環(huán)境友好型增塑劑增塑PVC體系的性能測試與分析

周玲玲，汪蓓蓓，肖陸飛

?

環(huán)境友好型增塑劑增塑PVC體系的性能測試與分析

*周玲玲，汪蓓蓓，肖陸飛

（滁州職業(yè)技術(shù)學院食品與環(huán)境工程系，安徽，滁州 239000）

以傳統(tǒng)增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）為參比對象，研究了對苯二甲酸二辛酯（DOTP）、環(huán)己烷1，2-二羧酸二異壬酯（DINCH）、聚酯3種環(huán)境友好型增塑劑增塑PVC體系的效果，對其力學性能、低溫性能、穩(wěn)定性能與光學性能等做了全面對比與分析。結(jié)果表明：在力學性能上，DOTP增塑PVC的效果最佳；在低溫性能上，DINCH增塑PVC的效果最佳；在穩(wěn)定性能上，聚酯增塑PVC的效果最佳；在光學性能上，DINCH增塑PVC的效果最佳。由此可見，針對不同使用領域，DOTP、DINCH和聚酯可取代統(tǒng)增塑劑DOP。

增塑劑；PVC；DOTP；DINCH；聚酯；性能

聚氯乙烯（PVC）作為最早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熱塑性塑料[1]，具有優(yōu)異的阻燃性、良好的耐磨性、優(yōu)良的抗化學腐蝕性、極佳的透明性與較強的電絕緣性等，因此被廣泛應用于醫(yī)療器械、食品包裝、家居日化與兒童玩具等諸多領域[2]。但由于純PVC的玻璃化溫度較高，常溫下呈剛性狀態(tài)等缺陷的存在[3]，導致其無法單獨加工使用，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，通常需要加入各種助劑，如增塑劑[4]、穩(wěn)定劑與潤滑劑等，從而達到改善PVC的性能，擴大其應用領域的目的。然而，在PVC的諸多助劑中，以增塑劑的用量為最大。

傳統(tǒng)的PVC增塑劑主要是鄰苯二甲酸酯類[5]，如鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）等，其增塑效果較好，便于加工生產(chǎn)與應用，但同時由于其對人類的健康存在著較大的潛在威脅，目前已在很多國家受到嚴格的使用限制。因此，開發(fā)環(huán)保無毒型增塑劑迫在眉睫。近年來，被廣泛研究與使用的環(huán)保無毒型增塑劑主要有對苯二甲酸酯[3]（如對苯二甲酸二辛酯（DOTP））、環(huán)氧類增塑劑[6]（如環(huán)氧大豆油）、環(huán)乙烷二羧酸酯類增塑劑[7]（如環(huán)己烷-1，2-二羧酸二異壬酯（DINCH））、聚酯類增塑劑[8]（如PET）與檸檬酸酯類增塑劑[9]（如ATBC）等。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PVC均一粉：S-70，寧波臺塑化工有限公司；增塑劑：DOTP，江蘇雷蒙化工科技有限公司；DINCH，德國巴斯夫化工（中國）公司；聚酯，東陽市翡朗特塑料助劑有限公司；穩(wěn)定劑：鈣鋅穩(wěn)定劑；助增塑劑：環(huán)氧大豆油。

1.2 實驗設備

高速攪拌機：SHR-10A，張家港市亞太輕工機械制造有限公司；冷卻混合機：SHL-10A，張家港市科仁機械有限公司；雙輥開煉機：SK-160B，上海橡膠機械廠；平板硫化機：XH-406，東莞市錫華精密測試儀器公司；萬能材料制樣機：XY-6064，江都軒宇試驗機械廠。

1.3 試樣制備

按照表１中不同增塑劑增塑PVC的配方，稱量適量的PVC均一粉、增塑劑、鈣鋅穩(wěn)定劑、環(huán)氧大豆油，加入高速攪拌機中攪拌，達到預設溫度100 ℃后，轉(zhuǎn)移至冷卻混合機中攪拌均勻、冷卻，出料。隨后，在雙輥開煉機上塑煉，雙輥溫度設為160 ℃，輥間距由小到大，打數(shù)次三角包，混煉10 min，混煉均勻后出片并冷卻。將混煉好的試樣裁剪平整，稱取合適的分量，放入預先預熱過的模具中，在平板硫化機上熱壓5 min，熱壓溫度設為180 ℃，壓力設為10 MPa，期間放氣3次，冷壓5 min。取樣，室溫下靜置24 h，待尺寸穩(wěn)定后，用萬能材料制樣機裁樣。

表1 不同增塑劑增塑PVC的配方

1.4 性能測試

（1）力學性能測試：測試儀器為電子萬能試驗機，UTM-1452，測量拉伸強度與斷裂伸長率，拉伸速率為50 mm/min。

（2）低溫性能測試：測試儀器為簡支梁沖擊試驗機，ResilP/N6957.000，將樣條放入液氮中浸泡5 min，取出后放置在簡支梁沖擊試驗機上進行沖擊測試，保證樣條從取出到擺錘下落的時間間隔為10 s。

（3）穩(wěn)定性能測試

揮發(fā)性測試：精確稱取樣條，將其放置于底部放置適量活性炭的金屬容器中，保持樣條不與活性炭接觸，將容器放置在100 ℃的烘箱中，待24h后取出，稱重，并計算其質(zhì)量損失。

耐溶劑抽出性測試：精確稱取一批樣條，在25 ℃的環(huán)境體系下，分別放置于200 mL的水、乙醇與石油醚溶劑中，浸泡48 h后取出，放置在30 ℃的鼓風干燥箱中干燥48 h后取出，稱重，并計算其質(zhì)量損失。

（4）光學性能測試：測試儀器為透光率/霧度測定儀，WGT-S，測量樣品5個不同位置的透光率與霧度，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能分析

圖1、圖2分別為不同增塑劑用量時增塑PVC體系的拉伸強度與斷裂伸長率變化圖。由圖可見，隨著增塑劑DOTP用量的增加，增塑PVC體系的拉伸強度由27.33 MPa降低到18.95 MPa，斷裂伸長率由260.36%增加到315.45%；隨著增塑劑DINCH用量的增加，增塑PVC體系的拉伸強度由26.45 MPa降低到19.22 MPa，斷裂伸長率由239.89 %增加到296.83 %；隨著增塑劑聚酯用量的增加，增塑PVC體系的拉伸強度由25.58 MPa降低到18.06 MPa，斷裂伸長率由210.31%增加到277.12%。由此可見，隨著增塑劑用量的增加，增塑PVC體系的拉伸強度逐漸降低，斷裂伸長率逐漸增加，這可能是由于隨著增塑劑的摻入，增塑劑分子進入到PVC分子鏈之間，增大了PVC分子鏈間的距離，使得PVC分子鏈之間原本存在的較大分子間作用力受到了削弱，增大了PVC分子鏈的移動性[10]，PVC分子的活動性增大，從而導致增塑PVC體系的強度降低，塑性增加。

圖1 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的拉伸強度變化圖

圖2 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的斷裂伸長率變化圖

2.2 低溫性能分析

圖3為不同增塑劑用量時增塑PVC體系的低溫沖擊強度變化圖。由圖可見，隨著增塑劑用量的增加，增塑PVC體系的低溫沖擊強度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這說明DOTP、DINCH與聚酯增塑劑均能夠改善PVC的低溫沖擊性能，其中尤以DINCH增塑的PVC體系的低溫沖擊性能為最佳，其低溫沖擊強度由29.32 kJ/m2增大到42.25 kJ/m2。這可能是由于隨著增塑劑的摻入，其溶劑化效應[11]逐漸發(fā)生作用的結(jié)果。

圖3 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的低溫沖擊強度變化圖

2.3 穩(wěn)定性能分析

圖4為不同增塑劑用量時增塑PVC體系的揮發(fā)性變化圖。由圖可見，隨著增塑劑用量的增加，DOTP增塑的PVC體系的質(zhì)量損失最大，且基本呈逐漸增大趨勢；DINCH增塑的PVC體系的質(zhì)量損失較小，且基本維持在0.21%左右；聚酯增塑的PVC體系的質(zhì)量損失最小，且基本維持在0.18%左右。由此可見，聚酯增塑劑增塑后的PVC體系的穩(wěn)定性能最好，這主要是由于相對于DOTP與DINCH來說，聚酯增塑劑的揮發(fā)性最低[12]，其增塑后的PVC體系的穩(wěn)定性能就最好。

圖4 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的揮發(fā)性變化圖

圖5為不同增塑劑用量時增塑PVC體系在不同溶劑中的耐溶劑抽出性變化圖。對比圖5(a)、圖5 (b)與圖5(c)可見，在水溶劑中，隨著DOTP、DINCH與聚酯增塑劑用量的增加，增塑PVC體系的質(zhì)量損失均基本保持不變，這3種增塑劑在水中的耐抽出性均為最好，基本不抽出，這主要是由于這3種增塑劑均具有一定的極性，為疏水性材料；在乙醇溶劑與石油醚溶劑中，隨著增塑劑用量的增加，增塑PVC體系的質(zhì)量損失均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且石油醚溶劑中的質(zhì)量損失明顯大于乙醇溶劑，這可能是由于這3種極性不同的增塑劑均具有一定的親油性，能夠溶解于非水體系乙醇與石油醚中，但同時又由于其在乙醇與石油醚中的親油性不同，從而導致其在不同溶劑中的質(zhì)量損失亦不同。由圖5(a)、圖5 (b)與圖5(c)可見，增塑劑用量為50 phr時，DOTP、DINCH與聚酯增塑的PVC體系在乙醇溶劑中的質(zhì)量損失分別為10.02%、6.47%與0.15%，在石油醚溶劑中的質(zhì)量損失分別為19.98%、17.32%與0.48%。由此可見，聚酯增塑劑增塑后的PVC體系的耐溶劑抽出性明顯優(yōu)于DOTP與DINCH，其增塑后的PVC體系的穩(wěn)定性能最好。

圖5 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的耐溶劑抽出性變化圖

2.4 光學性能分析

圖6為不同增塑劑用量時增塑PVC體系的光學性能變化圖。對比圖6(a)、圖6(b)與圖6(c)可見，隨著DOTP、DINCH與聚酯增塑劑用量的增加，增塑PVC體系的透光率基本呈增大趨勢，霧度基本呈降低趨勢，但變化趨勢均較小，基本保持不變。DOTP增塑的PVC體系的透光率基本保持在84%左右，霧度基本保持在16%左右；DINCH增塑的PVC體系的透光率基本保持在86%左右，霧度基本保持在14%左右；聚酯增塑的PVC體系的透光率基本保持在81%左右，霧度基本保持在20%左右。由此可見，DINCH增塑劑增塑后的PVC體系的透光率最大、霧度最小，其光學性能最好。

圖6 不同增塑劑用量時增塑PVC體系的光學性能變化圖

3 結(jié)論

（1）在力學性能上，DOTP增塑PVC的效果最佳，增塑后的PVC體系的拉伸強度降低、斷裂伸長率增加，其力學性能得到了提升；DINCH的效果次之；聚酯的效果最差。

（2）在低溫性能上，DINCH增塑PVC的效果最佳，增塑后的PVC體系的低溫沖擊強度增大，明顯改善了PVC的低溫沖擊性能；DOTP的效果次之；聚酯的效果最差。

（3）在穩(wěn)定性能上，聚酯增塑PVC的效果最佳，增塑后的PVC體系的揮發(fā)性最低、耐溶劑抽出性最好，其穩(wěn)定性能最佳；DINCH的效果次之；DOTP的效果最差。

（4）在光學性能上，DINCH增塑PVC的效果最佳，增塑后的PVC體系的透光率最大、霧度最小，其光學性能最佳；DOTP的效果次之；聚酯的效果最差。

綜上，DOTP、DINCH和聚酯增塑劑增塑PVC體系的效果各異，可將其應用于不同領域，既能夠滿足環(huán)境友好的要求，又能夠取代傳統(tǒng)增塑劑DOP，達到相關(guān)使用要求。

[1] Wilkes C E, Daniels C A, Summers J W. PVC handbook[M]. Munich: Hanser, 2005.

[2] 李孝國,趙甲,費亞南,等. 環(huán)保增塑劑環(huán)己烷1，2-二甲酸二異辛酯的合成[J]. 石油化工高等學校學報,2013,26(5): 33-36.

[3] 劉延華,邢光全,馮保林,等. 環(huán)保增塑劑在一次性 PVC 手套行業(yè)的應用[J]. 塑料助劑,2017 (1): 21-22.

[4] Starnes W H. Structural defects in poly (vinyl chloride)[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2005, 43(12): 2451-2467.

[5] 胡文濤,李建廠,丁雪佳,等. 增塑聚氯乙烯的改性研究[J]. 中國塑料, 2014 (7): 60-64.

[6] 李翠翠,何成生,樊翠蓉,等. 我國醫(yī)用聚氯乙烯增塑劑的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 材料導報,2010,24(5): 141-144.

[7] Ventrice P, Ventiece D, Russo E, et al. Phthalates: European regulation, chemistry, pharmacokinetic and ralated toxicity[J]. Environmental toxicology and pharmacology, 2013, 36(1): 88-96.

[8] 金棟. 聚氯乙烯環(huán)保型增塑劑的研究進展[J]. 中國氯堿, 2010 (10): 6-9.

[9] 王波,王克智,鞏翼龍. 環(huán)保型增塑劑的研究進展[J]. 塑料工業(yè),2013,41(5): 12-15.

[10] 陳銘孚,張晉菲,吳曉棟,等. 環(huán)境友好型增塑劑增塑聚氯乙烯體系的性能表征[J]. 聚氯乙烯,2013，41(1): 22-26.

[11] 張欣華,李澤天,王靜,等. 聚酯增塑劑增塑PVC最新研究進展[J]. 石油化工高等學校學報,2016,29(4): 13-17.

[12] 李明,袁金鳳,潘明旺,等. 聚酯增塑劑的合成及對PVC的增塑[J]. 高分子材料科學與工程,2012，28(1): 37-41.

THE ANALYSIS OF PROPERTIES OF PVC PLASTICIZED WITH ENVIRONMENT-FRIENDLY PLASTICIZERS

*ZHOU Ling-ling, WANG Bei-bei, XIAO Lu-fei

(Department of Food and Environmental Engineering, Chuzhou Vocational And Technical College, Chuzhou 239000, China)

Compared with traditional plasticizer, i.e. dioctyl phthalate (DOP), the effects of three kinds of environment-friendly plasticizer, i.e. dioctyl terephthalate(DOTP), di(2-isononyl)-1,2-cyclohexane dicarboxylate (DINCH) and polyester on plasticized PVC were studied. Its mechanical properties, cryogenic properties, stability properties and optical properties were compared and analysed comprehensively. The results showed that the effect of DOTP plasticizing PVC is the best in the mechanical properties; the effect of DINCH plasticizing PVC is the best in the cryogenic properties; the effect of polyester plasticizing PVC is the best in the stability properties; the effect of DINCH plasticizing PVC is the best in the optical properties. Thus, DOP could be replaced with DOTP, DINCH and polyester to plasticize PVC in different applications.

plasticizer; PVC; DOTP; DINCH; polyester; properties

1674-8085(2018)03-0058-06

TQ325.3；TQ414

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.012

2017-08-08；

2018-01-05

省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目（gxyqZD2016540）；安徽省級專業(yè)綜合改革試點建設項目（2015zy099）；安徽省級專業(yè)教學團隊建設項目（1498）；安徽省職業(yè)與成人教育學會教育科研規(guī)劃課題（BCB15019）；安徽省高校自科重大研究項目（KJ2017ZD49）；安徽省高校自科重點研究項目（KJ2017A721）

*周玲玲(1980-)，女，安徽淮北人，副教授，碩士，主要從事功能材料研究(E-mail：zhoulingling2003@126.com);

汪蓓蓓(1983-)，女，安徽宿州人，講師，主要從事高分子材料研究(E-mail:52172230@qq.com);

肖陸飛(1976-)，男，安徽來安人，教授，博士，主要從事應用化學、配位化學研究(E-mail:522022673@qq.com).