徐偉,龐磊,劉濤,闞國濤

(宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644100)

PVC分子結(jié)構(gòu)中含電負(fù)性極強(qiáng)的氯原子，存在熱穩(wěn)定性能、流動性能、沖擊性能差，加工困難等問題，在不添加穩(wěn)定劑的情況下130 ℃左右就會分解，常溫缺口沖擊強(qiáng)度只有2～3 kJ/m2，需要進(jìn)行改性處理[1]。因此，人們致力于解決PVC樹脂沖擊性能、流動性能差等問題。目前，添加有機(jī)沖擊改性劑是提高硬質(zhì)PVC沖擊強(qiáng)度的主要途徑,而具有核-殼結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯類沖擊改性劑是綜合性能優(yōu)良的PVC沖擊改性劑,其不僅具有顯著的增韌效果,而且還可提高PVC材料的耐候性能[2]。但是，在某些專用領(lǐng)域(如酒瓶包裝底座等復(fù)雜薄壁注塑制品)，普通PVC材料的沖擊性能和流動性能仍達(dá)不到要求。

筆者利用核-殼結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯類沖擊改性劑來改善PVC材料的沖擊性能，并結(jié)合其他改性手段，進(jìn)一步提升PVC材料在常溫和低溫下的沖擊性能和流動性能，同時降低產(chǎn)品成本，拓展其在復(fù)雜薄壁注塑制品領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PVC-SG8，宜賓天原集團(tuán)股份有限公司；熱穩(wěn)定劑，TK238，重慶太岳科技有限公司；丙烯酸酯類沖擊改性劑MBS，B564，日本鐘淵化學(xué)工業(yè)公司；無機(jī)剛性粒子納米碳酸鈣，廣西華納新材料科技有限公司；硬脂酸，SA1840，河南昌煜化工產(chǎn)品有限公司；鈦白粉，金紅石型,R-996，四川龍蟒鈦業(yè)股份有限公司；PE蠟，CH-4，江陰市明星橡塑有限公司；乙撐雙硬脂酰胺，改性Ⅰ型，濟(jì)寧山鷹塑料助劑有限公司；流動促進(jìn)劑多官能團(tuán)酯，自制。

1.2 主要設(shè)備和儀器

高速混合機(jī)，SHR-100A，張家港億利機(jī)械有限公司；擠出造粒機(jī)，PolyLab OS，錐雙20/31.8，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；注塑機(jī)，250T，泰瑞機(jī)器股份有限公司；哈克轉(zhuǎn)矩流變儀，PolyLab OS，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；擺錘沖擊試驗機(jī)，XJC-50D，承德市精密試驗機(jī)有限公司；微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，CMT6104，深圳市新三思材料檢測有限公司；熔體流動速率測定儀，XNR-400C，廈門崇達(dá)智能科技有限公司。

1.3 樣品制備及測試方法

1.3.1 樣品制備

(1)按配方稱取原料，所有原料稱量精確到0.1 g，單次混料量為3 500 g。

(2)向高速混合機(jī)中依次加入PVC、熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、MBS，關(guān)閉高速混合機(jī)蓋子，鎖緊，打開開關(guān)，當(dāng)混合料溫升至105 ℃時停機(jī)、開蓋，加入納米碳酸鈣、鈦白粉，繼續(xù)混合，料溫達(dá)到120 ℃時關(guān)閉開關(guān)，出料。

(3)出料后，把物料置于通風(fēng)位置，冷卻至50 ℃以下(防止物料在持續(xù)高溫下結(jié)塊)，得到PVC預(yù)混料。

(4)預(yù)混料經(jīng)注塑成型，得到測試所需要的樣條。注塑工藝：塑化溫度為4段(155、165、178、172 ℃)，注塑壓力為95 MPa，注塑時間為14 s,冷卻時間為5 s。

1.3.2 測試方法

流變性能采用轉(zhuǎn)矩流變儀測試，測試條件：溫度175 ℃，轉(zhuǎn)速35 r/min,加料量74.5 g。

簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》測試，樣品尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，測試溫度為23、-25 ℃。

熔體質(zhì)量流動速率按照ASTM D1238-2004《熔融指數(shù)測試方法》測試，測試質(zhì)量為21.6 kg，測試溫度為190 ℃，測試時間為10 min。

彎曲性能按照GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》測試，樣品尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，彎曲速率為2 mm/min。

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》測試，A型試樣,拉伸速率為5 mm/min。

1.4 研究流程

研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程Fig.1 Study process

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊性能的改進(jìn)

高分子材料在受到足夠的外力作用時，將出現(xiàn)銀紋和局部的剪切變形[3],這是因為聚合物結(jié)構(gòu)不均勻而導(dǎo)致應(yīng)力集中。銀紋在產(chǎn)生和發(fā)展過程中將消耗能量，如果能夠促進(jìn)銀紋的生成,并適時終止使其不再發(fā)展成裂紋,則可以提高聚合物的韌性。MBS具有典型的核-殼結(jié)構(gòu)[4]，核是指丙烯酸酯橡膠粒子，其有利于銀紋的產(chǎn)生,提高沖擊性能。而納米碳酸鈣由于粒子的細(xì)微化，其比表面積大，因而與基體樹脂的接觸面積大，有利于引起PVC樹脂的銀紋化而吸收能量[5]。筆者考察了單獨添加MBS、納米碳酸鈣，以及同時添加MBS、納米碳酸鈣(質(zhì)量比1∶1)時，其用量對PVC材料沖擊性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 PVC材料的沖擊性能Fig.2 Impact properties of PVC materials

由圖2可知：未加入沖擊改性劑時，PVC材料的缺口沖擊強(qiáng)度只有2.3 kJ/m2；隨著MBS用量的增加，PVC材料的沖擊強(qiáng)度大幅提高；當(dāng)MBS用量>7份時，PVC材料沖擊強(qiáng)度的增幅較小。

納米碳酸鈣的增韌效果遠(yuǎn)不如MBS，其用量為7份時，增韌效果最佳；再增加其用量，增韌效果有降低的趨勢。這可能是由于過量的納米碳酸鈣會引起團(tuán)聚，分散不均勻所致。

同時添加MBS、納米碳酸鈣具有很好的協(xié)同增韌效果。單獨添加10份MBS時，PVC材料的沖擊強(qiáng)度為50.1 kJ/m2；單獨添加10份納米碳酸鈣時，PVC材料的沖擊強(qiáng)度為9.6 kJ/m2；同時加入10份MBS和納米碳酸鈣時，PVC材料的沖擊強(qiáng)度為65.8 kJ/m2，大于二者之和。

MBS和納米碳酸鈣對PVC材料的低溫沖擊性能影響不大，當(dāng)二者用量都為10份時，低溫沖擊性能最好(9.2 kJ/m2)。

2.2 流動性能的改進(jìn)

PVC由于含有電負(fù)性極強(qiáng)的氯原子，其分子間作用力大，流動性能差，加工困難，通用的硬脂酸、硬脂酸鈣、PE蠟等潤滑劑可以滿足管材、管件等厚壁制品流動性能的要求，但在復(fù)雜、薄壁、高性能要求的注塑制品加工領(lǐng)域，其很難滿足加工要求。因此，筆者選用了乙撐雙硬脂酰胺作為潤滑劑，并自制了多官能團(tuán)酯作為流動促進(jìn)劑，來改善PVC的流動性能，試驗配方見表1。筆者考察了試驗配方對PVC材料流動性能、彎曲性能、拉伸性能的影響。

表1 流動性能改進(jìn)配方Table 1 Formula for improvement of flowability

2.2.1 流動性能

5個配方的PVC材料的流變曲線見圖3。從圖3可以看出：1#配方為傳統(tǒng)的潤滑體系，其塑化峰和平衡轉(zhuǎn)矩最高；2#配方采用乙撐雙硬脂酰胺替代硬脂酸作為內(nèi)潤滑劑，其塑化峰和平衡轉(zhuǎn)矩有所降低，流動性能得到一定的改善；3#～5#配方增加了流動促進(jìn)劑，且用量逐漸增加，塑化峰和平衡轉(zhuǎn)矩明顯降低，說明PVC材料的流動性能得到很大的改善。

圖3 5個配方的PVC材料的流變曲線Fig.3 Rheological curves of five formulas of PVC materials

5個配方的PVC材料的質(zhì)量流動速率見圖4。從圖4可以看到：與硬脂酸相比，乙撐雙硬脂酰胺作為內(nèi)潤滑劑時，可提高PVC材料的質(zhì)量流動速率；隨著流動促進(jìn)劑用量的增加，PVC材料的質(zhì)量流動速率顯著提高。圖4的試驗結(jié)果與圖3相符。

圖4 5個配方的PVC材料的質(zhì)量流動速率Fig.4 Mass flow rates of five formulas of PVC materials

2.2.2 彎曲性能

5個配方的PVC材料的彎曲性能見圖5、圖6。由圖5、圖6可知：隨著流動促進(jìn)劑用量的增加，PVC材料的彎曲性能呈降低的趨勢；當(dāng)流動促進(jìn)劑用量為2.0份時，PVC材料的彎曲性能降低明顯。

圖5 5個配方的PVC材料的彎曲強(qiáng)度Fig.5 Flexural strengths of five formulas of PVC materials

圖6 5個配方的PVC材料的彎曲模量Fig.6 Flexural modulus of five formulas of PVC materials

2.2.3 拉伸性能

5個配方的PVC材料的拉伸強(qiáng)度見圖7。由圖7可知：流動促進(jìn)劑對PVC材料拉伸性能的影響趨勢與彎曲性能相似，也是在用量為2.0份時拉伸性能大幅下降。

圖7 5個配方的PVC材料的拉伸強(qiáng)度Fig.7 Tensile strengths of five formulas of PVC materials

2.3 小結(jié)

根據(jù)上述試驗結(jié)果，適宜的潤滑體系為：PE蠟，0.8份；乙撐雙硬脂酰胺，0.2份；流動促進(jìn)劑，1.5份。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)兼顧產(chǎn)品的力學(xué)性能和流動性能的需求，對配方作進(jìn)一步的合理設(shè)計。

3 結(jié)語

通過對PVC材料流動性能和沖擊性能的改進(jìn)，其沖擊性能可超過ABS(如ABS 0215A，23 ℃簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度為19～23 kJ/m2，-25 ℃簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度為8 kJ/m2左右)，且流動性能良好，可用于復(fù)雜薄壁注塑制品的生產(chǎn)，如酒瓶包裝用的底座和頂蓋材料，可大大降低產(chǎn)品成本。