氯乙烯-丙烯酸丁酯共聚樹脂在農業用PVC-U管材加工中的研究與應用

宋曉玲，黃 東，魏 東

（1.新疆天業集團，新疆 石河子832000；2.新疆石河子中發化工有限責任，新疆 石河子832000）

硬質聚氯乙烯（PVC-U）管材具有施工方便、輸水阻力小、使用壽命長、環剛度高、防腐效果好、運行管理方便等優點，在新疆節水灌溉工程輸配水管道方面得到了很好的運用，其中，新疆棉花“膜下滴灌”系統中50%以上的器材（設備）是由硬質聚氯乙烯管材構成。 2010 年，新疆“膜下滴灌”保有面積達2 440 萬畝（其中，兵團為1 040 萬畝）位列全國第一。鑒于中國人均水資源缺乏的嚴峻形勢，農業節水灌溉規模近年還會快速增長， 將為滴灌用硬質聚氯乙烯管材提供了前所未有的市場機遇。隨著PVC 管道在設施農業中的推廣與應用， 其缺點也逐漸暴露出來，主要表現在秋冬季低溫施工的裝卸、安裝過程中受撞擊易碎； 額定壓力下管路試水試驗經常出現局部開裂，表現出韌性較差的特點。

如何確保制品同時具有剛性和韌性， 這是長期以來人們一直研究的課題。 本文介紹一種新開發的具有與聚氯乙烯樹脂協同增韌作用的共聚樹脂來生產加工聚氯乙烯管材，仍然采用傳統的共混方法，將氯乙烯—丙烯酸丁酯共聚樹脂（VC-BA）直接投入原配方體系中進行混合，擠出成型，由于VC-BA 樹脂具有內增塑和提高低溫沖擊性能的作用， 在成型加工過程中能有效降低物料的黏度，縮短塑化時間，提高物料流動性， 與原配方相比， 共混體系的加工性、管材制品柔韌性及尺寸穩定性能均得到提高。

1 試驗部分

1.1 原材料

主要原材料包括：PVC 樹脂（SG-5）：新疆石河子中發化工有限責任公司；（VC-BA）共聚樹脂（TYVA-6）：新疆石河子中發化工有限責任公司；熱穩定劑SMS318：德國熊牌；潤滑劑：江蘇江陰塑料助劑廠；輕質CaCO3：地產；炭黑：地產。

1.2 主要設備

高速混合機，GH-200H，北京塑料機械廠；

擠出機，? 90 平行雙螺桿， 巴頓菲爾震雄塑料設備有限公司；

萬能試驗機，CMT5000，深圳新三思材料檢測有限公司；

沖擊實驗機，CHARPY XCJ-50， 河北承德精密試驗機有限公司；

維卡熱變型儀，CEAST6911，河北承德精密試驗機有限公司；

管材靜液壓爆破試驗機，XGY-10，天津格特斯檢測設備技術開發有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）與聚氯乙烯樹脂共混物的制備

該配方是在給水用聚氯乙烯（PVC-U）管材原配方組份基礎上直接加入10 份TYVA-6 型VC-BA樹脂進行混合。其他主要原材料及助劑的用量（質量份）分別為，PVC 樹脂（SG-5）100 份；輕鈣10 份（原配方為5）；熱穩定劑3 份；潤滑劑、炭黑顏料等適量（已通過轉矩流變儀測試，屬于合理配方范疇）。 按照生產工藝要求， 將經過精確稱量的主輔料分別加入到高速混合機熱混倉中， 料溫控制為120 ℃，混料10～12 min 后，排料轉入冷混，冷混溫度控制為45 ℃，放料至儲料倉。

1.3.2 聚氯乙烯（PVC-U）管材擠出成型加工性能

本實驗樣品采用巴頓菲爾震雄塑料設備有限公司? 90 平行雙螺桿擠出機擠出， 以生產? 160×4.0規格為例進行后續研究測試實驗。 聚氯乙烯管材擠出機的溫度控制是加工成型的重要工藝條件， 由于擠出機結構及型號工作機理不盡相同， 模具流道結構、 不同用途PVC 管材產品原輔料配方也存在差異， 因此，PVC 管材企業對PVC 管材擠出設備溫度控制都有相應工藝要求。一般PVC 樹脂擠出機沿著物料流動方向的溫度被設定成兩頭高中間低的馬鞍型， 以保證擠出過程中產生的扭矩平均分配在整個螺桿上， 并使擠出機機頭壓縮段中塑化樹脂的在保持較高的壓縮比的前提下維持適當的料壓， 這樣擠出的管材制品塑化效果好、壁厚均勻。

本試驗研究聚氯乙烯（PVC-U）管材擠出成型加工工藝采用氣力輸送裝置將混合好的干混料直接加入擠出機強制加料斗中，在喂料螺桿的作用下，將干混料加入到擠出機機頭中。 干混料通過吸收擠出機電磁加熱裝置輸出的熱量， 在螺桿的轉動和擠出機鋼桶內壁的摩擦作用逐漸塑化沿擠出機身軸線向機頭移動，然后，充分塑化定型。被加工的PVC 共混料經歷了從粉狀物、初塑化彈性固體、黏流態、塑化管材制品的一系列過程。

1.3.3 聚氯乙烯（PVC-U）管材產品物理性能測試

拉伸強度測試按GB/T1040—1992 要求將板材切成啞鈴形樣條， 用電子萬能試驗機測試； 沖擊試驗、爆破壓力、維卡軟化點等指標根據GB/T10002.1《給水用聚錄乙烯（PVC-U）管材》檢測標準，分別將生產的? 160×4.0 給水管按不同檢測指標要求切割成標準長度進行產品性能測試。

2 結果討論

2.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）的增韌機理

氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）共聚樹脂是一種丙烯酸丁酯與氯乙烯接枝共聚物， 屬于一種彈性體對氯乙烯的化學改性樹脂。 由于丙烯酸丁酯醇碳鏈較長，共聚物的軟化溫度降低，柔軟性提高，屬于軟性彈性功能團，它賦予共聚樹脂很高的抗沖擊性能。此外，（VC-BA）共聚樹脂對PVC 樹脂具有明顯的內增塑性能，并兼具優良的耐老化性和持久柔順性，可有效提高制品的加工流動性和抗沖擊性能， 使制品表面光澤、耐候性、尺寸穩定性明顯改善。所以，作為一種硬質聚氯乙烯管材改性材料，（VC-BA）共聚樹脂在歐美等發達國家已經得到了比較廣泛的應用[2]。

2.2 擠出加工與塑化性能

原配方與改性配方的擠出工藝控制條件見表1。

擠出機各段的溫度控制對PVC 塑料管材的成型及制品的內在質量起著重要的作用。 表1 數據顯示， 在擠出機各溫區溫度設定值和螺桿轉速相同的情況下，新添加了10 份（VC-BA）共聚樹脂和5 份填料配方與原配方的控制工藝相比， 主機扭矩和熔融壓力明顯下降，共混料的熔融溫度也下降了5 ℃。表明（VC-BA）共聚樹脂與PVC 樹脂具有良好的相容性，加速了PVC 粒子的破碎進程，在增加了無機填料的情況下，能使PVC 共混物料黏度降低，內增塑作用比較明顯；由于機頭內的PVC 共混料熔融壓力的下降， 可以適度提高喂料電機轉速， 增加喂料量，牽引速度由1.70 m/min 提高至1.78 m/min，擠出效率提高了4.7%。 另外，縮短了物料在擠出機內受熱時間，減少了其受熱老化概率，避免了管材塑化過度情況的發生。在加工成型過程中，擠出機鋼桶的抽真空操作也是一項關鍵控制指標，真空度偏低，影響物料中夾雜的空氣排放， 易造成管材中夾帶氣泡和表面粗糙，影響產品的外觀和物理性能。 反之，物料將會被吸出堵塞真空裝置。

表1 原配方與氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）改性配方的擠出工藝控制條件

2.3 塑化產品的物理性能

采用原配方與改性配方生產的PVC 樹脂的性能指標見表2。

從表2 測定的數據看出，（VC-BA）共聚樹脂改性配方所制得材料各項檢測指標均得到了不同程度提高，產品合格率達到了100%。 因為（VC-BA）共聚樹脂與輕質碳酸鈣在混料工藝的投料順序上先于PVC 主料完成了一道預混工序，可以產生一定數量結構規整的CaCO3/（VC-BA） 共聚樹脂核殼結構復合粒子[2]，能以化學鍵牢固地與聚氯乙烯鍵合，使塑化后的PVC 材質更均一，強度增加。另外，（VC-BA）共聚樹脂中的彈性體粒子以顆粒狀均勻地分散于基體連續相中，形成宏觀均相、微觀分相（海-島相）結構[3]。 彈性體粒子充當應力集中體，誘發基體產生大量的剪切帶和銀紋。 大量剪切帶和銀紋的產生和發展消耗了大量的能量， 從而使材料的沖擊強度大幅度提高。粒子又可終止銀紋和剪切帶的發展，使其不致發展成為破壞性的裂紋， 較好地詮釋了彈性體對PVC 樹脂增韌機理。

表2 兩種配方生產的材料的性能測定結果

3 結論

（1）（VC-BA） 共聚樹脂與PVC 配方體系共混時，相容性好，使無機項分散更均勻，在加工過程中，物料塑化時間短，擠出穩定，流動性好。因此，在生產過程中， 可以在擠出機主機電機額定輸出功率范圍內，適當提高擠出機喂料螺桿和擠出螺桿轉速，提高牽引速度，實現增產與增效。

（2）在原配方基礎上新增5 份輕質碳酸鈣，扣除（VC-BA）共聚樹脂配方成本增加因素，每噸給水管共混料配方成本可降低150 元左右。 若考慮能耗降低及生產效率的提高等產生的間接效益， 產品的成本的降低幅度更大。

（3）PVC-U 給水管材韌性和剛性的提高對冬春季節安裝施工意義重大，可有效避免由于PVC 材料低溫脆性缺陷形成的工程隱患，降低使用維護成本。（VC-BA）共聚樹脂增韌改性滴灌用PVC-U 給水管材產品質量的提升有助于企業產品推廣與應用，對促進西部干旱地區農業節水滴灌技術的發展也具有較好的推動作用。

［1］周俊華.氯乙烯-丙烯酸酯共聚樹脂生產技術進展.聚氯乙烯，2007，（5）：4-5.

［2］邢勝男，等.聚氯乙烯增韌改性劑的合成及共混改性研究.塑料工業，2006，34（3）：57-58.

［3］熊 英，陳光順，郭少云.聚氯乙烯增韌改性研究進展.聚氯乙烯，2004，（2）：1-6.