硫酸钙晶须/聚氯乙烯复合材料的界面设计及结构性能研究

A novel technique is developed in this study to modify the surface of calcium sulfate whisker (CSW) for the preparation of high-performance CSW/poly(vinyl chloride) (PVC) composites. The CSW coated with poly(vinyl alcohol) (PVA) and then cross-linked by glutaraldehyde is used to strengthen PVC. The surface morphology of calcium sulfate whisker is characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the tensile property, impact property, dynamic mechanical property and thermal performance of CSW/PVC composites are investigated. This method is simple and inexpensive, and can be applied in large scale. The present research is helpful to solve the key problems about surface modification of inorganic whiskers, and provide an effective way to improve the interfacial compatibility between inorganic whiskers and PVC matrix. The present programme is of critical importance for high value application of inorganic salt and solving the problem of chlorine balance of Qinghai saline lake chemical industry.

2014年青海省建成年产50万吨聚氯乙烯（PVC）装置，用于解决盐湖化工中的氯平衡问题，由于缺乏改性产品，PVC销量很小；另外，利用盐湖工业中的矿物盐，可以制备出高品质硫酸钙晶须，但一直未得到大规模应用。如果用硫酸钙晶须增强PVC制备复合材料，有望解决上述困境。本项目提出一种新方法对硫酸钙晶须进行表面改性，深入研究改性条件对改性效果的影响；定量计算两相界面之间的相互作用参数，并对界面相容性做出评价；考察硫酸钙晶须对PVC力学性能和热性能等的影响，用扫描电镜、透射电镜等探明复合材料的形态结构，构建复合材料结构与性能之间的关系。本项目提出的晶须表面改性新方法，是对现有晶须表面改性技术的重要补充和发展。该方法可以显著改善两相界面相容性，提高复合材料的力学性能，适合大规模工业化应用；研究成果对于增加青海省PVC产量、有效解决盐湖化工中的氯平衡问题以及硫酸钙晶须的高值化利用都具有十分重要的意义。

位于柴达木盆地的察尔汗盐湖是我国最大的氯化物型矿床。随着盐湖中金属元素的大规模提取，氯平衡问题逐渐成为制约盐湖工业可持续发展的主要瓶颈。解决氯平衡问题，就是要将盐湖化工中副产的大量氯，转变成其它具有实用价值的产品。开发聚氯乙烯相关材料是目前解决青海盐湖化工氯平衡问题最为有效的途径。另一方面，我国利用盐湖卤水中的钙离子制备硫酸钙晶须的技术已经非常成熟，但是局限于目前的研究和开发水平，硫酸钙晶须尚未得到大规模的应用。如果利用硫酸钙晶须增强聚氯乙烯，制备出高性能的聚氯乙烯复合材料，对于盐湖化工副产物的高值化利用以及解决氯平衡问题都具有重要意义。. 本项目提出了多种新方法对硫酸钙晶须进行表面改性，以制备高性能聚氯乙烯（PVC）复合材料。首先，用含大量亲水基团的水溶性聚乙烯醇和壳聚糖作为改性剂，对硫酸钙晶须进行表面处理，并进行交联。深入研究了改性剂的浓度、交联剂用量和交联反应条件等对改性效果的影响。其次，专门针对聚氯乙烯，合成了一种新的聚醚型钛酸酯偶联剂，对硫酸钙晶须进行表面改性。将改性晶须用于增强PVC，定量计算了改性前后硫酸钙晶须与基体之间的相互作用参数，从而对两相之间的界面相容性做出评价；考察了硫酸钙晶须对PVC拉伸性能、冲击性能、动态力学性能、热性能等的影响，用扫描电镜、透射电镜等手段探明了复合材料的形态结构，构建了复合材料结构与性能之间的关系。研究了聚醚型钛酸酯偶联剂中聚醚链段长度对复合材料界面相容性的影响，探索了硫酸钙晶须的羟基化对改性效果的影响，提出了对复合材料界面相容性定量评价的方法。. 本项目提出的晶须表面改性新方法，具有绿色环保、简单方便、成本低廉的特点，适合大规模工业化应用，是对现有晶须表面改性技术的重要补充和发展；利用硫酸钙晶须制备高性能增强型聚氯乙烯复合材料，对于解决盐湖化工中的氯平衡问题以及盐湖资源的高值化利用都具有重要意义；提出的界面相容性的评价方法可以应用到其它复合体系。