PVC制品用聚乙烯蠟性能研究

黃海亮

（廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司，廣東 順德 528318）

0 引言

在建材市場中，聚氯乙烯（PVC）制品是其中一類非常常見的產(chǎn)品，包括卷材、管材[1]、板材等，是建材市場中的重要成員。

PVC配方體系對制品的性能有著重要的影響。在PVC材料配方體系中，潤滑劑是一類非常重要的添加劑。這類添加劑能降低PVC材料體系之間及物料和加工設(shè)備表面的摩擦力，減少摩擦熱生成。通過調(diào)節(jié)配方體系中潤滑劑的搭配，不僅能調(diào)整材料體系塑化時間以適應(yīng)不同的加工設(shè)備和生產(chǎn)工藝，也可以延長PVC配方的熱穩(wěn)定時間，改善制品的著色性[2-3]。

聚乙烯蠟（PE Wax）是其中一類常見的非極性潤滑劑，其化學(xué)組成是長鏈飽和脂肪族烷烴，與PVC樹脂相容性較差，常用于調(diào)整體系外潤滑特性，減少PVC熔體和設(shè)備金屬表面之間的粘附性和摩擦力[4]。為了了解不同牌號聚乙烯蠟的差異，下面將對兩個不同牌號的聚乙烯對PVC材料體系的塑化性能、潤滑特性以及熱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。

1 實驗原料設(shè)備

1.1 原料

聚氯乙烯樹脂粉、鈣鋅熱穩(wěn)定劑、碳酸鈣、鈦白粉、單甘酯、加工助劑（聚丙烯酸酯類）以及不同牌號的聚乙烯蠟（下文簡稱為“Wax-1”以及“Wax-2”），以上均為市售工業(yè)級原料。

1.2 儀器設(shè)備

轉(zhuǎn)矩流變儀：Polylab OS型，美國Thermo Scientific公司；熱重分析儀：TG209 F3型，德國耐馳（NETZSCH）公司。

1.3 測試方法

（1）轉(zhuǎn)矩流變測試。按比例稱取不同份數(shù)的聚乙烯蠟（0、0.25、0.5、0.75以及1phr）以及其他原料（聚氯乙烯樹脂粉、鈣鋅熱穩(wěn)定劑、碳酸鈣、鈦白粉、單甘酯），并在高速攪拌機(jī)中攪拌一段時間，隨后稱取72~84g樣品加入轉(zhuǎn)矩流變儀中進(jìn)行試驗，其中混煉器溫度為182℃~190℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25r/min。待試驗結(jié)束后迅速取下物料壓片，并對比不同條件下所得樣品的顏色變化情況。

（2）熱重分析。按比例稱取0.5phr的聚乙烯蠟以及其他原料（聚氯乙烯樹脂粉、鈣鋅熱穩(wěn)定劑、碳酸鈣、鈦白粉、單甘酯），并在高速攪拌機(jī)中攪拌一段時間，取10~20mg在不同升溫速度（15、20、25以及30℃/min）下進(jìn)行測試，得到對應(yīng)的最大失重速度對應(yīng)的溫度，進(jìn)而計算對應(yīng)樣品的熱分解活化能。

2 結(jié)果分析

2.1 塑化性能

圖1是兩種潤滑劑體系的流變曲線，表1是不同潤滑體系的塑化性能指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，表2是采用線性擬合的方法得到不同體系三個指標(biāo)數(shù)據(jù)組的擬合直線斜率。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，隨著添加份數(shù)的增加，Wax-1在塑化扭矩以及平衡扭矩的數(shù)據(jù)變化的幅度更大，Wax-2在塑化時間的變化幅度更大，因此可以說明在預(yù)定的實驗條件下，Wax-1不僅能有效降低體系的塑化扭矩以及熔體粘度，同時在延長塑化時間的作用比Wax-2小，避免體系塑化時間過分延長，因此Wax-1比Wax-2更能保證加工效率。

表1 不同潤滑體系的塑化性能數(shù)據(jù)

表2 擬合直線的斜率

2.2 外潤滑特性

表3 第二扭矩差計算結(jié)果

由于聚乙烯蠟常被用作外潤滑劑，因此采用“第二扭矩差”的指標(biāo)對兩種聚乙烯蠟的外潤滑特性進(jìn)行評價。第二扭矩差也就是塑化扭矩與平衡扭矩的差值，其數(shù)值越小，證明潤滑體系的外潤滑作用越強(qiáng)[5]。計算結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，在相同添加份數(shù)的條件下，Wax-1材料體系的數(shù)據(jù)都是比Wax-2材料體系的數(shù)據(jù)小，因此可以說明Wax-1在改善體系外潤滑特性方面的作用比Wax-2更明顯，更有利于降低熔體的粘度。

2.3 熱穩(wěn)定性

聚乙烯蠟作為常用的外潤滑劑，能有效降低PVC熔體以及加工設(shè)備金屬表面之間的摩擦熱，進(jìn)而延緩PVC分子鏈降解過程，提升整個材料體系的熱穩(wěn)定性，此處采用轉(zhuǎn)矩流變法[6]對兩個不同材料體系的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可見，隨著聚乙烯蠟的加入量不斷增多，體系外滑特性不斷增強(qiáng)，物料所受的剪切作用不斷減弱，PVC分子鏈的降解速度也隨之降低，樣品變色程度也不斷減弱。相比之下，在同樣的添加份數(shù)條件下，Wax-1對應(yīng)的樣品顏色明顯更淺。當(dāng)添加份數(shù)為1的時候，Wax-1對應(yīng)樣品基本保持白色狀態(tài)，而Wax-2對應(yīng)樣品已經(jīng)明顯變黃，因此，Wax-1在改善材料體系熱穩(wěn)定性方面的作用比Wax-2更明顯。

針對圖2中兩種聚乙烯蠟添加份數(shù)為0.5phr樣品對應(yīng)的干混料，通過熱重法測試在不同升溫速度下得到的最大失重速率對應(yīng)的溫度Tmd，如表4所示。隨后通過Kim-Park法[7-9]計算兩個共混物樣品對應(yīng)的熱分解活化能Ea，其動力學(xué)方程如下式所示，計算結(jié)果如表5所示。

其中，Tmd為最大熱分解速率時對應(yīng)的溫度；Ea為分解活化能，β為升溫速率，A為指前因子，R為氣體常數(shù)，n為反應(yīng)級數(shù)。通過上式可知，lnβ對1/Tmd作圖為一條直線，通過直線斜率可以算出對應(yīng)的Ea。

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，在同樣的添加份數(shù)下，兩種PVC材料體系的Tmd均隨著升溫速度的增加而上升，這是因為樣品在高升溫速度下的溫度滯后作用所導(dǎo)致的。通過表5的數(shù)據(jù)可以看出，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，線性關(guān)系良好。而Wax-1材料體系的Ea比Wax-2材料體系的數(shù)據(jù)更大，這也再次證明前者對于體系熱穩(wěn)定性能的改善效果更明顯。

表4 熱重測試結(jié)果

表5 Kim-Park法計算結(jié)果

3 結(jié)語

通過實驗結(jié)果可知，與Wax-2相比，Wax-1在降低塑化扭矩以及平衡扭矩的效果更明顯，調(diào)整體系外潤滑特性的效果更突出，同時避免過分延長塑化時間，因此更能保證加工效率。通過變色情況對比結(jié)果以及活化能的計算結(jié)果可以看出，Wax-1在改善體系熱穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢。因此，在本文預(yù)設(shè)的實驗條件下，Wax-1比Wax-2更適合用于實際的加工應(yīng)用。