水性的重要指标，孔隙率、累积入渗量又是衡量渗水性能的重要指标，而发泡点值的高低则是决定材料是否能应用于负压灌溉的关键因素。由上文可以看出，不同处理对表观密度、吸水倍率、孔隙率、硬度、断裂伸长率、拉伸强度、发泡点、累积入渗量这些指标均有不同影响，加入助剂导致 PVFM 吸水倍率下降，发泡点、表观密度、孔隙率提高，但对硬度、拉伸强度、断裂伸长率、累积入渗量的影响不一。从先决因素发泡点来看，硅油+高岭土组的发泡点值最高，该组在表观密度、孔隙率、断裂伸长率方面也表现最好，在硬度和拉伸强度方面表现次之，在累积入渗量方面则表现一般。发泡点值次高的是硅油组，但是硅油组在表观密度、吸水倍率、孔隙率、硬度、拉伸强度、断裂伸长率以及累积入渗量方面表现不佳；高岭土组的除吸水倍率与孔隙率较好外，其余各指标表现不佳，由此可见，硅油与高岭土的混合加入有利于各项指标均衡提升，使 PVFM 具备良好的负压渗水性能。有关研究表明，高岭土作为填料使用可以填充孔隙，用在塑料中可以使塑料表面光滑，减少热裂和收缩，与橡胶混合时可以形成一种有机高聚物—无机物复合材料，作为补强剂，能够提高橡胶的力学强度、耐磨性、耐腐蚀性以及稳定性等，还可提高产品的品质，降低成本（刘淑鹏等，2010；唐华伟等，2007），而硅油作为一种表面活性剂则起到了消泡、匀泡的效果，使表面更加光滑，这与硅油自身较低的表面张力有关，此外，硅油也因具有较好的润滑性和化学稳定性而作为脱模剂与增光剂来使用，也可以提高产品品质（孙争光等，2001），其中 PVFM 的吸水倍率降低也与硅油自身的憎水性有关。两种助剂相结合的使用效果要优于单独使用，可能是因为在表面活性剂的基础上又加入粉末类填料，使得孔隙结构更加均匀，在表面活性剂的作用下使得高岭土与 PVFM 的网状结构结合紧密，充分发挥了高岭土的增强效果。硅油+SiO2对 PVFM 硬度和拉伸强度的增强明显，可能是在表面活性剂硅油的基础上添加本身硬度就比较大的二氧化硅，再加上颗粒状的二氧化硅有助于生成良好结构，利于渗水，因此可以尝试在硅油+高岭土的基础上加入 SiO2粉末。
5.4 小结
（1）助剂的加入导致 PVFM 的吸水倍率下降，使表观密度、孔隙率及发泡点值明显提升，但是不同助剂对 PVFM 的机械性能及累积入渗量有不同影响，多数对累积入渗量有降低作用。
（2）硅油在几种单一助剂中对 PVFM 性能有突出影响，它能使吸水倍率、硬度、拉伸强度显着下降，使发泡点值明显提升。其他单一助剂高岭土、SiO2粉末的加入也会导致硬度和拉伸强度的小幅下降。
（3）复合助剂的加入也会导致 PVFM 吸水倍率的下降，但与单一助剂不同的是它会使 PVFM 的硬度、拉伸强度、断裂伸长率、表观密度、孔隙率、发泡点值有明显提高，其中硅油+SiO2对硬度及拉伸强度的提升最明显，对-10kPa 下的累积入渗量有小幅提高，硅油+高岭土对表观密度、孔隙率、断裂伸长率、发泡点值的提升效果最好，但累积入渗量并没有增加。复合助剂效果好的原因可能是表面活性剂与物理填料相搭配使得孔隙更加致密均匀，使抗拉性、稳定性更好。因此在两组复合填料中选择对发泡点值提升最显着的硅油+高岭土组更好一些。
