CPVC/ABS/CPE三元共混體系的組成與性能關(guān)系研究

馬 軍,袁茂全,牟南翔,胡妹華,王 建,武德珍＊

(1.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2.上海氯堿化工股份有限公司,上海200241)

CPVC/ABS/CPE三元共混體系的組成與性能關(guān)系研究

馬 軍1,袁茂全2,牟南翔1,胡妹華2,王 建2,武德珍1＊

(1.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2.上海氯堿化工股份有限公司,上海200241)

研究了氯化聚氯乙烯(CPVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和氯化聚乙烯(CPE)三元共混體系的組成與性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明,ABS樹脂可以有效降低CPVC/ABS/CPE三元共混體系的平衡扭矩,縮短三元共混體系的塑化時(shí)間,改善其流動(dòng)性;當(dāng)CPE含量固定、共混體系中CPVC與ABS的質(zhì)量配為7∶3時(shí),共混體系的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳,共混體系具有較好的綜合力學(xué)性能;隨著CPE含量的增加,三元共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度顯著提高,CPE對(duì)三元共混體系具有優(yōu)良的增韌作用,用量以15份為宜。

氯化聚氯乙烯;丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物;氯化聚乙烯;共混;改性

0 前言

CPVC是聚氯乙烯(PVC)進(jìn)一步氯化的產(chǎn)物,是其重要的改性品種之一。CPVC的氯含量一般在61%～68%之間,由于極性元素的增加,耐熱溫度比PVC高30～40 ℃,其力學(xué)性能、耐溶劑性、阻燃性、耐蠕變性等均比PVC有較大的提高,是發(fā)展前景較為廣闊的高分子材料。CPVC具有良好的綜合性能,在管材、涂料和黏合劑、泡沫材料、絕緣和阻燃材料、人造纖維材料及板材、改性劑等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。

雖然CPVC相對(duì)于其他樹脂具有明顯的性能優(yōu)勢(shì),但由于其特殊的分子結(jié)構(gòu),使其具有極高的加工難度,表現(xiàn)為加工溫度高,熔體黏度大,加工成型溫度范圍窄,易分解;而且CPVC制品脆性較大、沖擊強(qiáng)度較低[4-5]。因此,在CPVC加工配方體系中,除了研究穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑的種類和配比對(duì)其制品的影響外,通過共混改性來制備高流動(dòng)、高韌性的CPVC合金材料也具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文采用ABS和CPE對(duì)CPVC樹脂進(jìn)行改性。利用ABS樹脂的高流動(dòng)性和CPE的增韌作用,通過對(duì)共混體系組成和性能的研究達(dá)到使CPVC高性能化的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

CPVC,含氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%～67%,工業(yè)級(jí),上海氯堿化工股份有限公司;

ABS,8391,中國(guó)石化上海高橋分公司;

CPE,135A,濰坊亞星化學(xué)股份有限公司;

有機(jī)錫,工業(yè)級(jí),法國(guó)Arkema公司;

環(huán)氧大豆油,工業(yè)級(jí),阿拉丁試劑(上海)有限公司;

潤(rùn)滑劑,工業(yè)級(jí),美國(guó) Honeywell公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

開放式塑煉機(jī),SK-160B,上海橡膠機(jī)械廠;

平板硫化機(jī),QLB-D,上海橡膠機(jī)械廠;

高速混合機(jī),FW100,天津泰斯特儀器有限公司;

拉伸性能測(cè)試儀,INSTRON-1185,美國(guó) INSTRON公司;

沖擊性能測(cè)試儀,P/N6957.000,意大利CEAST公司;

轉(zhuǎn)矩流變儀,PLV-151,德國(guó)BRABENDER公司;

掃描電子顯微鏡(SEM),S-250MK3,英國(guó)劍橋科學(xué)儀器公司。

1.3 試樣制備

將各組分在高速混合機(jī)上預(yù)混合2 min,然后將預(yù)混料在雙輥筒塑煉機(jī)上熔融共混,溫度185℃,混煉5 min后出片。在185 ℃、35 MPa條件下,熱壓8 min左右,再冷壓到90℃以下啟模,制得模板,然后按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制成待測(cè)樣條。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度按ASTM D638-03測(cè)試;

簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按 GB/T 1843—2002測(cè)試,使用缺口制樣機(jī) r=0.1 mm的銑刀制得V形缺口,缺口深度為2 mm,擺錘速度為2.9 m/s;

將轉(zhuǎn)矩流變儀的混合器升溫到180℃,轉(zhuǎn)速設(shè)定30 r/min,稱取60 g CPVC干混料加入到混合器中,進(jìn)行流變性能測(cè)試;

SEM分析:試樣快速?zèng)_斷后,表面進(jìn)行鍍Au-Pd金屬處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 ABS含量對(duì)共混物力學(xué)性能和流動(dòng)性的影響

為考察ABS樹脂對(duì) CPVC/ABS/CPE共混體系力學(xué)性能的影響,固定 CPVC和 CPE的份數(shù)分別為100份和15份,改變ABS的添加量。CPVC樹脂的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別為75 MPa和4 kJ/m2,ABS樹脂的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別為44 MPa和30 kJ/m2。從圖1可以看出,采用 ABS和CPE對(duì)CPVC共混改性后,CPVC/ABS/CPE三元共混體系的拉伸強(qiáng)度隨著ABS含量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著ABS含量的增加,體系中CPE的相對(duì)含量降低,而CPE本身的拉伸強(qiáng)度很低,所以共混體系的拉伸強(qiáng)度上升。當(dāng)CPVC和ABS的配比為7∶3時(shí),CPVC/ABS/CPE三元共混體系的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。進(jìn)一步增加ABS的用量,體系中的拉伸強(qiáng)度較高的CPVC相對(duì)含量降低,使共混體系的拉伸強(qiáng)度下降。

圖1 ABS含量對(duì)CPVC/ABS/CPE三元共混體系力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of ABS content on the mechanical properties of CPVC/ABS/CPE blends

從圖1還可以看出,CPVC/ABS/CPE三元共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度隨著ABS含量的增加呈先下降后上升再下降的趨勢(shì),這是由于CPE是CPVC的良好增韌劑,當(dāng)用量為15份時(shí)在CPVC中形成增韌網(wǎng)絡(luò),CPVC/CPE體系的沖擊強(qiáng)度達(dá)到17 kJ/m2,當(dāng)加入少量ABS后,破壞了CPE的增韌網(wǎng)絡(luò),造成共混體系的韌性降低。但ABS本身也具有良好的韌性,當(dāng)進(jìn)一步增加ABS的用量時(shí),三元共混體系的韌性有所提高,并在CPVC和ABS的配比為7∶3時(shí),缺口沖擊強(qiáng)度也出現(xiàn)了峰值。綜上所述,在固定 CPE為15份時(shí),當(dāng) CPVC和ABS的比例為7:3時(shí),三元共混物具有較好的綜合性能。

圖2 CPVC/ABS/CPE三元共混物的流變曲線Fig.2 The rheological curves for CPVC/ABS/CPE blends

從圖2可以看出,隨著ABS用量的增加共混物的平衡扭矩明顯降低,共混體系達(dá)到平衡的時(shí)間縮短,即塑化時(shí)間縮短。由此可見,ABS能有效降低共混物的熔體黏度,從而改善了CPVC的加工性能。但當(dāng)ABS用量增加至67份時(shí),共混體系的熱穩(wěn)定時(shí)間縮短,主要是共混體系中熱穩(wěn)定劑的相對(duì)含量減小,對(duì)CPVC的熱穩(wěn)定作用降低,若延長(zhǎng)熱穩(wěn)定時(shí)間,需要增加熱穩(wěn)定劑用量。

2.2 CPE含量對(duì)共混物力學(xué)性能及形態(tài)的影響

固定CPVC和ABS的份數(shù)分別為100份和43份(配比為7∶3),改變 CPE的添加量。從圖3可以看出,隨著CPE含量的增加,CPVC/ABS/CPE三元共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)CPE含量大于15份時(shí),三元共混體系發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變,缺口沖擊強(qiáng)度開始大幅度提高。一方面,CPE是 CPVC良好的增韌劑;另一方面,在ABS中存在兩相結(jié)構(gòu),即苯乙烯-丙烯腈(SAN)樹脂相和聚丁二烯橡膠相[6],CPVC與SAN相容性較好而與橡膠相不相容,而CPE中的乙烯段與ABS中的丁二烯段結(jié)構(gòu)相似,二者具有一定的微觀相互作用,所以CPE的加入改善了CPVC與橡膠相的相容性,進(jìn)而改善了CPVC和ABS的相容性,使得共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度大幅度提高。但三元共混體系的拉伸強(qiáng)度隨CPE用量的增加呈下降趨勢(shì),這是由于CPE作為一種彈性體,拉伸強(qiáng)度低,使共混體系拉伸強(qiáng)度降低。

圖3 CPE含量對(duì)CPVC/ABS/CPE三元共混體系力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of CPE content on the mechanical properties of CPVC/ABS/CPE blends

從圖4可以看出,當(dāng)CPE含量為0份時(shí),共混體系的沖擊斷面比較平整,隨著CPE含量的增加,沖擊斷面上出現(xiàn)了一些網(wǎng)狀突起,當(dāng)CPE含量大于15份時(shí),沖擊斷面有大量的等軸拋物線韌窩出現(xiàn),是典型的韌性斷裂特征,進(jìn)一步表明材料發(fā)生了韌性斷裂。

圖4 CPVC/ABS/CPE三元共混體系的斷面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM micrographs for the fracture surface of CPVC/ABS/CPE blends

3 結(jié)論

(1)ABS能夠有效降低CPVC/ABS/CPE三元共混體系的扭矩,促進(jìn)CPVC的塑化,縮短CPVC的塑化時(shí)間,從而改善了CPVC的加工性能;

(2)當(dāng)三元共混體系中CPVC和ABS的配比為7∶3時(shí),三元共混體系的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳;

(3)CPE的加入促進(jìn)了CPVC與丁二烯橡膠相的相互作用,從而改善了CPVC和ABS的相容性,使三元共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度大幅提高。CPE對(duì)三元共混體系增韌效果優(yōu)異,以15份為宜。

[1] 徐 瑾,萬 青,王習(xí)群.無機(jī)填料改善 CPVC/PVC合金耐熱性能的研究[J].中國(guó)塑料,2005,19(4):29-32.

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[6] 周麗玲,藺玉勝,楊靜漪,等.ABS增韌硬質(zhì)聚氯乙烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)和增韌機(jī)理[J].中國(guó)塑料,2008,22(10):27-30.

Study on the Relationship Between Compositions and Properties of CPVC/ABS/CPE Ternary Blends

MA Jun1,YUAN Maoquan2,MU Nanxiang1,HU Meihua2,WAN GJian2,WU Dezhen1＊
(1.State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering,College of Materials Science&Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Shanghai Chlor-Alkli Chemical Company,Shanghai 200241,China)

In this paper,the relationship between compositions and properties of chlorinated poly(vinyl chloride)/acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer/chlorinated polyethylene(CPVC/ABS/CPE)ternary blends was studied.The torque of CPVC/ABS/CPE decreased and thus the plasticizing time was reduced significantly with increasing content of ABS.When the weight ratio of CPVC to ABS was 7∶3,the CPVC/ABS/CPE ternary blends displayed the best mechanical properties.CPE had good toughening effects on CPVC/ABS/CPE ternary blends,and the optimum dosage was 15 phr.

chlorinated poly(vinyl chloride);acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer;chlorinated polyethylene;blending;modification

TQ325.3

B

1001-9278(2010)07-0024-04

2010-03-16

國(guó)家支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007BAE50B02)

＊聯(lián)系人,wdz@mail.buct.edu.cn