PVC-U管材共混料的正交試驗

喬曉輝

(廣東聯塑科技實業有限公司，廣東 佛山 528318)

PVC-U管材由于具有質輕、強度好、耐酸堿腐蝕、絕緣性和阻燃性優良等優點，是目前用量非常大的塑料管道品種，應用領域廣泛。PVC-U管材的主要應用領域為建筑排水管、常溫供水管、電工護套管、消防用管、戶外建筑落雨管、市政供水管、農業用管、化工防腐管、礦山輸送管等。目前，關于PVC-U管材方面的文獻大多是新助劑的應用、生產工藝的改進、配方設計等[1]，但很少有關鍵原料選型、搭配方面的文獻報道。PVC-U管材的關鍵原料為PVC樹脂、碳酸鈣、穩定劑等。在PVC-U管材的實際生產中，經常需要更換不同廠家、不同型號的關鍵原料，因此筆者嘗試通過正交試驗來對關鍵原料進行選型，考察不同關鍵原料的組合對共混料性能的影響，從而優選出最佳搭配。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PVC-SG5型樹脂，代號為S1、S2、T，市售；重質CaCO3，粒徑為5.5～9.0 μm(1 500～2 500目)，代號為B2、V5、Y9，市售；管材用鈣鋅穩定劑，代號為E、P、Y，市售。

1.2 主要儀器設備

高速混合機，張家港華星機械有限公司；轉矩流變儀、錐形雙螺桿擠出機，德國Brabender公司；萬能材料試驗機，Zwick/Roell Z010，德國Zwick公司；全自動擺錘沖擊試驗機，HIP 25，德國Zwick公司；氣動切片機，JC-1025，江蘇拓達精誠測試儀器有限公司。

1.3 試樣制備

試驗配方：PVC樹脂，100份；CaCO3，20份；鈣鋅穩定劑，3.0份；鈦白粉，2.0份；加工改性劑，0.5份；潤滑劑，0.6份。

按配方稱量原料后加入高速混合機中進行混合，熱混溫度為90 ℃，冷卻后采用擠出機擠出為片材，擠出機轉速為15 r/min，扭矩設定為10.0 N·m，分段溫度1～6段分別為180、175、170、167、162、190 ℃，牽引速度為250 mm/min；取樣后用切片機進行沖裁，制備試樣。

1.4 性能測試

拉伸性能按照GB/T 8804.3—2004《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定》測試，I型樣條，拉伸速率為5 mm/min。

沖擊性能按照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，A型缺口。

彎曲性能按照GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》測試，I型試樣，彎曲速率為2 mm/min。

2 結果與討論

2.1 正交試驗方案設計

選擇試驗配方中的PVC、CaCO3、鈣鋅穩定劑為3個因素，因素的水平數為3個，其因子水平見表1。

表1 正交試驗因子水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

該正交試驗方案未考慮因素之間的交互作用，選用3因素3水平的正交表L9(33)，考察添加不同原料得到的共混料的拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能，試驗方案及結果見表2。

表2 正交試驗方案及結果Table 2 Schemes and results of orthogonal test

2.2 正交試驗結果的處理和分析

2.2.1 正交試驗結果的處理

對正交試驗結果進行數據處理后得到的結果見表3。表3中K1、K2、K3分別為1、2、3水平下試驗結果的平均值；極差R越大，則表明該因素對試驗結果的影響越大。

表3 處理后的正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal test after data processing

2.2.2 分析與討論

(1)拉伸屈服強度。

拉伸屈服強度是材料抵抗拉伸破壞的能力，表征材料的強度和韌性。由表3可知：對于拉伸屈服強度，PVC、CaCO3、穩定劑的最佳搭配為A2B2C3, 即5號試驗的S2、V5和Y。

(2)斷裂伸長率。

斷裂伸長率主要表征材料的柔性。PVC-U管材為硬質材料，分子鏈柔性差，斷裂伸長率一般都較低。從表3可以看出：對于斷裂伸長率，PVC、CaCO3、穩定劑的最佳搭配為A2B1C3，即S2、B2和Y。

(3)沖擊強度。

沖擊強度為單位截面破壞時消耗的能量，也表征材料的韌性。從表3可以看出：對于沖擊強度，PVC、CaCO3、穩定劑的最佳搭配為A2B2C3，與拉伸屈服強度的最佳搭配一樣。

(4)彎曲模量。

彎曲模量表征材料在經受彎曲負荷作用時抵抗彎曲變形的能力。從表3可以看出：對于彎曲模量，PVC、CaCO3、穩定劑的最佳搭配為A2B2C3，與拉伸屈服強度和沖擊強度的最佳搭配一樣。

(5)小結。

從表3可以看出：對于拉伸屈服強度、沖擊強度和彎曲模量，對共混料影響最大的因素是穩定劑，其次是PVC樹脂，影響最小的是CaCO3；對于沖擊強度，對共混料影響最大的因素是穩定劑，其次是CaCO3，影響最小的是PVC樹脂。綜合考慮，試驗得出的最佳搭配為S2、V5和Y。

2.3 分析與討論

不管哪項力學性能，鈣鋅穩定劑均是最大的影響因素，主要原因是目前行業中鈣鋅鈣鋅穩定劑還沒有統一的國家標準或行業標準，而且目前市場上的鈣鋅穩定劑大多為復合配方，其中添加了潤滑劑、改性劑等組分，不同廠家、不同型號的穩定劑配方差異較大，在擠出加工中對共混料的加工性能、熱穩定性能都存在不同程度的影響。因此，PVC-U管材生產廠家在替換穩定劑后，需要對配方、生產工藝進行調整，才能生產出質量合格的產品。

相對而言，目前PVC樹脂的生產工藝、裝置已比較成熟，而且對于通用PVC-U管材來說，其對樹脂性能的要求不高，不同生產廠家的SG5型PVC樹脂優等品基本都可以滿足要求，因此PVC樹脂對共混料力學性能的影響相對較小。

在PVC-U管材配方中，加入CaCO3可以提高產品的尺寸穩定性、強度、耐熱性, 并可降低成本。試驗配方中CaCO3的用量為20份，處于比較低的水平，此時不同廠家的CaCO3主要是對沖擊性能有一定影響，對其他性能影響不大。

3 結論

PVC-U管材中的關鍵原料PVC、CaCO3、穩定劑中，對力學性能影響最大的為穩定劑，其次為PVC樹脂，影響最小的為CaCO3。

綜合考慮拉伸屈服強度、斷裂伸長率、沖擊性能、彎曲性能，PVC、CaCO3、穩定劑的最佳搭配為S2、B2和Y。