[科普中国]-柔性聚合工艺

柔性聚合工艺即制备柔性聚合物的设备技术与工艺方法。

第三代太阳能电池中的聚合物太阳能电池和钙钦矿太阳能电池由于其具有廉价、轻质、柔性等特点，引起了人类的广泛关注。

柔性聚合物水泥防水卷材是以60%～70%的水硬性水泥及超细矿物掺合料与聚合物、水、助剂等经捏合搅拌、塑炼和压延等加工工艺制成的。

刮涂法制备大面积柔性聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池由于其具有轻薄、柔软、廉价、透明、重量比功率高、制备工艺简单等诸多优点受到广泛关注，它适合于在微电子产品、便携式充电器、半透光式建筑物、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用，未来有望在军工领域扮演重要角色。

最近几年聚合物太阳能电池技术发展迅速，日本三菱化学和德国Heliatek先后相继创造了转换效率11%和12%的世界记录，但均为实验室玻璃基材、小面积（1cm2左右）单元电池。以柔性基材PET（如聚对苯二甲酸乙二酯）、湿法成膜制备大面积器件的技术发展缓慢，转换效率也较低。

采用刮涂法，通过设计柔性透明阳极PET/ITO图案、优化空穴传输层PEDOT：PSS和活性层PBDTTT-C-T：PC71BM涂层配方和刮涂工艺、优选单元电池条形状和宽度，以15cm×15cm大小PET/ITO制作了有效面积为130cm2、7条单元电池串联的柔性聚合物太阳能电池器件（结构见图1），转换效率达4.02%。同时，为产业化生产大面积聚合物太阳能电池器件提供了制备工艺方法和可行性。1

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浆粘结材料，是一种全新概念的环保型防水材料。柔性聚合物水泥防水卷材是以60%～70%的水硬性水泥及超细矿物掺合料与聚合物、水、助剂等经捏合搅拌、塑炼和压延等加工工艺制成的。该体系充分发挥了水泥水化产物与高聚物各自的性能优势，使产品既具有适应基材变形的柔韧性，又具有更为耐久的老化性能、防水性能。该产品采用聚合物改性水泥砂浆作为粘结材料，可在潮湿的基面上施工，基面的水分为水泥基粘结材料提供了充分的养护条件，使基材、粘结材料和防水卷材之间的界面充分结合，避免了建筑防水工程因防水卷材粘结不牢而造成的渗漏现象。柔性聚合物水泥防水卷材所构成的防水系统为一刚一柔。结构自下而上形成柔性梯度，从而既可以承受基体自下而上的收缩应力及基体变形，又可抵抗自上而下的外力冲击，可以消除建筑物防水失败的隐患。2

生产工艺防水卷材常规的加工工艺主要有3种方法：涂覆法、压延法和挤出成型法。传统的水泥制品一般采用湿态浇注成型或涂覆成型，这两种方法需较高的聚灰比和水灰比，水泥水化胶凝成型时间长，占地大，无法进行大规模的连续化生产。

挤出成型工艺需较高的温度，并要求物料具有较高的可塑度和流变性，而水泥在加热至150℃时将脱除结晶水，使产品出现缺陷，因此，它更不适用于聚合物水泥卷材的成型加工。

压延成型工艺对物料适用性强，工艺操作灵活。试验结果表明，水泥经聚合物改性，具有较好的柔韧性，用压延法工艺完全可以实现预期目标。

水泥的聚合物改性是用聚合物与水泥和水共棍，通过严格控制捏合时间、温度，在机械力的作用下，获得均匀的水泥捏合料。为了进一步提高材料的加工性能，需引人外加剂，如可以降低加工阻力，还能起到防粘保护作用的润滑剂；增强聚合物在特定加工条件下的耐温性能，从而抑制聚合物受热分解和受机械剪切力降解的稳定剂；能替代水泥并具有潜在活性的增加体系流动性的超细矿物掺合料等。

改性过程中，水泥水化速度及水泥凝胶粒子的膜化处理程度取决于聚灰比、水灰比和捏合工艺条件；捏合时间、捏合温度和捏合形式对改性水泥材料的品质有重要的影响，它直接影响到改性水泥的水化程度和再加工性能。

用适量加工助剂与聚合物改性的水泥捏合料在炼胶设备上进行混炼，混炼均匀后下料冷却，室温下停放。如要求彩色产品可加入颜料，如铁红等，制成的彩色防水卷材兼有装饰效果。压延时，经聚合物改性的物料，先在开放式炼胶机上进行热炼。为了易于压延操作和保证压延后尺寸稳定性，物料应在较高的加工温度范围内热炼均匀。当物料达到一定的可塑度后，供压延机压延成型。2

聚合物改性水泥聚合物改性水泥的研究开发在国外已有几十年的历史了，各国对聚合物水泥材料的改性方法、性能、应用进行了大量的研究，并探讨了该材料的改性机理。Ohama单空间网络结构模型认为，聚合物基外加剂加入水泥和水中，经搅拌聚合物乳液粒子均匀地分散在水泥浆体中，并吸附在水泥粒子表面。随着水泥的水化，体系中的水不断地被水泥所结合，生成水泥水化产物；吸附在水泥水化物和水泥粒子表面的聚合物颗粒逐渐相互聚结成膜，形成水泥水化产物和聚合物膜相互贯穿的网状结构。这种具有网状结构的复合胶凝材料决定了聚合物水泥材料的性能。

具有上述相互贯穿的网状结构的聚合物水泥材料，因聚灰比不同，其应力应变特性亦不相同。当聚合物掺加量较低时，吸附在水泥粒子和水泥水化产物表面的聚合物粒子聚结成膜后，不足以形成完整的柔性链胶膜网络，水泥水化物———聚合物膜的互穿网络以水泥水化物形成的刚性链为主，它起着抵抗外力的主导作用，随着应力增大，刚性链网络的缺陷不断扩大，当达到或超过极限时，刚性链突然整体断裂，并导致强大的脉冲型应力作用于数量相对少的柔性链上，使其断裂。在上述过程中，仅伴随很小的应变发生，因此材料呈刚性。当聚合物掺量增大到一定程度后，吸附在水泥粒子和水泥物表面的聚合物聚结成膜，形成完整的柔性链胶膜网络，此时，柔性链起抵抗应力的主导作用。随着应力增大，柔性链通过自身良好的应变部分吸收应力作用。其中的刚性链也起抵抗外力的部分作用，但因其应变不足，相继断裂，因此逐渐增加材料缺陷，并最终导致材料断裂。由于这一过程伴随着较大应变发生，因此材料呈柔性。当聚灰比增大时，聚合物水泥材料逐渐地由刚性转变为柔性，并存在一个出现“阶跃”的突变范围。只有掺入足够量的聚合物，才能保证材料呈现良好的柔性。

综上所述，要形成性能良好的柔性聚合物水泥材料，必须优化复合胶凝材料的结构和性能。这就要求：（1）水泥水化必须良好，水泥水化物本身性质必须改善；（2）聚合物应具有适当的最低成膜温度，以保证聚合物成膜良好；（3）聚合物膜本身的机械强度高（断裂伸长率、拉伸强度、韧性好），耐水、耐老化性能好；（4）聚合物在水泥体系中均匀分散且与水泥相容性良好；（5）聚灰比在临界点以上，保证体系中形成完整的柔性链胶膜网络。2

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学