高抗沖、高流動性PVC材料的開發

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分子結構中含電負性極強的氯原子，存在熱穩定性能、流動性能、沖擊性能差，加工困難等問題，在不添加穩定劑的情況下130 ℃左右就會分解，常溫缺口沖擊強度只有2～3 kJ/m2，需要進行改性處理[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，添加有機沖擊改性劑是提高硬質PVC沖擊強度的主要途徑,而具有核-殼結構的丙烯酸酯類沖擊改性劑是綜合性能優良的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，在某些專用領域(如酒瓶包裝底座等復雜薄壁注塑制品)，普通PVC材料的沖擊性能和流動性能仍達不到要求。

筆者利用核-殼結構的丙烯酸酯類沖擊改性劑來改善PVC材料的沖擊性能，并結合其他改性手段，進一步提升PVC材料在常溫和低溫下的沖擊性能和流動性能，同時降低產品成本，拓展其在復雜薄壁注塑制品領域的應用。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PVC-SG8，宜賓天原集團股份有限公司；熱穩定劑，TK238，重慶太岳科技有限公司；丙烯酸酯類沖擊改性劑MBS，B564，日本鐘淵化學工業公司；無機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，河南昌煜化工產品有限公司；鈦白粉，金紅石型,R-996，四川龍蟒鈦業股份有限公司；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，濟寧山鷹塑料助劑有限公司；流動促進劑多官能團酯，自制。

1.2 主要設備和儀器

高速混合機，SHR-100A，張家港億利機械有限公司；擠出造粒機，PolyLab OS，錐雙20/31.8，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；注塑機，250T，泰瑞機器股份有限公司；哈克轉矩流變儀，PolyLab OS，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；擺錘沖擊試驗機，XJC-50D，承德市精密試驗機有限公司；微機控制電子萬能試驗機，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)向高速混合機中依次加入PVC、熱穩定劑、潤滑劑、MBS，關閉高速混合機蓋子，鎖緊，打開開關，當混合料溫升至105 ℃時停機、開蓋，加入納米碳酸鈣、鈦白粉，繼續混合，料溫達到120 ℃時關閉開關，出料。

(3)出料后，把物料置于通風位置，冷卻至50 ℃以下(防止物料在持續高溫下結塊)，得到PVC預混料。

(4)預混料經注塑成型，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

流變性能采用轉矩流變儀測試，測試條件：溫度175 ℃，轉速35 r/min,加料量74.5 g。

簡支梁缺口沖擊強度按照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 ℃。

熔體質量流動速率按照ASTM D1238-2004《熔融指數測試方法》測試，測試質量為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 結果與討論

2.1 沖擊性能的改進

高分子材料在受到足夠的外力作用時，將出現銀紋和局部的剪切變形[3],這是因為聚合物結構不均勻而導致應力集中。銀紋在產生和發展過程中將消耗能量，如果能夠促進銀紋的生成,并適時終止使其不再發展成裂紋,則可以提高聚合物的韌性。MBS具有典型的核-殼結構[4]，核是指丙烯酸酯橡膠粒子，其有利于銀紋的產生,提高沖擊性能。而納米碳酸鈣由于粒子的細微化，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(質量比1∶1)時，其用量對PVC材料沖擊性能的影響，結果見圖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材料的缺口沖擊強度只有2.3 kJ/m2；隨著MBS用量的增加，PVC材料的沖擊強度大幅提高；當MBS用量>7份時，PVC材料沖擊強度的增幅較小。

納米碳酸鈣的增韌效果遠不如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聚，分散不均勻所致。

同時添加MBS、納米碳酸鈣具有很好的協同增韌效果。單獨添加10份MBS時，PVC材料的沖擊強度為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

PVC由于含有電負性極強的氯原子，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，但在復雜、薄壁、高性能要求的注塑制品加工領域，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，并自制了多官能團酯作為流動促進劑，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#配方為傳統的潤滑體系，其塑化峰和平衡轉矩最高；2#配方采用乙撐雙硬脂酰胺替代硬脂酸作為內潤滑劑，其塑化峰和平衡轉矩有所降低，流動性能得到一定的改善；3#～5#配方增加了流動促進劑，且用量逐漸增加，塑化峰和平衡轉矩明顯降低，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潤滑劑時，可提高PVC材料的質量流動速率；隨著流動促進劑用量的增加，PVC材料的質量流動速率顯著提高。圖4的試驗結果與圖3相符。

圖4 5個配方的PVC材料的質量流動速率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：隨著流動促進劑用量的增加，PVC材料的彎曲性能呈降低的趨勢；當流動促進劑用量為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材料的拉伸強度見圖7。由圖7可知：流動促進劑對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材料的拉伸強度Fig.7 Tensile strengths of five formulas of PVC materials

2.3 小結

根據上述試驗結果，適宜的潤滑體系為：PE蠟，0.8份；乙撐雙硬脂酰胺，0.2份；流動促進劑，1.5份。在實際生產中，應兼顧產品的力學性能和流動性能的需求，對配方作進一步的合理設計。

3 結語

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