CPVC／ABS／AS與CPVC／ABS共混體系性能研究

袁茂全，王 健

（上海氯堿化工股份有限公司，上海 200241）

0 前言

CPVC是聚氯乙烯（PVC）進(jìn)一步氯化的產(chǎn)物，是PVC重要的改性產(chǎn)品，CPVC的氯含量一般在61%～68%之間，由于極性元素的增加，其物理機(jī)械性能，特別是耐熱變形性、耐溶劑性、阻燃性等均比PVC有較大的提高，耐熱溫度比PVC高30～40℃，其加工溫度與ABS接近。CPVC由于含氯量的增加，使分子間的吸引力增加，使得共混體系的熔體黏度增大，加工困難，因此有報(bào)道使用甲基丙烯酸甲酯－丁二烯－苯乙烯三元共聚物（MBS）、ABS、PVC、苯乙烯馬來(lái)酸酐類共聚物［1-5］與 CPVC 共混來(lái)提高體系的流動(dòng)性，降低CPVC的熔體黏度，提升共混體系加工寬度。與PVC／ABS共混體系不同，加入CPVC不會(huì)降低ABS的使用溫度，從而使得CPVC／ABS的耐熱性能明顯優(yōu)于PVC／ABS共混體系，拓寬了共混體系的應(yīng)用領(lǐng)域。ABS與CPVC在阻燃性能上有良好的互補(bǔ)性，普通ABS的極限氧指數(shù)為21%，在空氣中容易燃，CPVC極限氧指數(shù)為60%以上，是一種難燃材料。再者，ABS具有比CPVC更好的抗沖擊性能，與CPVC形成共混體系可以大幅提高材料的抗沖擊性能［6］。因此，CPVC／ABS共混體系材料在原則上將擁有各項(xiàng)優(yōu)越的性能并具有較好的應(yīng)用前景，值得深入研究。

在ABS的組合中，有一類重要的組合是利用AS與高橡膠含量的ABS進(jìn)行摻混、造粒后進(jìn)行再加工。該組合配方中使用的ABS為粉末狀，在加工過(guò)程中容易與CPVC混合均勻。本研究針對(duì)此種組合的ABS對(duì)CPVC／ABS／AS及 CPVC／ABS共混體系力學(xué)性能、耐熱性能及阻燃性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

CPVC，ZS－601，上海氯堿化工股份有限公司；

甲基硫醇錫，TM181FS，美國(guó)羅門(mén)哈斯公司；

ABS，HR－181，韓國(guó)錦湖石化有限公司；

AS，PN－138H，鎮(zhèn)江奇美化工有限公司；

鈦白粉，BA01－01，上海焦化廠；

聚乙烯蠟，WE－3，上海金山星星塑料有限公司；

硬脂酸，東莞漢維新材料科技有限公司；

硬脂酸鈣，東莞漢維新材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī)，GH－10，北京市塑料機(jī)械廠；

平板硫化機(jī)，QLB－D，上海橡膠機(jī)械廠；

開(kāi)放式塑煉機(jī)，SK－160B，上海橡膠機(jī)械廠；

HAKKE流變儀，RC300P，Thermo Hakke Polylab System，德國(guó)賽默飛公司；

Vicat測(cè)試儀，Ceast－6911，意大利Ceast公司；

力學(xué)性能測(cè)試儀，INSTRON 4466，美國(guó)INSTRON公司。

1.3 樣品制備

按配方準(zhǔn)確稱量各物料，將CPVC、穩(wěn)定劑甲基硫醇錫加入到高速混合機(jī)中進(jìn)行混合，至60～70℃后再加入聚乙烯蠟、硬脂酸、硬脂酸鈣、鈦白粉、ABS、AS等加熱至120℃，混合均勻后出料；將開(kāi)放式塑煉機(jī)升溫到190℃并恒溫0.5h，投入混合料，反復(fù)混煉均勻后出片；在190℃，16MPa壓力下，熱壓6～10min，再冷卻到室溫，啟模即可得到待測(cè)試的模板，按測(cè)試要求制成待測(cè)樣品。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度按GB／T 1040.2—2006進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為50mm／min；

彎曲強(qiáng)度按GB／T 9341—2008進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為10mm／min；

沖擊強(qiáng)度按GB／T 1043.1—2008進(jìn)行測(cè)試，試樣類型1型，缺口為B型缺口，缺口尺寸3.2mm，沖擊速度2.9m／s；

耐熱性能按GB／T 1633—2000進(jìn)行測(cè)試樣品的測(cè)試維卡軟化點(diǎn)，升溫速率50℃／h，負(fù)載50kN；

極限氧指數(shù)按GB／T 2406—2009進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 ABS含量對(duì)共混體系力學(xué)性能的影響

在ABS的加工中，通過(guò)改變ABS與AS的含量，可以獲得不同組成和不同性能的ABS／AS共混體系，再通過(guò)將該共混體系與CPVC進(jìn)行共混，可以最終獲得不同共混性能的CPVC／ABS／AS三元共混體系。固定ABS／AS與CPVC之間的配比為40∶60，變化ABS與AS之間的配比，得到如圖1所示的三元、二元共混體系力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。從圖1（a）可以看出，隨著ABS含量的增加，CPVC／ABS／AS共混體系拉伸強(qiáng)度從79MPa降低到35MPa，彎曲強(qiáng)度從105MPa降低到40MPa，而缺口沖擊強(qiáng)度卻持續(xù)上升，相應(yīng)地從11.5kJ／m2上升至39.5kJ／m2。同時(shí)，圖1（b）也表明在ABS含量達(dá)到30%時(shí)，其沖擊強(qiáng)度與含量為40%時(shí)基本接近，達(dá)到了39.3kJ／m2，這說(shuō)明ABS增加到一定量時(shí)，共混體系的沖擊性能就不再增加。從整體來(lái)看，考慮到力學(xué)性能及耐熱性能，在ABS含量為15%時(shí)共混體系的各項(xiàng)指標(biāo)均比較合理，其三元組分配比為CPVC∶ABS∶AS＝60∶15∶25，而此時(shí)材料具有較好的加工性能和表面光澤度。

圖1 ABS含量對(duì)CPVC／ABS／AS三元共混體系力學(xué)性能的影響Fig.1 Mechanical properties of CPVC／ABS／AS blends against content of ABS component

在ABS加工中，同時(shí)還考察了CPVC／ABS二元共混體系的基本性能，并將其與前述CPVC／ABS／AS三元共混體系進(jìn)行了比較，以詳細(xì)評(píng)價(jià)二者之間的差別。由圖2可知，隨著ABS含量的增加，共混體系的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨之下降，而缺口沖擊強(qiáng)度卻持續(xù)顯著上升，當(dāng)ABS用量為25%時(shí)，沖擊已經(jīng)趨于平衡，達(dá)到了52.6kJ／m2。

圖2 ABS含量對(duì)CPVC／ABS二元共混體系力學(xué)性能的影響Fig.2 Mechanical properties of CPVC／ABS blends against content of ABS component

對(duì)比圖1和圖2可以看出，單純使用ABS與CPVC共混，此二元共混體系在初始點(diǎn)，即ABS含量為零時(shí)的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度并沒(méi)有CPVC／ABS／AS三元共混體系的高，說(shuō)明AS的存在對(duì)提高共混體系的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度是有好處的。在沒(méi)有AS時(shí)，隨著ABS含量逐漸增加，CPVC／ABS二元共混體系的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的下降也比較快。當(dāng)ABS含量為10%時(shí)，二元共混體系體系的缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到了30kJ／m2，已經(jīng)明顯高于相同ABS含量三元共混體系的25kJ／m2，說(shuō)明AS的加入會(huì)降低材料的缺口沖擊強(qiáng)度。AS是由丙烯腈和苯乙烯共聚而成，本身不含柔性鏈段，因此其沖擊性能不如ABS高。

2.2 ABS含量對(duì)共混體系耐熱性能的影響

從圖3可以看出，隨著ABS含量的增加，維卡軟化點(diǎn)從103.4℃下降到了92.9℃，說(shuō)明ABS含量的增加對(duì)CPVC／ABS／AS三元共混體系的耐熱性能具有負(fù)面影響，因?yàn)锳BS會(huì)削弱CPVC大分子鏈間的相互作用力，使得材料的內(nèi)聚能下降［7］。進(jìn)一步分析表明，隨著ABS含量的逐漸增加，在ABS組分含量較少時(shí)體系耐熱性能的下降幅度較小。如圖3顯示，當(dāng)ABS含量在20%以下時(shí)，維卡軟化點(diǎn)的下降幅度相對(duì)較小，而當(dāng)ABS含量達(dá)到20%以上時(shí)，其下降幅度卻隨之迅速增大。

圖3 ABS含量對(duì)CPVC／ABS／AS三元共混體系維卡軟化點(diǎn)的影響Fig.3 Vicat softening point of CPVC／ABS／AS blends against content of ABS component

從圖4可以看出，隨著ABS的加入，二元共混體系的維卡軟化點(diǎn)也下降，但是在ABS含量10%以下時(shí)，共混體系的維卡軟化點(diǎn)下降趨勢(shì)不特別明顯，當(dāng)ABS含量達(dá)到10%以上之后下降趨勢(shì)愈漸明顯，說(shuō)明維卡軟化點(diǎn)的下降跟共混體系中ABS的含量有著緊密的聯(lián)系。分析可知，由于ABS結(jié)構(gòu)中含有丁二烯橡膠，而丁二烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在－50℃左右，從而導(dǎo)致隨著ABS用量的增加共混體系會(huì)變得更加柔軟。上述結(jié)果表明，ABS的加入對(duì)共混體系的耐熱性能有較大的負(fù)面影響。

2.3 ABS含量對(duì)共混體系阻燃性能的影響

圖4 ABS含量對(duì)CPVC／ABS二元共混體系維卡軟化點(diǎn)的影響Fig.4 Vicat softening point of CPVC／ABS blends against content of ABS component

分別對(duì)CPVC／ABS／AS和CPVC／ABS共混體系的極限氧指數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯?dāng)CPVC與ABS／AS的總體配比保持在6∶4時(shí)，其共混體系的極限氧指數(shù)基本恒定，維持在31%左右，屬于難燃級(jí)別，因此該共混體系還具有一定的阻燃性能，同時(shí)也說(shuō)明共混體系的阻燃性能主要取決于CPVC組分的含量。CPVC／ABS共混體系中，隨著ABS含量的增多，共混體系的極限氧指數(shù)下降較為顯著。當(dāng)ABS的含量在15%以下時(shí)，該共混體系的極限氧指數(shù)達(dá)到了41.8%以上，可用于開(kāi)發(fā)高阻燃及高韌性能材料。

表1 CPVC／ABS／AS及CPVC／ABS共混體系的極限氧指數(shù)Tab.1 The limited oxygen index of CPVC／ABS／AS and CPVC／ABS blends

3 結(jié)論

（1）ABS改善了CPVC共混體系的韌性，隨著其含量的增加共混體系的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和維卡軟化點(diǎn)均有所降低；

（2）在 CPVC／ABS／AS三元共混體系中，當(dāng) ABS含量達(dá)30%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度最佳，達(dá)到39.3kJ／m2，而在CPVC／ABS二元共混體系中，ABS用量在25%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度最佳，達(dá)到52.6kJ／m2；

（3）CPVC／ABS／AS、CPVC／ABS共混體系的極限氧指數(shù)與CPVC的用量有最密切的關(guān)聯(lián)，而與ABS和AS二者的配比基本無(wú)關(guān)。

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