柔性聚合工藝

柔性聚合工藝即製備柔性聚合物的設備技術與工藝方法。

第三代太陽能電池中的聚合物太陽能電池和鈣欽礦太陽能電池由於其具有廉價、輕質、柔性等特點，引起了人類的廣泛關注。

柔性聚合物水泥防水卷材是以60%～70%的水硬性水泥及超細礦物摻合料與聚合物、水、助劑等經捏合攪拌、塑煉和壓延等加工工藝製成的。

基本介紹

• 中文名：柔性聚合工藝
• 實質：製備柔性聚合物
• 常見：聚合物太陽能電池等
• 學科：化學工程

刮塗法製備大面積柔性聚合物太陽能電池

聚合物太陽能電池由於其具有輕薄、柔軟、廉價、透明、重量比功率高、製備工藝簡單等諸多優點受到廣泛關注，它適合於在微電子產品、攜帶型充電器、半透光式建築物、柔性可捲曲系統等體系中發揮供電作用，未來有望在軍工領域扮演重要角色。

最近幾年聚合物太陽能電池技術發展迅速，日本三菱化學和德國Heliatek先後相繼創造了轉換效率11%和12%的世界記錄，但均為實驗室玻璃基材、小面積（1cm²左右）單元電池。以柔性基材PET（如聚對苯二甲酸乙二酯）、濕法成膜製備大面積器件的技術發展緩慢，轉換效率也較低。

採用刮塗法，通過設計柔性透明陽極PET/ITO圖案、最佳化空穴傳輸層PEDOT：PSS和活性層PBDTTT-C-T：PC71BM塗層配方和刮塗工藝、優選單元電池條形狀和寬度，以15cm×15cm大小PET/ITO製作了有效面積為130cm²、7條單元電池串聯的柔性聚合物太陽能電池器件（結構見圖1），轉換效率達4.02%。同時，為產業化生產大面積聚合物太陽能電池器件提供了製備工藝方法和可行性。

電池器件結構

柔性聚合物水泥防水卷材

柔性聚合物水泥防水卷材以及配套的聚合物水泥砂漿粘結材料，是一種全新概念的環保型防水材料。柔性聚合物水泥防水卷材是以60%～70%的水硬性水泥及超細礦物摻合料與聚合物、水、助劑等經捏合攪拌、塑煉和壓延等加工工藝製成的。該體系充分發揮了水泥水化產物與高聚物各自的性能優勢，使產品既具有適應基材變形的柔韌性，又具有更為耐久的老化性能、防水性能。該產品採用聚合物改性水泥砂漿作為粘結材料，可在潮濕的基面上施工，基面的水分為水泥基粘結材料提供了充分的養護條件，使基材、粘結材料和防水卷材之間的界面充分結合，避免了建築防水工程因防水卷材粘結不牢而造成的滲漏現象。柔性聚合物水泥防水卷材所構成的防水系統為一剛一柔。結構自下而上形成柔性梯度，從而既可以承受基體自下而上的收縮應力及基體變形，又可抵抗自上而下的外力衝擊，可以消除建築物防水失敗的隱患。

生產工藝

防水卷材常規的加工工藝主要有3種方法：塗覆法、壓延法和擠出成型法。傳統的水泥製品一般採用濕態澆注成型或塗覆成型，這兩種方法需較高的聚灰比和水灰比，水泥水化膠凝成型時間長，占地大，無法進行大規模的連續化生產。

擠出成型工藝需較高的溫度，並要求物料具有較高的可塑度和流變性，而水泥在加熱至150℃時將脫除結晶水，使產品出現缺陷，因此，它更不適用於聚合物水泥卷材的成型加工。

壓延成型工藝對物料適用性強，工藝操作靈活。試驗結果表明，水泥經聚合物改性，具有較好的柔韌性，用壓延法工藝完全可以實現預期目標。

水泥的聚合物改性是用聚合物與水泥和水共棍，通過嚴格控制捏合時間、溫度，在機械力的作用下，獲得均勻的水泥捏合料。為了進一步提高材料的加工性能，需引人外加劑，如可以降低加工阻力，還能起到防粘保護作用的潤滑劑；增強聚合物在特定加工條件下的耐溫性能，從而抑制聚合物受熱分解和受機械剪下力降解的穩定劑；能替代水泥並具有潛在活性的增加體系流動性的超細礦物摻合料等。

改性過程中，水泥水化速度及水泥凝膠粒子的膜化處理程度取決於聚灰比、水灰比和捏合工藝條件；捏合時間、捏合溫度和捏合形式對改性水泥材料的品質有重要的影響，它直接影響到改性水泥的水化程度和再加工性能。

用適量加工助劑與聚合物改性的水泥捏合料在煉膠設備上進行混煉，混煉均勻後下料冷卻，室溫下停放。如要求彩色產品可加入顏料，如鐵紅等，製成的彩色防水卷材兼有裝飾效果。壓延時，經聚合物改性的物料，先在開放式煉膠機上進行熱煉。為了易於壓延操作和保證壓延後尺寸穩定性，物料應在較高的加工溫度範圍內熱煉均勻。當物料達到一定的可塑度後，供壓延機壓延成型。

聚合物改性水泥

聚合物改性水泥的研究開發在國外已有幾十年的歷史了，各國對聚合物水泥材料的改性方法、性能、套用進行了大量的研究，並探討了該材料的改性機理。Ohama單空間網路結構模型認為，聚合物基外加劑加入水泥和水中，經攪拌聚合物乳液粒子均勻地分散在水泥漿體中，並吸附在水泥粒子表面。隨著水泥的水化，體系中的水不斷地被水泥所結合，生成水泥水化產物；吸附在水泥水化物和水泥粒子表面的聚合物顆粒逐漸相互聚結成膜，形成水泥水化產物和聚合物膜相互貫穿的網狀結構。這種具有網狀結構的複合膠凝材料決定了聚合物水泥材料的性能。

具有上述相互貫穿的網狀結構的聚合物水泥材料，因聚灰比不同，其應力應變特性亦不相同。當聚合物摻加量較低時，吸附在水泥粒子和水泥水化產物表面的聚合物粒子聚結成膜後，不足以形成完整的柔性鏈膠膜網路，水泥水化物———聚合物膜的互穿網路以水泥水化物形成的剛性鏈為主，它起著抵抗外力的主導作用，隨著應力增大，剛性鏈網路的缺陷不斷擴大，當達到或超過極限時，剛性鏈突然整體斷裂，並導致強大的脈衝型應力作用於數量相對少的柔性鏈上，使其斷裂。在上述過程中，僅伴隨很小的應變發生，因此材料呈剛性。當聚合物摻量增大到一定程度後，吸附在水泥粒子和水泥物表面的聚合物聚結成膜，形成完整的柔性鏈膠膜網路，此時，柔性鏈起抵抗應力的主導作用。隨著應力增大，柔性鏈通過自身良好的應變部分吸收應力作用。其中的剛性鏈也起抵抗外力的部分作用，但因其應變不足，相繼斷裂，因此逐漸增加材料缺陷，並最終導致材料斷裂。由於這一過程伴隨著較大應變發生，因此材料呈柔性。當聚灰比增大時，聚合物水泥材料逐漸地由剛性轉變為柔性，並存在一個出現“階躍”的突變範圍。只有摻入足夠量的聚合物，才能保證材料呈現良好的柔性。

綜上所述，要形成性能良好的柔性聚合物水泥材料，必須最佳化複合膠凝材料的結構和性能。這就要求：（1）水泥水化必須良好，水泥水化物本身性質必須改善；（2）聚合物應具有適當的最低成膜溫度，以保證聚合物成膜良好；（3）聚合物膜本身的機械強度高（斷裂伸長率、拉伸強度、韌性好），耐水、耐老化性能好；（4）聚合物在水泥體系中均勻分散且與水泥相容性良好；（5）聚灰比在臨界點以上，保證體系中形成完整的柔性鏈膠膜網路。