加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系加工性能影響的研究

余華林 鄭先偉 陸康元 宋科明 李統一

摘 要：PVC樹脂加工需要加入加工助劑保證其塑化性能，本文詳細研究了丙烯酸酯類加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能和熔體強度的影響，得出本實驗中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內加工效果最好，管道產品綜合性能最優。

關鍵詞：PVC;加工助劑;塑化性能;熔體強度

0 引言

聚氯乙烯（PVC-U）塑料管道具有優異的阻燃性、耐磨性、耐化學腐蝕性、綜合機械性能、電絕緣性等優點，在工業、建筑、市政、農業等領域得到了廣泛應用。我國聚氯乙烯塑料管道需求始終保持快速增長，特別是在市政、建筑給排水領域，近年來處于高速增長期[1]。然而，PVC樹脂在加工過程中存在易降解、難塑化等缺點[2]，塑料管道配方中需要加入熱穩定劑、加工助劑、潤滑劑、抗沖劑等助劑，才能保證PVC樹脂的可加工性以及PVC-U塑料管道的綜合性能。

目前，國內最常用的加工助劑是以甲基丙烯酸甲酯為主的丙烯酸酯類共聚物。加工助劑作為PVC-U塑料管道配方中不可或缺的組分，在加工過程中對PVC樹脂的作用主要表現在：

①促進凝膠化，在PVC中加入加工助劑，當由外部加熱而產生剪切時，被PVC樹脂包圍的加工助劑首先熔融，與PVC有良好相容性的加工助劑粘附于周圍的PVC樹脂上，使樹脂相互粘接，同時將外部的剪切力傳給樹脂，促進樹脂膠凝化[3];②促進塑化，加工助劑與PVC有良好的相容性，其料?？梢蕴畛洳U散到PVC多重粒子的空隙中，在混合或混煉過程中產生較大的內摩擦力，促進PVC多重粒子的破碎和熔融，因而可縮短塑化時間[4];③提高熔體強度，加工助劑的分子量較高，通常為PVC分子量的1-100倍，在加工過程中加工助劑分子會與PVC大分子鏈高度纏結，使得其松弛速度減慢，從而使PVC熔體強度和熱態伸長率提高，成型溫度區加寬，熔體不易破裂[5]。

本文在總結文獻資料的基礎山，結合車間PVC-U塑料管道的生產需求，詳細研究了加工助劑用量對PVC-U管道材料體系塑化性能以及熔體強度的影響，并對其改善PVC塑化性能和熔體強度的機理進行探討，以期能夠對PVC-U塑料管道的生產加工進行指導和調控。

1 實驗部分

1.1 原料試劑

PVC樹脂（SG-5）、輕質碳酸鈣、鈣鋅熱穩定劑、潤滑劑、加工助劑（丙烯酸酯類）、抗沖劑、鈦白粉，以上原料均為市售工業級。

1.2 轉矩流變儀試驗

將100份PVC樹脂、6份輕質碳酸鈣、3份鈣鋅熱穩定劑、0.8份潤滑劑、2份抗沖劑、1.5份鈦白粉、不同份數（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助劑按一定比例混合均勻后，加入到轉矩流變儀中，記錄不同份數加工助劑條件下PVC-U管道材料體系的流變曲線。

1.3 小型雙螺桿擠出機試驗

將100份PVC樹脂、6份輕質碳酸鈣、3份鈣鋅熱穩定劑、0.8份潤滑劑、2份抗沖劑、1.5份鈦白粉、不同份數（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助劑按一定比例混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機中，記錄擠出機口模一定距離樣條的熔體質量。

2 結果與討論

2.1 加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能影響的研究

將含有不同份數加工助劑的配方材料加入到轉矩流變儀中進行流變實驗，流變曲線和實驗數據分別見圖1和表1所示。隨著加工助劑用量的增加，塑化時間由5.0min縮短到3.0min，塑化扭矩由18.4N.m增加到22.5N.m，平衡扭矩由17.17N.m增加到18.09N.m，但在加工助劑用量達到2.0份，再繼續增加用量時，塑化時間、塑化扭矩和平衡扭矩變化較小。

從數據可以看出，加工助劑加入量較少時，塑化性能提升的不顯著，當加入量繼續增大時，塑化時間和塑化扭矩才有明顯變化。這是由于當體系中加工助劑含量較少時，共混體系并不均勻，加工助劑與PVC樹脂間的摩擦力起主要作用，使得熱量累積速度較慢，樹脂達到熔融溫度所需時間較長;當加入量增大時，熔點較低的加工助劑粒子先達到熔融狀態，分子鏈貫穿到PVC樹脂粒子中，使得熱量傳遞加快，PVC粒子迅速熔化，初級粒子凝聚體和微晶區比之前更早的暴露在體系中，因此塑化峰出現的時間更快。但加工助劑的過量加入會導致材料體系融體粘度增大，甚至造成材料加工困難，故本研究加工助劑的用量控制在1.5～2.5份之間。

2.2 加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系熔體強度影響的研究

高熔體強度是保證大口徑PVC管道壁厚均勻性的重要條件。聚合物的熔體強度是指熔體在一定的條件下受到力（如牽引或拉伸力）的作用而斷裂，此時這個力定義為聚合物的熔體強度。熔體強度反映聚合物熔體的抗延伸性及抗熔垂性，它是決定產品成型加工非常重要的性質。熔體強度可以通過測量熔體從擠出機口模中懸掛到斷裂這段時間內的質量來表征，也就是說，熔體強度小的聚合物，支撐自身重量的能力較差，一定長度樣條的質量變化率和直徑尺寸變化率越快，熔體斷裂時，樣條的質量越小;反之，斷裂樣條的質量越大。由于實驗室小型擠出機口模距離地面的高度有限，且PVC的熔體強度較聚烯烴大，在測試過程中沒有出現熔體斷裂的現象，因此，本實驗通過測量一定長度樣條的質量變化率來比較不同材料體系的熔體強度大小。

將含有不同份數加工助劑的配方材料加入到小型擠出機中進行熔體強度實驗，實驗結果如圖2所示。在扭矩相同的情況下，不同用量的加工助劑對熔體質量、熔體擠出時間影響較大，隨著加工助劑用量的增加，熔體質量增加，擠出時間延長。在加工助劑用量為0.5～1.5份時，熔體質量差異明顯;當加工助劑用量為1.5～2.5份時，熔體質量變化差異減小;尤其是加工助劑用量為2.0份和2.5份時，曲線基本重合，說明加工助劑用量對PVC熔體強度的影響在一定范圍內作用顯著，超過該范圍后熔體強度增加不明顯，還會使熔體擠出時間延長，使得生產速度降低?？紤]PVC材料體系的塑化性能和熔體強度，本實驗中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內效果最好。

加工助劑提高PVC-U塑料管道材料體系熔體強度的作用機理，被大家普遍接受的是“纏結”理論。加工助劑的分子量較高，且與PVC樹脂的相容性良好，在加工過程中其分子鏈可以貫穿于PVC樹脂粒子中，與PVC分子鏈發生“纏結”，達到提高PVC材料體系熔體強度的目的，該研究對于大口徑PVC-U塑料管道的生產具有重要的意義。

3 結論

本論文詳細研究了加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能和熔體強度的影響，結論如下：加工助劑加入量較少時，塑化性能提升不顯著，當加入量繼續增大時，塑化時間和塑化扭矩才有明顯變化，加工助劑的過量加入會導致材料體系融體粘度增大，甚至造成材料加工困難;不同用量的加工助劑對熔體質量、熔體擠出時間影響較大，隨著加工助劑用量的增加，熔體質量增加，擠出時間延長。考慮PVC-U塑料管道材料體系的塑化性能和熔體強度，本實驗中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內效果最好。

參考文獻：

[1]王晶.聚氯乙烯行業的現狀及其發展趨勢[J].齊魯石油化工，2011（01）：77-80.

[2]劉建平，方廉，宋霞.PVC熱穩定劑的現狀與發展[J].中國塑料，2001，015（001）：15-18.

[3]王立峰，李飛躍.聚氯乙烯加工助劑ACR的發展及應用[J].內蒙古石油化工，2007（05）：68.

[4]盧曉，王世和，魏文杰，等.橡膠相對ACR樹脂抗沖性能的影響[J].彈性體，2003（06）：30-32.

[5]王學智.國內加工助劑（ACR樹脂）行業的現狀與對如何發展的建議[J].塑料助劑，2003（02）：1-3.

項目編號：2018B030323002，廣東省省級科技計劃（科技基礎條件建設領域）項目。