不同批次PVC管道抗沖助劑 塑化性能差異性研究

黃海亮，鐘柳

(廣東聯塑科技實業有限公司，廣東 順德 528318)

0 引言

作為世界五大通用塑料之一，聚氯乙烯(PVC)以其強度高以及成本低的特點廣泛應用于管道、型材、電纜通訊、卷材以及板材等諸多領域[1-5]。其中，在塑料管道市場中，硬聚氯乙烯(PVC-U)管道憑借其自重輕、耐腐蝕、強度高以及安全方便等優點受到了工程界的一致好評，在市場占據重要地位。

與聚乙烯(PE)等聚烯烴管道的材料體系相比，PVC-U管材的材料體系組分更多，需要加入多種助劑才能保證最終產品穩定成型且性能滿足要求，其中針對PVC材料本身韌性不如聚烯烴材料的特性，需要在體系中加入抗沖助劑[6]，才能保證PVC-U管材的性能滿足相關標準要求。除此以外，PVC材料體系還需要加入熱穩定劑、抗老化助劑、加工助劑以及潤滑助劑等[7]。

上述助劑本身也是工業級產品，里面含有多種組分。而在工業化大規模生產的過程中，雖然參數波動導致成品組分出現波動是難以避免的事情，但一般在可控范圍內。因為如果成品的組分波動幅度過大，容易對下游的PVC管道的生產以及產品性能造成影響。因此，為了保證PVC管道的穩定生產且產品性能達標，對不同批次助劑的組成以及塑化性能進行研究是非常重要的[8-9]。下面將對同一牌號四個不同批次的PVC管道用抗沖助劑的組成以及塑化性能的差異性進行研究。

1 原料及設備

1.1 原料

聚氯乙烯樹脂粉、鈣鋅熱穩定劑、碳酸鈣、鈦白粉、單甘酯、聚乙烯蠟、加工助劑(聚丙烯酸酯)以及同一牌號不同批次的抗沖助劑(分別為樣品1、樣品2、樣品3以及樣品4)，以上均為市售工業級原料。

1.2 儀器

儀器設備如表1所示。

表1 儀器設備

2 測試方法

2.1 X射線熒光光譜儀（XRF）

采用X射線熒光光譜儀對四個樣品的元素含量進行檢測，選擇直徑32 mm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。

2.2 傅里葉變換紅外光譜儀

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4000～500 cm-1。壓片具體步驟如下：稱取150 mg的溴化鉀，研磨2 min后烘干，加入10 mg的樣品后繼續研磨10 min，最后壓成測試所需的片狀。

2.3 灰分

用坩堝稱量1 g的樣品，置于馬弗爐中900 ℃高溫煅燒3 h后稱量剩下灰分的質量。重復一次后取兩次測試結果的算術平均值。

2.4 轉矩流變測試

稱量PVC樹脂粉100份、碳酸鈣15份、熱穩定劑3.5份、鈦白粉2份、單甘酯0.4份、聚乙烯蠟0.5份、加工助劑0.2份以及抗沖助劑8份并在高速攪拌機中攪拌2 min，隨后稱取72～84 g粉體加入轉矩流變儀中，在182 ℃以及25 r/min的條件下開始試驗，當到達預定時間后停止試驗并清理設備。

水資源司在網站開辟試點工作專欄，報道試點工作動態和各試點地區經驗做法，建立了試點工作聯系人和信息上報制度。試點工作開展以來，被《人民日報》（海外版）、《中國水利報》、《水利部優秀調研報告集》、《水資源工作信息》、水利部門戶網等報刊網站收錄信息及文章50余條 （篇），部分信息經新華網、新浪網等轉載，擴大了試點工作的社會影響力，發揮了試點的示范作用。

3 分析

3.1 X射線熒光光譜（XRF）測試

不同樣品對應XRF測試結果如表2所示。

從表2的數據可以看出，樣品1與其他三個樣品存在明顯區別，其中氯元素含量是四個樣品中最少的，鋁以及硅這兩種元素的含量遠遠超過其余三個樣品，而鈣元素則遠遠少于其他三個樣品，硫元素以及鐵元素的含量也略低于其他三個樣品。從表2的結果可以看出，樣品1中的鈣鹽含量遠遠少于其他三個樣品。

表2 不同樣品對應XRF測試結果

3.2 紅外光譜（FT-IR）

不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖

(1)樣品2(1577 cm-1與1541cm-1)、樣品3 (1577 cm-1與1541 cm-1)以及樣品4(1576 cm-1與1541 cm-1)都出現了硬脂酸鈣(CaSt2)的特征峰，分別對應CaSt2的中ROO-的絡合結構以及離子結構[10-11]，如圖2所示。樣品1則在這兩個波數附近沒出現特征峰，說明樣品1中CaSt2含量與其他三個樣品存在明顯差異。

圖2 硬脂酸鈣絡合結構以及離子結構示意圖

(2)四個樣品均在2918 cm-1以及2850 cm-1附近出現特征峰，對應亞甲基C-H的不對稱和對稱伸縮振動特征峰，這表明樣品中含有長碳鏈，且樣品2、樣品3以及樣品4的峰強度比樣品1要強。出現這種情況，其中一個原因可能是因為樣品1與其他三個樣品在CaSt2含量上存在明顯差異所導致的。

(3)通過譜圖可以看出，樣品1在1001 cm-1以及554 cm-1的位置有明顯的特征峰，樣品2在1003 cm-1與560 cm-1有明顯的特征峰，樣品3在1000 cm-1以及553 cm-1有明顯的特征峰，樣品4在1003 cm-1以及550 cm-1有明顯的特征峰。這兩個位置(1000 cm-1附近以及560～550 cm-1)的特征峰分別為Si-O-Si不對稱伸縮振動特征峰以及彎曲振動特征峰，可推測樣品中含有結晶型的二氧化硅(俗稱石英)[12-15]。

3.3 灰分

不同樣品的灰分數據如表3所示。

表3 不同樣品的灰分數據

3.4 流變試驗

3.4.1 基礎數據及其分析

圖3為不同樣品的轉矩流變曲線圖，表4為不同樣品的塑化性能參數。從圖3可以看出，四個樣品對應的曲線都是差不多重疊在一起的，難以看出相互之間的差異性。為此，這里對表4的數據進行處理，以樣品3的數據作為參比(100%)，計算其他樣品與其差異性，結果如表5所示。

表4 不同樣品的塑化性能參數

圖3 不同樣品的轉矩流變曲線圖

從表5的數據可以看出，樣品1在塑化扭矩、塑化時間以及平衡扭矩方面這三個參數都是四個樣品中最高的。其中塑化時間與參比樣(樣品3)之間的差距接近30%。出現這種情況，其中一個重要原因就是CaSt2含量的差別。因為CaSt2作為一種以內潤滑作用為主的潤滑劑[16-18]，能滲透到PVC分子鏈之間，極性端與PVC分子鏈的極性點通過靜電作用力結合，而非極性端則起到“屏蔽”的作用，進而有效增加PVC分子鏈之間的距離，從而能有效削弱PVC分子鏈之間的吸引力，降低其擴散難度，加快塑化速度，有效縮短塑化時間，降低塑化扭矩與熔體粘度(平衡扭矩)。由于樣品1中CaSt2的含量較低，與其他三個樣品之間存在明顯區別，因此塑化扭矩與平衡扭矩更高，塑化時間更長。

表5 轉矩流變試驗數據對比 單位：%

3.4.2 塑化速度

從圖3可以看出，四個曲線幾乎重疊，難以從圖中區分四個樣品的流變性能(最小扭矩、塑化扭矩、塑化時間以及平衡扭矩)差異性。為了能綜合體現出四個樣品的流變性能差異性，這里采用兩個新的指標對不同體系的塑化速度進行計算評價，并以樣品3的數據作為參比，計算其他三個樣品數據的相對百分比，結果如表6所示。

第一個新的指標名為熔融因數(fusion factor，簡稱F)，不少文獻將其用于評價PVC材料體系的加工性能[19-22]，但后面經過有關學者進行系統性論述以后可知，熔融因數只能用于衡量材料體系的塑化速度[23]，并不能用于評價加工性能的好壞。本文引入熔融因數對不同配方體系下的塑化速度進行對研究，其中熔融因數的計算公式為：

式中：Tb為塑化扭矩(N·m)；Ta為最小扭矩(N·m)；t為塑化時間(min)。計算結果如表6所示。

表6 熔融因數計算結果

除了熔融因數以外，通過王文治等的研究可知，塑化扭矩與最小扭矩的差值越小，材料體系的凝膠度越高[24]，塑化時間也隨之縮短，也就是塑化速度越快。而轉矩流變試驗的參數中，塑化時間越短，同樣也表示材料體系的塑化速度越快。為了能綜合體現這兩個參數對塑化速度的影響，筆者提出了本文第二個用于評價塑化速度的新指標，命名為塑化速度因子，并用F1表示，其計算公式為：

式中：Ta為最小扭矩(N·m)；Tb為塑化扭矩(N·m)；t為塑化時間(min)。

通過上述論述以及公式可以看出，F1越大，則表示對應PVC材料體系的塑化速度越快。其計算結果如表7所示。

表7 塑化速度因子計算結果

從表6以及表7的數據可以看出，樣品1與參比樣之間的塑化速度差異是所有樣品中最大的。其中通過熔融因數的計算結果可見，樣品1與參比樣的數據差異為15.83%，而通過塑化速度因子的計算結果顯示，樣品1與參比樣的數據差異達到30.81%，差距非常明顯。這其中一個非常重要的原因也是因為樣品1中硬脂酸鈣的含量較低，與其他三個樣品存在明顯差異所導致的。

4 結語

(1)通過XRF、FT-IR以及灰分的數據可以看出，樣品1中無機鹽含量較少，其中CaSt2的含量較低。

(2)通過轉矩流變試驗的數據以及塑化速度的計算結果可以看出，樣品1的塑化扭矩與平衡扭矩更高，塑化時間更長，塑化速度比較慢。