塑化聚乙烯醇的流變性能及發(fā)泡行為研究

吳文倩，賈青青，高倫巴根，項(xiàng)愛(ài)民

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

塑化聚乙烯醇的流變性能及發(fā)泡行為研究

吳文倩，賈青青，高倫巴根，項(xiàng)愛(ài)民＊

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

采用毛細(xì)管流變儀對(duì)聚乙烯醇（PVA）的流變性能進(jìn)行了表征，用差示掃描量熱儀研究了降溫速率對(duì)PVA結(jié)晶性能的影響，并通過(guò)在PVA中添加化學(xué)發(fā)泡劑熔融擠出的方法制備了PVA發(fā)泡材料，用掃描電子顯微鏡和密度測(cè)試儀分別對(duì)發(fā)泡材料的泡孔形態(tài)和密度進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，PVA對(duì)剪切作用非常敏感，在低剪切速率下熔體黏度較大，泡孔分布均勻，材料密度較小；在高剪切作用下熔體黏度低，氣體容易逃逸，導(dǎo)致發(fā)泡材料泡孔破裂或合并；低降溫速率下熔體黏度小，泡孔易合并、塌陷；在較高的降溫速度下，由于氣體壓力過(guò)大而造成氣泡合并、連通，材料密度大。

聚乙烯醇；流變性能；結(jié)晶性能；泡孔形態(tài)；表觀密度

0 前言

PVA是親水性很好的環(huán)境友好高分子材料。PVA泡沫材料具有環(huán)保性、耐熱性、抗靜電性、生物相容性、阻透性、耐溶劑性好等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，在制備水處理用過(guò)濾及吸附材料、隔音及隔熱材料、土壤保濕、保鮮以及多功能復(fù)合泡沫材料等方面具有突出優(yōu)勢(shì)[3]?，F(xiàn)有PVA泡沫材料多采用溶液發(fā)泡或模壓發(fā)泡法制備[4]，工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本高，限制了其應(yīng)用。PVA的連續(xù)擠出發(fā)泡可以大大提高PVA的生產(chǎn)效率，降低成本，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用空間。但PVA分子極性大、熔點(diǎn)高，熔融溫度與分解溫度接近，難以熱塑成型是實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠出發(fā)泡的難點(diǎn)。也有一些學(xué)者對(duì)PVA擠出發(fā)泡進(jìn)行了研究，彭賢賓等[5]采用水作增塑劑兼物理發(fā)泡劑，在普通單螺桿擠出設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了PVA的熔融擠出連續(xù)發(fā)泡，研究了水含量、口模溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PVA發(fā)泡成型性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)乃?、口模溫度以及螺桿轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)PVA/水體系穩(wěn)定發(fā)泡的關(guān)鍵因素。Ramesh等[6]研究了以水和乙醇作為發(fā)泡劑時(shí)PVA 熔融擠出連續(xù)發(fā)泡行為，制備出了水溶性可調(diào)、密度為32～35.2kg/m3的PVA發(fā)泡材料。

筆者在前期的研究工作中，采用醇胺類塑化改性劑及流動(dòng)改性劑通過(guò)專用塑化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了PVA的熱塑成型。本文在PVA塑化的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加吸熱型發(fā)泡劑，研究了PVA塑化后連續(xù)擠出發(fā)泡過(guò)程中的流變性能和發(fā)泡行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)PVA的連續(xù)擠出發(fā)泡具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PVA，PVA1799，日本可樂(lè)麗公司；

塑化改性劑（季戊四醇和山梨醇以1∶1配比），北京工商大學(xué)；

化學(xué)發(fā)泡劑，601，美國(guó)礦工公司；

滑石粉，5μm，北京藍(lán)寧公司；

二氧化硅，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

毛細(xì)管流變儀，RHEOGRAPH－2001，直徑1mm，長(zhǎng)徑比為20/1，德國(guó)G?TTFERT公司；

差示掃描量熱儀（DSC），Q100，美國(guó)TA儀器公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），TESCAN VEGAⅡ，捷克TESCAN S R O公司；

擠出機(jī)，LTE26－40，瑞典Lab Tech公司；

平板硫化機(jī)，YX－45，瑞士Lab Scientific公司；

密度測(cè)試儀，ULTRAPYC 1200e，美國(guó) Quantachrome Instruments公司。

1.3 樣品制備

將塑化PVA/發(fā)泡劑601/成核劑滑石粉/二氧化硅等按照100/1.0/1.0/0.5的比例在高速混合機(jī)內(nèi)共混，于單螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行擠出發(fā)泡，螺桿轉(zhuǎn)速分別為10、15、20、30、40、80r/min，各區(qū)溫度（從加料區(qū)到機(jī)頭）分別為加料區(qū)185℃、2區(qū)200℃、3區(qū)210℃、4區(qū)205℃，機(jī)頭195℃。得到PVA擠出發(fā)泡樣品，流程圖如圖1所示。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

毛細(xì)管流變特性：將塑化PVA粒料加入毛細(xì)管流變儀中，分別于220、225、230℃下進(jìn)行測(cè)定，剪切速率范圍0～4000s－1，經(jīng)過(guò)預(yù)壓，預(yù)熱6min后進(jìn)行測(cè)試，考察PVA的流變性能；

圖1 發(fā)泡工藝流程圖Fig.1 Chart of foaming process

非等溫結(jié)晶性能測(cè)試：采用DSC，取已制得的塑化PVA料3～5mg，迅速加熱至240℃，停留3min以消除熱歷史，然后分別以5、10、20、40℃/min的速率降溫至100℃，得到結(jié)晶曲線；

泡孔形態(tài)測(cè)試：將發(fā)泡材料用液氮脆斷，鍍金處理后用SEM觀察；

密度測(cè)試：將PVA發(fā)泡材料在密度測(cè)試儀上測(cè)試密度，氮?dú)猸h(huán)境，壓力17MPa，測(cè)量3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切速率對(duì)表觀黏度（ηa）的影響

PVA的擠出發(fā)泡行為與其發(fā)泡時(shí)的熔體黏度有密切的關(guān)系，熔體黏度同時(shí)受溫度和剪切速率的影響。從圖2可以看出，在不同的測(cè)試溫度下，剪切應(yīng)力（τ）隨著剪切速率的增加均增加，只是增加的幅度隨著剪切速率的增大而減小，在相同的剪切速率下，溫度升高，剪切應(yīng)力減小，這是因?yàn)榧羟兴俾实脑龃笃茐牧薖VA的結(jié)構(gòu)，因此剪切應(yīng)力下降；在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，溫度越高，材料的流動(dòng)性越好，剪切應(yīng)力相應(yīng)也越??；從圖3可以看出，PVA呈現(xiàn)剪切變稀行為，這是由于在高頻下，取向時(shí)間小于松弛時(shí)間，流體阻力減小；此外高剪切下分子鏈的解纏作用也會(huì)導(dǎo)致黏度下降。

圖2 不同溫度時(shí)PVA的剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系Fig.2 Relationships betweenτ of PVA andat different temperatures

圖3 不同溫度時(shí)PVA的lgηa和lg的關(guān)系Fig.3 Relationships between lgηaof PVA and lgat different temperatures

圖4 不同溫度時(shí)PVA的表觀黏度和剪切速率的關(guān)系Fig.4 Relationships betweenηaof PVA andat different temperatures

從圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，高醇解度PVA熔體的表觀黏度隨剪切速率的增加急劇下降，呈現(xiàn)明顯的假塑性流體特性，值得注意2點(diǎn)：（1）同一溫度下，在低剪切速率下（0～600s－1）PVA熔體的表觀黏度隨著剪切速率的上升而急劇下降，在中高剪切速率下（600～2400s－1），PVA熔體的表觀黏度下降逐漸趨緩；（2）PVA表觀黏度對(duì)溫度變化非常敏感，溫度升高，表觀黏度降低，這種現(xiàn)象在低剪切速率下更加明顯，這是因?yàn)闇囟壬?，PVA分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距離增大，熔體自由體積增加，導(dǎo)致PVA分子鏈間相互作用力減小，鏈段更易活動(dòng)，體系流動(dòng)性增大。但是在225℃后，低頻下（0～240s－1）PVA熔體的流動(dòng)曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即高溫時(shí)的黏度反而高于低溫時(shí)的黏度，比如，240s－1時(shí)，225℃時(shí)熔體的表觀黏度為726Pa·s，230℃表觀黏度為738Pa·s，在剪切速率為900～3000s－1時(shí)，上述兩溫度下PVA熔體的表觀黏度均在同一區(qū)間范圍內(nèi)基本穩(wěn)定，只略微緩慢下降。這使得通常情況下通過(guò)提高溫度降低熔體黏度的設(shè)想受到限制，但黏度在高頻區(qū)的穩(wěn)定十分有利于在該剪切區(qū)間內(nèi)加工設(shè)計(jì)發(fā)泡材料，因?yàn)橹苽浒l(fā)泡材料在加大轉(zhuǎn)速的條件下還需要穩(wěn)定熔體黏度和強(qiáng)度來(lái)提高泡孔穩(wěn)定性。當(dāng)剪切速率大于700s－1時(shí)，230℃的表觀黏度又小于225℃，且表觀黏度下降速率隨剪切速率的增大而增大（圖4），該剪切速率下不利于泡孔形成和穩(wěn)定。

2.2 剪切速率對(duì)PVA非牛頓指數(shù)的影響

假塑性高分子的流變行為可以用Ostwarld de－Wale冪律方程表示，如式（1）、（2）所示：

式中 K——與溫度有關(guān)的參數(shù)

n——非牛頓指數(shù)

圖5 不同溫度時(shí)PVA的lgτ和lg的關(guān)系Fig.5 Relationships between lgτof PVA and lgat different temperatures

圖6 不同溫度時(shí)PVA的n和lg的關(guān)系Fig.6 Relationships between nof PVA and lgat different temperatures

對(duì)牛頓流體n＝1，K＝η0（零切黏度）；非牛頓流體情況下，n＜1，n偏離1的程度越大，表示材料的假塑性越強(qiáng)。圖5為lgτ和lg的關(guān)系曲線。用上述方程來(lái)描述PVA熔體的流動(dòng)性為可求出上述3個(gè)溫度下的非牛頓指數(shù)與剪切速率的關(guān)系（nlg），如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，其n值先增大，然后減小，在低剪切速率下，n值小于1；高剪切速率下，n值大于1，推測(cè)可能是由于物料在毛細(xì)管內(nèi)停留時(shí)間太長(zhǎng)，PVA對(duì)熱的作用也較敏感，為流凝體，在中間頻率范圍內(nèi)，剪切和熱的作用下，時(shí)間和熱對(duì)PVA的流動(dòng)性貢獻(xiàn)較大，抵消了因剪切速率的增大而造成的黏度減??；在高頻下，剪切作用又占據(jù)主導(dǎo)作用，n值又下降。可以看出，剪切和熱對(duì)PVA的流動(dòng)性有很大的影響，調(diào)整合適的轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)整在螺桿內(nèi)的停留時(shí)間對(duì)于制備性能良好的PVA發(fā)泡制品起關(guān)鍵作用。

2.3 泡孔形態(tài)研究

2.3.1 擠出剪切速率與泡孔密度及形態(tài)的關(guān)系

前面研究指出，不同的剪切速率下熔體的表觀黏度不一樣，對(duì)發(fā)泡的影響也不一樣，為了研究剪切速率對(duì)PVA發(fā)泡材料泡孔結(jié)構(gòu)的影響，本文進(jìn)行了不同螺桿轉(zhuǎn)速下PVA熔體的發(fā)泡，各區(qū)溫度分別為加料區(qū)185℃，2區(qū)200℃，3區(qū)210℃，4區(qū)205℃，機(jī)頭195℃。螺桿轉(zhuǎn)速與發(fā)泡材料密度的關(guān)系如表1所示，泡體形態(tài)如圖7所示。

圖7 不同螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)PVA的泡孔形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs for cell morphologies of plasticized PVA at different roller speed

從圖7可以看到，在低剪切速率下，泡孔密度較大而且泡孔分布均勻，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高泡孔分布以及尺寸不均勻。在低剪切速率下，PVA熔體黏度較大，不易發(fā)生泡孔破裂或泡孔合并，有利于泡孔的穩(wěn)定，而且由于轉(zhuǎn)速較低，物料在螺桿內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，能夠使發(fā)泡劑和成核劑盡可能均勻地分布在PVA基體中，因此，泡孔尺寸分布以及泡孔分布均勻；隨著轉(zhuǎn)速的提高，PVA熔體黏度下降，因此出現(xiàn)了圖7（b）中的泡孔合并現(xiàn)象，氣泡呈現(xiàn)為變形的圓形或橢圓形，而且一些泡孔不具備完整的泡壁，存在較多的空洞，表明制備出的PVA發(fā)泡材料是開(kāi)、閉孔混合結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，黏度繼續(xù)下降，泡孔合并嚴(yán)重，而且由于在螺桿中停留時(shí)間變短，發(fā)泡劑和成核劑分布不均，造成泡孔合并；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到40r/min[圖7（e）]，熔體黏度已經(jīng)趨于平穩(wěn)，而且黏度較小，氣體極易從PVA熔體中逃逸出來(lái)，只有很少一部分氣體起到了作用，泡孔數(shù)量和尺寸均減少。

從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，材料的密度呈上升趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，泡孔均勻，泡孔合并現(xiàn)象不嚴(yán)重，因此密度小，隨著轉(zhuǎn)速提高，首先出現(xiàn)了泡孔合并現(xiàn)象，導(dǎo)致密度增大，轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，剪切作用增大，熔體黏度下降，泡孔合并，還因熔體黏度不夠造成了氣體的流失，發(fā)泡倍率下降。

表1 密度與螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系Tab.1 Relationships between apparent density and screw speed

2.3.2 口模溫度對(duì)泡孔形態(tài)以及密度的影響

對(duì)結(jié)晶材料而言，泡孔的形成與長(zhǎng)大并且在一定的泡孔尺寸下穩(wěn)定不僅與熔體強(qiáng)度有關(guān)，還與泡孔成核長(zhǎng)大過(guò)程中結(jié)晶過(guò)程相關(guān)。PVA為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，加入增塑劑后結(jié)晶度下降，但仍為結(jié)晶聚合物，表2為純的PVA與加入本文復(fù)配增塑劑15份后，在不同的降溫速率下PVA結(jié)晶度、結(jié)晶峰溫（Tp）、結(jié)晶起始溫度（Tonset）數(shù)據(jù)。此處相對(duì)結(jié)晶度按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

表2 不同降溫速率時(shí)PVA的結(jié)晶參數(shù)Tab.2 Non－isothermal crystallization parameters of plasticized PVA at different cooling rates

式中 XC——相對(duì)結(jié)晶度，%

ΔHf——樣品的熔融焓，J/g

ΔHf0——高醇解度 PVA 的標(biāo)準(zhǔn)熔融焓，為138.6J/g[7]

從表2可以看出，隨著降溫速率的增加，PVA的相對(duì)結(jié)晶度下降，結(jié)晶峰溫以及結(jié)晶起始溫度均降低，結(jié)晶半峰寬增大，說(shuō)明在較快的降溫速率下，生成的晶體尺寸以及分布均勻性變差。

本文通過(guò)控制機(jī)頭溫度的方法來(lái)間接調(diào)節(jié)PVA擠出時(shí)的降溫速率。材料出口后采用風(fēng)冷的方法對(duì)其進(jìn)行冷卻。螺桿轉(zhuǎn)速為10r/min，螺桿各區(qū)的擠出溫度如表3所示。

表3 擠出機(jī)各區(qū)溫度Tab.3 Temperature of different sections of the extruder

從圖8可以看出，在較高的機(jī)頭溫度下（降溫速率慢），由于在較高的溫度下PVA熔體黏度小，流動(dòng)性相對(duì)較好，熔體強(qiáng)度不足以抵抗氣體壓力，因此泡孔破裂、合并，在發(fā)泡過(guò)程中可以觀察到發(fā)泡材料塌陷、褶皺的現(xiàn)象；隨著口模溫度的降低，熔體強(qiáng)度增大，泡孔合并現(xiàn)象不明顯，而且在較慢的降溫速率下晶體尺寸分布均勻，結(jié)晶成核點(diǎn)可以作為泡孔長(zhǎng)大的成核點(diǎn)，此時(shí)也利于泡孔成核，均勻長(zhǎng)大；在較快的降溫速度下，由于PVA熔體的黏度較大，分子鏈運(yùn)動(dòng)相對(duì)困難，阻止了泡孔的增長(zhǎng)，但是由于氣體被包裹在PVA基體中，泡孔內(nèi)的壓力急劇上升，最后必然超過(guò)泡壁的強(qiáng)度，導(dǎo)致泡壁的破裂，形成一種相互貫穿的泡孔結(jié)構(gòu)材料。

圖8 不同機(jī)頭溫度時(shí)PVA發(fā)泡材料的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM micrographs for cell morphologies of foamed PVA at different temperature

從表4可以看出，發(fā)泡材料的密度先下降，后上升。這進(jìn)一步支持了對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的解釋，即在高口模溫度下進(jìn)行的擠出發(fā)泡，因其泡壁的模量和強(qiáng)度較低，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體壓力容易導(dǎo)致泡壁破裂，同時(shí)，氣體在PVA熔體中的擴(kuò)散系數(shù)大，在兩方面的共同作用下，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體部分逃逸出去，利用效率降低，因而導(dǎo)致材料的密度高；當(dāng)口模溫度調(diào)整到合適的水平時(shí)，PVA的模量和強(qiáng)度都得到提高，可以抵抗氣體壓力，同時(shí)PVA的分子鏈段可以運(yùn)動(dòng)并重新排列，因而泡壁在氣體壓力推動(dòng)下向外擴(kuò)張，導(dǎo)致氣泡中的氣體壓力降低，同時(shí)由于PVA熔體黏度有所提高，氣體在其中的擴(kuò)散系數(shù)降低，氣體損失小，密度降低；然而當(dāng)口模擠出溫度繼續(xù)降低時(shí)，PVA黏度急劇上升，高黏度限制了PVA分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，這樣發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體被限制、禁錮在氣泡中，因而氣體壓力迅速上升，當(dāng)氣泡內(nèi)氣體壓力超過(guò)泡壁強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致泡壁破裂，得到較高密度，相互貫穿的發(fā)泡材料。

表4 不同機(jī)頭溫度時(shí)PVA發(fā)泡材料的密度Tab.4 Apparent density of foamed PVA at different temperatures

3 結(jié)論

（1）剪切速率對(duì)PVA表觀黏度影響極大，隨著剪切速率的提高表觀黏度減小，在低頻下黏度變化幅度大，高頻下黏度變化??；剪切速率對(duì)非牛頓指數(shù)有較大影響，隨著剪切速率的提高，非牛頓指數(shù)先增大后減?。?/p>

（2）在低剪切速率下PVA熔體黏度較大，泡孔分布均勻，材料密度較??；在高剪切作用下PVA熔體強(qiáng)度低，氣體容易逃逸，導(dǎo)致發(fā)泡材料泡孔破裂或合并，發(fā)泡效率低，密度大；

（3）較低的降溫速度下，晶體尺寸分布均勻，PVA熔體黏度適中，發(fā)泡材料氣泡尺寸小、分布均勻；較高的降溫速度下，PVA結(jié)晶峰溫低，晶體尺寸不均，而且由于氣體擴(kuò)散系數(shù)低，氣體壓力過(guò)大而造成氣泡合并、聯(lián)通，材料密度大；調(diào)整擠出速度和溫度可以制備泡孔尺寸均勻的發(fā)泡材料。

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Rheological and Foaming Behaviors of Plasticized Poly（vinyl alcohol）

WU Wenqian，JIA Qingqing，GAOLUN Bagen，XIANG Aimin＊
（School of Materials and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

The rheological behavior of plasticized poly（vinyl alcohol）（PVA）was investigated with capillary rheometer.The effect of cooling rate on crystallization properties of PVA was studied with differential scanning calorimetry analyzer（DSC）.The PVA foams were fabricated by filling chemical foaming agent through melt extrusion，and the cell morphology and the density of the foams were investigated with scanning electron microscope（SEM）and density tester.It showed that PVA was sensitive to the shearing effect.At low shear rate，the melt viscosity of PVA was high，leading to the homogeneous distribution of the cells and a low density；at high shear rate，the melt viscosity of PVA was low and the gas was easy to escape，leading to the break or combination of the cells.At lower cooling rate，the melt viscosity was lower，leading to the combination or collapse of the cells.At higher cooling rate，the cell combined due to the excessive gas pressure，resulting in the higher density of the foams.

poly（vinyl alcohol）；rheological behavior；crystallization；cell morphology；apparent density

TQ325.9

B

1001－9278（2011）08－0069－06

2011－08－01

北京工商大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金（19000101026）

＊聯(lián)系人，xaming＠th.btbu.edu.cn