聚氯乙烯樹脂增韌改性研究淺析

江羿鋒

【摘要】作為通用型樹脂的代表，聚氯乙烯（以下簡(jiǎn)稱PVC）樹脂以其低廉的成本、廣泛的用途、優(yōu)良的性能成為市場(chǎng)上應(yīng)用十分廣泛的樹脂材料。然而作為通用型樹脂，PVC也存在一系列性能方面的短板，如熱穩(wěn)定性較差、熱加工不便、流動(dòng)性差、收縮率較低、耐候性較差等，所以對(duì)其進(jìn)行改性一直是業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)，其中增強(qiáng)其韌性的改性更是重中之重。因此本文對(duì)近年來PVC增韌改性方面的成果進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比和簡(jiǎn)要的分析。

【關(guān)鍵詞】聚氯乙烯樹脂 增韌改性 研究

一、電石渣增韌改性

作為PVC生產(chǎn)及消費(fèi)的大國(guó)，我國(guó)PVC年產(chǎn)量為1600萬噸左右，其中由于自然資源稟賦所限，以電石法生產(chǎn)為主，其產(chǎn)能占總產(chǎn)能的百分之八十以上。而作為生產(chǎn)廢棄物，電石渣的處理問題也一直困擾著各個(gè)企業(yè)。電石渣主要由CaCO3、CaO、SiO2及其他一些金屬氧化物、堿組成，雖然是一種工業(yè)廢棄物，但電石渣穩(wěn)定性較好，耐熱、耐磨，并具有較好的分散性，因此可以作為復(fù)合材料的填充物加以利用。經(jīng)過一系列試驗(yàn)證明，若僅僅將電石渣和PVC兩者直接進(jìn)行混合，由于兩者的極性相差較大使得最終的產(chǎn)品相容性較差，所以在用電石渣進(jìn)行填充時(shí)偶聯(lián)劑的作用就變得十分重要。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，在填料份數(shù)為10phr的情況下填充電石渣與填充重質(zhì)碳酸鈣的增韌改性效果相當(dāng)。而目前對(duì)PVC進(jìn)行填充加工時(shí)重質(zhì)碳酸鈣已經(jīng)成為了一種通用型填料，所以電石渣在PVC樹脂的加工應(yīng)用中也將會(huì)取得較好的效果。在偶聯(lián)劑的選擇方面，經(jīng)過試驗(yàn)證明硅烷偶聯(lián)劑KH570效果更為突出，這得益于其較為特殊的分子結(jié)構(gòu)，首先電石渣中的主要成分為Ca（OH）2，含有大量的羥基，而KH570中的甲氧基團(tuán)經(jīng)過水解縮聚后與電石渣中的羥基相互作用形成氫鍵或反應(yīng)生成共價(jià)鍵，促進(jìn)偶聯(lián)劑與填充物的結(jié)合；其次KH570中還含有異丁烯酸丙脂基，與PVC分子鏈實(shí)現(xiàn)較為緊密的結(jié)合，因此大大增加了電石渣與PVC的相容性。

而隨著填充料電石渣份數(shù)的增加，PVC樹脂的各項(xiàng)力學(xué)性能都獲得了相應(yīng)的提升，根據(jù)數(shù)據(jù)的對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電石渣填充份數(shù)達(dá)到20phr時(shí)樹脂的力學(xué)性能最優(yōu)，其沖擊強(qiáng)度與純樣相比提高了43.8%。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行填料填充時(shí)無機(jī)粒子的加入量較少時(shí)填料無法很好地與基體結(jié)合并在其中分散，造成增韌效果不明顯，而如果填料添加過多，則會(huì)導(dǎo)致填料顆粒在基體中分布不均勻，甚至產(chǎn)生填料團(tuán)聚，基體分子鏈間間距增大，進(jìn)而導(dǎo)致樹脂整體的力學(xué)性能下降，甚至產(chǎn)生銀紋、斷裂等現(xiàn)象。

二、PVC/CPE/CaCO3增韌體系

氯化聚乙烯（CPE）因價(jià)格低廉、增韌效果較好而在以往的PVC改性研究中被廣泛使用，并由此衍生出了多種PVC增韌改性體系，其中應(yīng)用較廣的就是PVC/CPE/CaCO3增韌體系，因其能在提高PVC韌性的同時(shí)基本保持拉伸強(qiáng)度。有研究表明在對(duì)PVC進(jìn)行填充前先將CPE 與CaCO3混合，再與PVC及其它助劑一起混煉的二步混合法，能在原有基礎(chǔ)之上顯著改善 CaCO3在基體中的分散，形成更為理想的填充體系。由于CPE在體系中也充當(dāng)了偶聯(lián)劑的作用，所以其添加量的大小會(huì)對(duì)填充體系的相容性及沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。

PVC/CPE/CaCO3增韌體系中存在CPE的脆韌轉(zhuǎn)變量，即當(dāng)CPE的含量低于20phr時(shí)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度會(huì)顯著上升。在加入相同含量的CaCO3時(shí)，CPE加入量為10phr的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為12.32KJ/m2，而未加入CPE的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度僅為4.52KJ/m2。而當(dāng)CPE含量由0增長(zhǎng)至10phr的過程中，其沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出迅速升高的趨勢(shì)，之后當(dāng) CPE含量由10phr增加至20 phr時(shí)，其沖擊強(qiáng)度又呈現(xiàn)出逐漸緩慢下降的趨勢(shì)。

從試驗(yàn)整體反應(yīng)的情況筆者還發(fā)現(xiàn)雖然CPE 的加入會(huì)使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降，但拉伸強(qiáng)度與CPE含量關(guān)系的曲線圖卻顯示當(dāng)CPE的含量由5phr增加至15 phr時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度數(shù)值并沒有明顯的變化，基本呈現(xiàn)為水平線。而當(dāng)CPE 含量為 10 phr 時(shí)，其沖擊強(qiáng)度為未添加試樣的近三倍，反觀其拉伸強(qiáng)度只下降了25%左右。因此我們可以認(rèn)為在PVC/CPE/CaCO3增韌體系中，當(dāng)CPE含量為10phr時(shí)其力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。

三、PVC/PUR-T/GF增韌體系

在有些對(duì)聚氯乙烯性能要求較高的場(chǎng)合，單純地通過無機(jī)物進(jìn)行填充加強(qiáng)已不能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)對(duì)其期待的標(biāo)準(zhǔn)，所以有時(shí)我們也會(huì)加大成本，采用對(duì)其填充有機(jī)物的方式進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。例如在汽車工業(yè)中我們常采取以熱塑性聚氨酯彈性體（PUR–T）為增韌劑、連續(xù)玻璃纖維（GF）為增強(qiáng)劑、以PVC為基體的增韌體系，通過熔體浸漬擠出工藝使其共混，可以得性能性能更為理想的PVC復(fù)合材料。

在之后的試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)隨著PUR–T或連續(xù)GF含量增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能均得到提高，相較于之前的無機(jī)填充提高了很多。當(dāng)PUR–T含量為25phr、GF含量為30phr時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了83.42MPa、缺口沖擊強(qiáng)度為19.81KJ/m2、彎曲強(qiáng)度為106.33MPa、彎曲彈性模量為8823.36MPa、維卡軟化溫度分別為74.1℃。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)我們還發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與GF的含量正相關(guān)，損耗因子則與之相反。

四、總結(jié)

通過對(duì)三種PVC增韌體系的研究我們發(fā)現(xiàn)PVC的增韌研究已日趨成熟，對(duì)各種填料的添加量與性能的關(guān)系也可通過各類試驗(yàn)得到詳盡的數(shù)據(jù)。當(dāng)然在各個(gè)體系當(dāng)中各種成分添加量對(duì)性能的影響還可以通過更廣泛的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。更重要的是對(duì)PVC的增韌改性采取何種方案還要取決于實(shí)際的需要，而實(shí)際的需要往往又隨著社會(huì)的發(fā)展和生活的需要在不斷擴(kuò)展外延。例如采用電石渣進(jìn)行填充可能出于處理工業(yè)廢料的考慮，而使用CPE、CaCO3作為增韌助劑則更多的是從降低成本的角度出發(fā)，至于使用有機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合加工，則是應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品性能要求更高的場(chǎng)合，盡管其成本要求更高一些，但這種復(fù)合材料自然具有相對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉軍艦，郝加杰，梁貴東，等.高性能聚氯乙烯復(fù)合材料的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2016，40（3）：44-48.

[2]黃大華.高填充聚氯乙烯的改性與環(huán)保研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]陳韓江，田生慧，何慧.電石渣增強(qiáng)改性聚氯乙烯塑料[J].高分子材料科學(xué)與工程，2015，31（12）：98-103.