PVC-U管道用ACR抗沖改性劑塑化性能研究

黃海亮

（廣東聯塑科技實業有限公司，廣東 順德 528318）

0 引言

硬聚氯乙烯（PVC-U）管道具有低成本、高強度、低水流阻力、良好的水密性和防啃咬性等優點，是塑料管道市場中的重要成員[1-2]。而這種管道往往存在抗沖擊性能較弱的問題，因此需要在配方中加入抗沖改性劑。市場上的抗沖改性劑種類繁多，其中就包括丙烯酸酯類抗沖改性劑（以下簡稱“ACR抗沖改性劑”）[3]。

目前行業技術人員日常都會通過對比塑化扭矩以及塑化時間的方法研究不同廠家的ACR抗沖助劑的塑化性能差異，但關于其用量對材料體系塑化特性影響的系統性研究較少開展，這并不利于管道生產技術人員全面了解不同原料特點及其潛在問題，容易對生產穩定性產生影響。為此，本文對不同廠家的ACR抗沖改性劑的塑化性能方面進行系統性研究，以期為行業技術人員開展原料篩選以及牌號轉換工作提供參考。

1 實驗原料設備

1.1 原料

聚氯乙烯樹脂粉、鈣鋅熱穩定劑、碳酸鈣、鈦白粉、潤滑劑、加工助劑（聚丙烯酸酯類）以及來自不同廠家的ACR抗沖改性劑（下文分別將其稱為“樣品1”以及“樣品2”），以上均為市售工業級原料。

1.2 儀器設備

X射線熒光光譜儀：SPECTRO XEPOS型，德國斯派克；傅里葉變換紅外光譜儀：Nicolet iS10型，美國Thermo Scientific公司；差示掃描量熱儀：DSC214型，德國耐馳公司；轉矩流變儀：Polylab OS型，美國Thermo Scientific公司。

1.3 測試方法

（1）X射線熒光光譜儀（XRF）。采用X射線熒光光譜儀對兩個樣品的元素含量進行檢測，選擇直徑32mm的帶蓋樣品杯，將樣品均勻鋪滿樣品杯底部，并將樣品杯密封后置于儀器規定位置，蓋上儀器蓋子，打開SPXEUserDig專用操作軟件，選用FP-power（F）方法進行分析。

（2）傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）。采用溴化鉀壓片法制備樣品，并將其置于儀器中進行測試，波數范圍為4000~500cm-1。壓片具體步驟如下：稱取150mg的溴化鉀，研磨2min后烘干，加入10mg的樣品后繼續研磨10min，最后壓成測試所需的片狀。

（3）差示掃描量熱分析（DSC）。氮氣氣氛，氣體流速為50mL/min，測試溫度范圍為-70℃~200℃，升溫速度為10℃/min，試樣質量約為9mg。

（4）轉矩流變測試。按照PVC樹脂粉100份、碳酸鈣15份、熱穩定劑3.5份、鈦白粉2份、潤滑劑0.9份、加工助劑0.2份以及不同份數的ACR抗沖改性劑（0、2、4、6、8），并在高速攪拌機中攪拌2min，隨后稱取80g樣品加入轉矩流變儀中，在182℃以及25rpm的條件下開始試驗，時間為12min。

2 數據分析

2.1 XRF測試

通過XRF測試可知，樣品2中的金屬元素（Mg：11.84%；Ca：6.57%；Al：0.79%）以及硅元素（13.4%）都比樣品1中的金屬元素（Mg：＜0.01%；Ca：1.26%；Al：0.44%）以及硅元素含量（1.57%）更高，證明可以證明樣品2中無機物的含量更多，其中Si以及Ca這兩種元素可能對應二氧化硅（SiO2）以及碳酸鈣（CaCO3）。

2.2 紅外譜圖

圖1 紅外光譜圖：A-樣品1，B-樣品2

在樣品1的紅外譜圖中，2960~2850cm-1對應飽和C-H伸縮振動吸收峰，1735cm-1為C=O伸縮振動吸收峰，1380cm-1為-CH3的變形振動吸收峰，1246.3cm-1以及1146.69cm-1為C-O-C伸縮振動吸收峰，這些歸屬聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的特征峰[4]。

在樣品2的紅外光譜圖中，3449cm-1為-OH的伸縮振動吸收峰，2960~2850cm-1為飽和C-H伸縮振動吸收峰。1727cm-1為是C=O伸縮振動吸收峰，1242cm-1以及1160cm-1為C-O-C伸縮振動吸收峰，這些歸屬PMMA特征峰。1064cm-1對應CO32-中C-O對稱伸縮振動吸收峰，878cm-1以及840cm-1對應CO32-的面內彎曲振動吸收峰，這些歸屬CaCO3的特征峰[5-6]。1019cm-1對應Si-O-Si不對稱伸縮振動吸收峰，500cm-1~450cm-1范圍的吸收峰對應Si-O-Si彎曲振動吸收峰，這歸屬SiO2特征峰[7]。

2.3 差示掃描量熱測試（DSC）

從圖2（A）中可以看出，-45.87℃附近的臺階歸屬聚丙烯酸丁酯（PBA）的玻璃化轉變過程，而FT-IR的結果顯示樣品1中含有PMMA組分，結合相關資料[8]可以推斷，樣品1中的ACR粒子殼層比較薄，PMMA組分含量較低，在DSC測試中不容易檢出對應的玻璃化轉變過程。從圖2（B）中可以看出，在-43.17℃處出現的臺階為樣品2中PBA組分的玻璃化轉變過程。另外，在83.92℃出現熔融峰對應甲基丙烯酸甲酯（MMA）與丙烯酸丁酯（BA）的共聚物（過渡層）受熱熔融過程，而127.42℃的熔融峰可能對應PMMA交聯層[8]，有利于提高殼層硬度。

圖2 DSC譜圖：A-樣品1，B-樣品2

2.4 轉矩流變試驗

（1）基礎數據分析。

不同份數抗沖助劑的材料體系的轉矩流變曲線如圖3所示，塑化性能指標數據如表1所示，隨后采用線性擬合的方式對其進行處理得到對應指標數據組的擬合直線斜率，其中樣品2的三個指標對應的斜率（塑化扭矩：1.248；塑化時間：-0.264；平衡扭矩：0.481）絕對值都比樣品1的三個指標對應的斜率（塑化扭矩：0.615；塑化時間：-0.178；平衡扭矩：0.364）大，證明樣品2的三個指標的數據變化速度更快，樣品2對同一PVC材料體系的塑化加速效果更明顯，同時熔體粘度提升速度更快。這是因為樣品2的ACR粒子PMMA殼層更厚更硬，一方面有利于加快樹脂顆粒破碎速度以及傳播熱量與剪切力[9]，加快體系塑化速度，另一方面還會增加ACR粒子PMMA鏈段與PVC分子鏈的纏結程度，提高熔體流動難度，降低熔體加工流動性，因子會導致平衡扭矩更高。

圖3 不同分量抗沖改性劑對應的轉矩流變曲線圖：A-樣品1，B-樣品2

表1 不同份量抗沖改性劑對應體系的塑化性能指標數據

（2）塑化速度綜合評價。為了綜合評價體系的塑化速度，本文不僅引入熔融因數fusion factor，簡稱F）對數據進行處理[10]，同時提出另一個全新的指標也用于評價體系的塑化速度。

通過王文治等人的研究可知，塑化扭矩與最小扭矩的差值越小，材料體系的凝膠度越高[11]，塑化時間也隨之縮短，也就是塑化速度越快，因此可知“塑化扭矩與最小扭矩的差值”和“塑化時間”這兩個參數都與體系的塑化速度成反比。因此，本文提出一個新的指標-“塑化速度因子（plasticizing rate factor，簡稱F1）”，并將其用于評價材料體系的塑化速度，其計算公式為F1=1/[(Tb-Ta)·t]，其中Ta為最小扭矩（Nm），Tb為塑化扭矩（Nm），t為塑化時間（min）。上述兩個指標的計算結果如表2所示。

表2 熔融因數與塑化速度因子計算結果

通過表2的數據可以看出，無論采用哪個方法對體系塑化速度進行評價，在同樣添加份數的條件下，樣品2的數值都比樣品1大，這表明樣品2對體系的塑化加速效果更明顯。這也是因為樣品2中ACR粒子表面PMMA層更厚更硬，并且含有更多的碳酸鈣以及二氧化硅等無機物，這些因素對于加快PVC樹脂顆粒破碎并促進體系塑化是有利的[12]。

3 結語

通過XRF、FT-IR以及DSC的結果可知，樣品1以及樣品2均含有核殼兩相結構的典型ACR粒子，其中樣品1的ACR粒子表面的PMMA層比較薄，而樣品2的ACR粒子殼層厚度更大且發生交聯，硬度更高。另外，樣品2中含有更多包括碳酸鈣和二氧化硅在內的無機物。通過分析轉矩流變試驗的數據可知，由于ACR粒子殼層更厚更硬，同時含有較多無機物，導致樣品2對體系的塑化加速效果更明顯，同時熔體粘度更高，流動性稍差。