納米粒子增韌改性聚氯乙烯的研究進(jìn)展

刁潤(rùn)麗 李峰

摘 ? 要：聚氯乙烯（PVC）具有性能優(yōu)異、原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其硬而脆的性能?chē)?yán)重影響其在生產(chǎn)過(guò)程中的使用，所以，急需對(duì)其進(jìn)行增韌改性。綜述了聚氯乙烯增韌改性的現(xiàn)狀、納米粒子增韌改性聚氯乙烯（PVC）的作用機(jī)理及方法，指出了增韌過(guò)程中存在的問(wèn)題，并對(duì)納米粒子增韌改性聚氯乙烯的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米粒子;聚氯乙烯（PVC）;增韌;改性

聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）是最早工業(yè)化、產(chǎn)量略低于聚乙烯的通用塑料，具有耐磨、耐腐蝕、阻燃、絕緣等優(yōu)異性能，且原材料來(lái)源廣泛、價(jià)格較低，因此，被廣泛應(yīng)用于管材、薄膜、防腐材料、絕緣材料、建筑材料等領(lǐng)域[1-2]。但熱穩(wěn)定性不高，質(zhì)地硬而脆，抗沖擊能力低，耐老化性差，限制了PVC在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，需要對(duì)PVC進(jìn)行增韌改性，這也一直是PVC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)[3-4]。

PVC的增韌改性一般分為化學(xué)改性和物理改性?xún)煞N?；瘜W(xué)改性的成本高，過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備要求嚴(yán)格，因而應(yīng)用受到限制。目前，主要采用物理方法對(duì)其進(jìn)行改性。物理改性主要是通過(guò)機(jī)械共混的方法將改性劑和PVC進(jìn)行共混，可在簡(jiǎn)單的生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用。物理改性主要分為彈性體增韌改性和剛性粒子增韌改性。彈性體改性只能提高韌性，成本也高[5-6]。剛性粒子增韌在增加韌性的同時(shí)，不降低剛度、模量，主要分為有機(jī)剛性粒子增韌和無(wú)機(jī)剛性粒子增韌。有機(jī)剛性粒子價(jià)格較高，所以，無(wú)機(jī)剛性粒子應(yīng)用更為廣泛，其納米粒子性能更優(yōu)越[7]。

1 ? ?聚氯乙烯增韌改性機(jī)理

化學(xué)改性主要是通過(guò)接枝、共聚的方法改變PVC的分子結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)增韌增強(qiáng)，因其工藝復(fù)雜而應(yīng)用很少[8]。物理改性靠引入的改性劑和基體之間形成相界面，受力時(shí)，界面塑性形變、吸收大量的能量而改性。該方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，主要有彈性體改性、有機(jī)剛性粒子改性和無(wú)機(jī)剛性粒子改性3種。

1.1 ?彈性體機(jī)理

彈性體包裹聚氯乙烯粒子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可有效吸收材料受到的沖擊力，并且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)破裂以后也可吸收部分沖擊力，提高了聚氯乙烯的韌性，從而達(dá)到增韌改性的目的[9]。

1.2 ?有機(jī)剛性粒子機(jī)理

聚氯乙烯分散相界面與基體黏合時(shí)，分散相粒子被靜壓力拉長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性粒子，材料的韌性因此而增強(qiáng)。剛性粒子拉伸時(shí)，其附近的基體產(chǎn)生反作用，也可吸收部分沖擊力，使聚氯乙烯的抗沖擊強(qiáng)度得到提高。

1.3 ?無(wú)機(jī)剛性粒子機(jī)理

在無(wú)機(jī)剛性粒子與聚氯乙烯基體黏合時(shí)，因?yàn)閮烧叩南嗳菪暂^差，所以界面明顯、應(yīng)力集中，出現(xiàn)大量銀紋。當(dāng)有外力沖擊時(shí)，材料界面容易因脫離而形成微小的空穴，這些空穴可以吸收能量。有沖擊力時(shí)，銀紋也會(huì)吸收能量，導(dǎo)致其鈍化，這些都能使材料的韌性得到提高。

2 ? ?納米粒子增韌改性PVC

納米粒子的粒徑為l～100 nm，具有獨(dú)特的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。將其應(yīng)用于PVC改性，除了使聚氯乙烯的韌性增強(qiáng)外，還表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能[10]。在PVC基體上分散一定量的無(wú)機(jī)納米粒子，當(dāng)外力沖擊時(shí)，PVC基體因納米粒子的應(yīng)力集中效應(yīng)而產(chǎn)生塑性形變，隨之產(chǎn)生無(wú)數(shù)微小的空穴和空洞，在這一過(guò)程中能量被消耗，基體從脆性轉(zhuǎn)變到韌性[11-12]。

2.1 ?納米CaCO3增韌改性PVC

用于PVC材料增韌改性的無(wú)機(jī)納米粒子很多，其中，納米CaCO3由于原料易得、價(jià)格低廉、性能優(yōu)異且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。用納米CaCO3增韌PVC，提高了材料的強(qiáng)度和韌性，還呈現(xiàn)出較好的耐熱性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。但是，納米粒子本身也存在缺陷，其表面能較高、比表面積較大，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中一般需要先對(duì)納米CaCO3進(jìn)行表面改性。將一些彈性體，如氯化聚乙烯（Chlorinated Polyethylene，CPE）等與納米碳酸鈣粒結(jié)合為母粒，再與聚氯乙烯發(fā)生作用，可以取得更好的增韌效果。吳志超等[13]分別用改性前后的納米CaCO3對(duì)PVC進(jìn)行增韌改性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)未改性的納米CaCO3表面能較高，增韌作用不明顯;表面改性后的納米CaCO3粒子使PVC復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度大幅度提高。

2.2 ?納米SiO2增韌改性PVC

納米二氧化硅具有粒度小、防水、透光性好等優(yōu)良性能，對(duì)聚氯乙烯進(jìn)行增韌改性，除了提高材料的強(qiáng)度和韌性外，還能使材料的致密性、防水性、流變性、透明度得到改善。NADEEM等[14]用溶膠-凝膠法且添加了納米SiO2對(duì)PVC進(jìn)行增韌改性，并用未改性的PVC材料作比較，結(jié)果表明，材料用SiO2改性后其韌性和拉伸強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)SiO2的添加量為2.5%時(shí)，材料的耐熱溫度達(dá)到了250 ℃，拉伸強(qiáng)度由5.22 MPa提高到121.54 MPa。研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2經(jīng)過(guò)超聲、振磨等表面處理后再對(duì)聚氯乙烯進(jìn)行增韌改性，可以使其在基體中分散得更加均勻，結(jié)果材料的強(qiáng)度和韌性也大大提高。對(duì)納米SiO2表面進(jìn)行6 h的振磨后再混合增韌，PVC材料的增韌效果最佳。

2.3 ?納米黏土增韌改性PVC

用納米黏土增韌改性PVC，只添加少量納米黏土，材料的韌性、強(qiáng)度和剛度就能明顯提高，熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性也得到改善。MAHMOOD等[15]通過(guò)熔融混合制備了有機(jī)黏土增強(qiáng)PVC/丙烯腈-丁二烯-苯乙?。ˋcrylonitrile-Butadiene-Styrene，ABS）基體，并研究了納米黏土對(duì)PVC/ABS的形態(tài)、力學(xué)性能和流變學(xué)的影響。結(jié)果表明，PVC/ABS共混物的韌性因納米黏土的加入而顯著提高，當(dāng)加入量為5%時(shí)，共混物的力學(xué)性能最佳。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

納米粒子由于其優(yōu)良的性能，在聚氯乙烯的增韌改性中有諸多優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景良好。納米粒子增韌改性聚氯乙烯的技術(shù)目前已取得了突破性進(jìn)展，也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是仍有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

（1）納米原材料存在價(jià)格高、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)，所以，開(kāi)發(fā)新型低價(jià)的納米增韌增強(qiáng)劑，獲得更好的增韌效果并最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一個(gè)極其重要的方向和目標(biāo)。

（2）納米粒子增韌PVC的機(jī)理研究雖然較多，但目前大多仍局限于定性分析，所以，仍需進(jìn)一步深入研究，降低成本、簡(jiǎn)化工藝，并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，從而推動(dòng)PVC產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)、快速發(fā)展。

（3）對(duì)于PVC納米復(fù)合材料，還需找到更好的表面改性技術(shù)，提高納米粒子與PVC的相容性，使這一新材料能夠真正發(fā)揮作用。

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