轉矩流變曲線表征PVC 材料體系加工性能的研究進展

黃海亮 鐘 柳 黃建生

（廣東聯塑科技實業有限公司）

0 前言

作為世界重要的通用塑料之一，目前聚氯乙烯（PVC）材料已經廣泛用于防水卷材、門窗型材、市政建筑給排水管道、建筑板材、電纜通訊等多個領域，是建材市場的重要成員之一。

與常用的聚烯烴塑料制品相比，PVC 制品的材料體系成分復雜，對制品的成型以及性能有重要的影響[1-3]，因此其加工過程的調控是一個非常重要的工作。而轉矩流變曲線能在一定程度上反映PVC 材料體系的加工過程，在原料表征、配方調試以及加工過程機理研究等多個方面都能發揮作用[4-6]，因此是PVC 制品加工行業中一種非常重要的質量控制方法。

本文將系統介紹目前采用轉矩流變曲線表征PVC材料體系加工性能的研究進展，以期對PVC 塑料加工行業有一定的指導作用。

1 典型的轉矩流變曲線

圖1 為典型的PVC 材料體系的轉矩流變曲線與溫度曲線的示意圖。通過轉矩流變曲線，研究人員能從中讀取涉及PVC 材料體系加工過程中的多個參數[7]，其中包括最小扭矩、熔融時間（塑化時間）、最大扭矩（塑化扭矩）、平衡扭矩以及平衡溫度等，通過綜合分析這些參數表征PVC 材料體系不同特性，進而解釋并解決生產的實際問題。

圖1 典型的PVC 材料體系轉矩流變曲線與溫度曲線示意圖

2 PVC 材料體系加工性能表征方法的研究進展

PVC 材料體系的加工性能一般包含塑化性能、輸送性能、均化性能、成型性能等多方面。只有這些方面都取得相對平衡的狀態，才能保證最終PVC 制品的外觀質量及內在質量才會好，這就要求PVC 材料體系不僅需要有合適的塑化性能，還要其熔體的流動性要好[8]。

通過轉矩流變曲線，我們能得到PVC 材料體系加工過程中的多個參數，反映著PVC 材料體系在加工過程中的變化情況，是一項非常重要的技術手段，對實際加工具有重要的指導價值。

下面將從四個方面介紹材料轉矩流變曲線表征PVC 材料體系加工性能不同特性的研究進展，其中包括塑化性能、熱穩定性能、潤滑性能以及凝膠化度。

2.1 塑化性能

對于PVC 材料體系而言，塑化性能（塑化速度）是一個非常重要的指標。如果太快，則會導致材料的凝膠化度不足，影響制品性能；如果太慢，則會影響生產效率，同時長時間加熱也可能導致材料發生降解，不利于制品成型。

通過讀取對應材料體系的轉矩流變曲線可得到多個基礎參數，進而可以對材料體系的塑化速度、加工難度、所需設備功率、熔體粘度大小等多個方面進行評價。目前行業內最常用的就是通過對比不同材料體系的塑化時間、塑化扭矩以及平衡扭矩的差異，從而判斷不同體系的加工性能差異性，為實際配方調試以及生產提供指導。

而實際生產所用的原料純度均為工業級，成分比較復雜，很容易出現不同批次的成分含量出現波動的情況。而PVC 材料體系中原料種類較多，容易發生大量的副反應。因此，有可能出現因為原料批次不同導致生產不穩定問題，但對應的流變曲線非常接近的情況。在這種情況下，僅僅通過對比塑化時間以及塑化扭矩等基礎參數是難以找到原因所在的。這時候需要對這些基礎數據進行處理，才能挖掘轉矩流變曲線中深層次的信息，找到產品加工過程穩定性出現波動的原因。其中熔融因數（F）就是其中常見處理方法。

熔融因數的公式如公式⑴所示：

熔融因數F 是文獻[9-14]中常被用于表示不同PVC 材料體系的加工性能，數值越大，代表加工性能越好。從公式來看，熔融因數F 的物理量綱為“Nm/min”，也就是牛米每分鐘，表示單位時間內最大轉矩的變化率，反應的是物料塑化性能。這個數值越大，代表扭矩越高，熔體表觀粘度也越大，流動性越差，這與加工性能要求的熔體流動性好是相違背的。F 的數值越大，加工性能應該是越來越差。因此，熔融因數F 不能用于表示PVC 材料體系的加工性能，只用于表示PVC 材料體系塑化速度[15]。

由于熔融因數所代表的塑化速度代表最大扭矩、最小扭矩以及塑化時間三個基礎數據對PVC 材料體系的綜合效應，其評價角度與對比基礎數據有所不同，因此，針對配方確實存在差別但流變曲線卻非常接近的情況，可以考慮嘗試通過計算不同流變曲線的熔融因數進行對比，可能會達到意想不到的效果。

2.2 熱穩定性能

由于PVC 樹脂是一種熱敏性材料，因此如何篩選熱穩定助劑來保持材料體系熱穩定性，進而保障制品的穩定生產，是相關企業的一個非常重要的工作。

經過多年的發展，目前行業中用于表征PVC 材料體系熱穩定性能的方法已有多種[16-18]，其中包括剛果紅法、老化白度法、熱烘箱法、雙輥塑煉法以及轉矩流變儀法等。其中轉矩流變儀法模擬了擠出工藝，自動化程度高，同時提供了較多的參數，如塑化時間、塑化溫度以及塑化扭矩等，為生產指導提供了參考。通過這個方法表征材料體系的熱穩定性能，是眾多方法中最接近真實加工情況的手段，因此該方法廣受行業工作者的歡迎。

轉矩流變儀法一般是通過對比不同PVC 材料體系的熱穩定時間，從而表征不同材料體系的熱穩定性能，因此，這個方法的關鍵在于如何讀取轉矩流變曲線中的“熱穩定時間”這個參數。對此，不同學者有不同的看法。以圖1 為例，有的學者將0 到E 點的時間區間作為材料體系的熱穩定時間[19]，也有人將D 點到E 點的時間作為材料體系的熱穩定時間[20-21]。除此以外，還有人創新性將圖1 中的塑化時間（A 點到C 點）作為表征材料體系熱穩定性能的指標[22]，因為在加工過程中PVC 材料的熱穩定性與塑化性能是有機統一的，塑化時間越短，物料溫度也會相對較低，材料發生降解的概率會降低，整體穩定性會增強。而根據標準JG/T 451-2014《建筑塑料門窗型材用未增塑聚氯乙烯共混料》以及龍武林等人的看法[23]，PVC 材料加工過程中熱穩定時間應該按照圖2（也就是標準中圖A.1）中的塑化拐點（圖2 中的C 點）作為熱穩定時間的起點，以圖2 中第2 段覆蓋的時間范圍作為熱穩定時間。

圖2 典型的PVC-U 材料體系轉矩流變曲線

由于采用轉矩流變儀法表征PVC 材料體系熱穩定性能時，物料在密閉腔體中進行加熱，難以觀測物料顏色變化。因此，不少學者在研究PVC 材料體系熱穩定性能的時候采用其他方法與轉矩流變法相結合，對PVC 材料體系的靜態熱穩定性以及動態熱穩定性進行綜合評價[24-26]，從而為材料篩選以及實際加工提供更有價值的指導意見。

2.3 潤滑性能

在加工過程中，PVC 材料體系的熔體粘度比聚乙烯以及聚丙烯等材料的熔體粘度更高，加工難度高，因此，在配方中除了需要加入熱穩定助劑以外，還需要加入潤滑助劑，才能保證制品的穩定成型。潤滑助劑的效果則為PVC 材料體系的“潤滑性能”。

在實際的工作中，研究人員都希望將PVC 材料體系的潤滑性能盡量調整至接近“潤滑平衡”的狀態。而所謂潤滑平衡，就是要在已有加工設備的前提下，通過潤滑劑的合適搭配并與加工工藝參數的相互調節，使產能、能耗、制品外觀和制品性能這些相互有所制約的目標值能夠折衷、協調、優化，統一為一個滿意的結果。

對于PVC 材料中的潤滑劑體系，其性能包括樹脂潤滑性以及金屬潤滑性[27-29]，而樹脂潤滑性能又包含內潤滑、外潤滑以及輔助潤滑等三個方面的特性，目前已經有學者提出采用轉矩流變曲線表征這些特性的方法。

2.3.1 樹脂潤滑性

對于樹脂潤滑性的表征方法，不同學者有著不同的看法。

吳茂英團隊提出可采用“轉矩流變儀塑化時間法”進行表征[30-32]。在他們團隊的研究中，先是合成了不同類型的潤滑劑，并通過轉矩流變儀測試這些試驗潤滑劑單獨使用以及與牌號為AC-617A 的潤滑劑并用對PVC塑化時間的影響，并選取不同的參比樣，從而表征試驗潤滑劑的樹脂潤滑特性，包括內潤滑性能（以硬脂酸（HSt）為參比）、外潤滑性能（以AC-617A 作為參比）以及輔助外潤滑性能（以硬脂酸鈣（CaSt2）為參比）。

試驗潤滑劑的樹脂內潤滑性能采用內潤滑性能指數IRILP表示，如公式⑵所示：

試驗潤滑劑的樹脂主效外潤滑性能以樹脂主效外潤滑性能指數IPRELP表示，如公式⑷所示：

而王文治團隊對潤滑劑的樹脂潤滑特性表征方法也做了大量的研究，并提出了兩種方法[33-35]：

第一種名為硬脂酸指數（ISA）評價法，將硬脂酸作為評價潤滑劑特性的參比物，在PVC 混配料中單獨加入1 份硬脂酸作為潤滑劑，對應的流變曲線的塑化扭矩、塑化時間等特征參數作為基數1.0，然后以同樣的實驗條件下測得同一混配料加入其他潤滑劑或潤滑劑組合的各特征參數，與之進行比較，其比值被稱為被評價的潤滑劑或潤滑劑組合的相應的硬脂酸指數（ISA-Index of Stearic Acid）。

第二種方法則是采用轉矩流變曲線的第一扭矩差以及第二扭矩差作為初步評價潤滑劑內潤滑特性以及外潤滑特性的方法。其中第一扭矩差就是塑化扭矩與最小扭矩的差，反映的是PVC 材料體系凝膠化速度的變化，可作為內潤滑特性的表征，其數值越小，證明內潤滑作用越強。第二扭矩差也就是塑化扭矩與平衡扭矩的差值。第二扭矩差變小，其實質是因為材料體系外潤滑特性增強，PVC 材料體系受到的剪切作用減弱，塑化時間延長，導致料溫升高，熔體的粘度下降，塑化扭矩也隨之下降，與平衡扭矩之間的差值就會減小。因此第二扭矩差越小，證明潤滑體系的外潤滑作用越強。但他們也強調，這個方法只是一個初步的判斷方法，這兩個數值的大小對PVC 材料體系的加工成型、制品的性能還有產能等諸多方面的影響還有待進一步研究。

2.3.2 金屬潤滑性

PVC 材料體系的金屬潤滑性對于PVC 熔體冷卻成型以及產品外觀及物理力學性能都有很大關系。傳統用于表征材料體系的金屬潤滑性（脫模性）的方法叫“雙輥機（開煉機）黏輥時間法”[36]，但這種方法存在客觀性不足以及結果波動性大的問題。對此，吳茂英團隊[37-38]在近年來研究新的表征方法，名為“轉矩流變儀臨界脫模用量法”。這種方法是通過用轉矩流變儀測試PVC 干混料對混煉腔體金屬表面粘附性隨試驗潤滑劑用量的變化，確定PVC 熔體完全不粘附混煉室金屬表面所需的試驗潤滑劑最小用量，即臨界（完全）脫模用量（UCMR），定義臨界完全脫模用量的倒數為金屬潤滑性能（即脫模性能）值（VMLP），其中MLP 為Metal Lubrication Performance 的縮寫。當需要對某種特定潤滑劑的金屬潤滑性能進行表征的時候，可采用該種潤滑劑與CaSt2的金屬潤滑性能值（VMLP）的比值作為該潤滑劑的金屬潤滑性能指數（IMLP），用以衡量該潤滑劑的金屬潤滑性能（即脫模性能）。如公式⑸所示：

2.4 凝膠化度

在PVC 材料體系的加工性能中，成型性能是其中一個重要方面，這就需要凝膠化度達到一定的數值才能保證產品穩定成型且各項力學性能滿足標準要求。因此，如何對制品的凝膠化度進行表征是一個非常重要的事情。目前主要有溶劑吸收法、毛細管流變儀法、差示掃描量熱法（DSC）以及轉矩流變儀法[39]。

根據相關文獻可知[40]，隨著時間的推移，在轉矩流變試驗中PVC 干混料的凝膠化度是不斷增大的，而物料的溫度也是隨著時間的推移而不斷提高的，這兩者的變化趨勢是一致的[41]。因此，王文治團隊[42]提出可以在典型的流變曲線圖的轉矩-時間曲線（圖3 曲線1）以及溫度-時間曲線（圖3 曲線3）的基礎上虛擬一條鏡面扭矩曲線（圖3 中曲線2）。他們經過研究后還發現，樣品的凝膠化度越高，塑化扭矩與最小扭矩的差值越小[39]，因此他們提出了以下計算凝膠化度的方法。

圖3 PVC 轉矩流變曲線上的取樣點

將手工混合的混配料為參比混配料，因未經過剪切和加熱，其凝膠化度為零。將最大扭矩和最小扭矩兩者的差值為零的樣品，定義其凝膠化度為100%，則用公式⑹可以計算出被測樣品的凝膠化度Dg：

這個方法只需要做出樣品和參比混配料的轉矩流變曲線，操作比較簡便，但只能用于評價一種混配料，在不同加工條件的作用下，制品的凝膠化度也會有所不同。另外，這個方法雖然已經轉化為專利[43]并制定為國家標準GB/T 34917-2017，但在實際試驗操作的過程中發現這個方法的計算結果誤差較大。因此，如何對這個方法進行改進是目前相關人員需要思考的地方。

3 總結

本文總結歸納了采用轉矩流變曲線在表征PVC 材料體系加工性能不同方面的研究進展，但這些方法在很多方面還需要進一步的研究，比如通過轉矩流變曲線評價PVC 材料體系的金屬潤滑性能以及凝膠化度的方法還需要進一步完善等。期盼更多的PVC 制品行業人士投入到相關的應用研究中，讓轉矩流變曲線在PVC 制品行業的質量管理方面發揮出更大作用，共同推動行業的快速發展，為市場提供更多優質的建材產品。