加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系加工性能影響的研究

余華林 鄭先偉 陸康元 宋科明 李統(tǒng)一

摘 要：PVC樹脂加工需要加入加工助劑保證其塑化性能，本文詳細(xì)研究了丙烯酸酯類加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能和熔體強(qiáng)度的影響，得出本實(shí)驗(yàn)中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內(nèi)加工效果最好，管道產(chǎn)品綜合性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：PVC;加工助劑;塑化性能;熔體強(qiáng)度

0 引言

聚氯乙烯（PVC-U）塑料管道具有優(yōu)異的阻燃性、耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性、綜合機(jī)械性能、電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、建筑、市政、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。我國聚氯乙烯塑料管道需求始終保持快速增長，特別是在市政、建筑給排水領(lǐng)域，近年來處于高速增長期[1]。然而，PVC樹脂在加工過程中存在易降解、難塑化等缺點(diǎn)[2]，塑料管道配方中需要加入熱穩(wěn)定劑、加工助劑、潤滑劑、抗沖劑等助劑，才能保證PVC樹脂的可加工性以及PVC-U塑料管道的綜合性能。

目前，國內(nèi)最常用的加工助劑是以甲基丙烯酸甲酯為主的丙烯酸酯類共聚物。加工助劑作為PVC-U塑料管道配方中不可或缺的組分，在加工過程中對PVC樹脂的作用主要表現(xiàn)在：

①促進(jìn)凝膠化，在PVC中加入加工助劑，當(dāng)由外部加熱而產(chǎn)生剪切時，被PVC樹脂包圍的加工助劑首先熔融，與PVC有良好相容性的加工助劑粘附于周圍的PVC樹脂上，使樹脂相互粘接，同時將外部的剪切力傳給樹脂，促進(jìn)樹脂膠凝化[3];②促進(jìn)塑化，加工助劑與PVC有良好的相容性，其料?？梢蕴畛洳U(kuò)散到PVC多重粒子的空隙中，在混合或混煉過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)摩擦力，促進(jìn)PVC多重粒子的破碎和熔融，因而可縮短塑化時間[4];③提高熔體強(qiáng)度，加工助劑的分子量較高，通常為PVC分子量的1-100倍，在加工過程中加工助劑分子會與PVC大分子鏈高度纏結(jié)，使得其松弛速度減慢，從而使PVC熔體強(qiáng)度和熱態(tài)伸長率提高，成型溫度區(qū)加寬，熔體不易破裂[5]。

本文在總結(jié)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)山，結(jié)合車間PVC-U塑料管道的生產(chǎn)需求，詳細(xì)研究了加工助劑用量對PVC-U管道材料體系塑化性能以及熔體強(qiáng)度的影響，并對其改善PVC塑化性能和熔體強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行探討，以期能夠?qū)VC-U塑料管道的生產(chǎn)加工進(jìn)行指導(dǎo)和調(diào)控。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料試劑

PVC樹脂（SG-5）、輕質(zhì)碳酸鈣、鈣鋅熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、加工助劑（丙烯酸酯類）、抗沖劑、鈦白粉，以上原料均為市售工業(yè)級。

1.2 轉(zhuǎn)矩流變儀試驗(yàn)

將100份PVC樹脂、6份輕質(zhì)碳酸鈣、3份鈣鋅熱穩(wěn)定劑、0.8份潤滑劑、2份抗沖劑、1.5份鈦白粉、不同份數(shù)（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助劑按一定比例混合均勻后，加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中，記錄不同份數(shù)加工助劑條件下PVC-U管道材料體系的流變曲線。

1.3 小型雙螺桿擠出機(jī)試驗(yàn)

將100份PVC樹脂、6份輕質(zhì)碳酸鈣、3份鈣鋅熱穩(wěn)定劑、0.8份潤滑劑、2份抗沖劑、1.5份鈦白粉、不同份數(shù)（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助劑按一定比例混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)中，記錄擠出機(jī)口模一定距離樣條的熔體質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能影響的研究

將含有不同份數(shù)加工助劑的配方材料加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)，流變曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見圖1和表1所示。隨著加工助劑用量的增加，塑化時間由5.0min縮短到3.0min，塑化扭矩由18.4N.m增加到22.5N.m，平衡扭矩由17.17N.m增加到18.09N.m，但在加工助劑用量達(dá)到2.0份，再繼續(xù)增加用量時，塑化時間、塑化扭矩和平衡扭矩變化較小。

從數(shù)據(jù)可以看出，加工助劑加入量較少時，塑化性能提升的不顯著，當(dāng)加入量繼續(xù)增大時，塑化時間和塑化扭矩才有明顯變化。這是由于當(dāng)體系中加工助劑含量較少時，共混體系并不均勻，加工助劑與PVC樹脂間的摩擦力起主要作用，使得熱量累積速度較慢，樹脂達(dá)到熔融溫度所需時間較長;當(dāng)加入量增大時，熔點(diǎn)較低的加工助劑粒子先達(dá)到熔融狀態(tài)，分子鏈貫穿到PVC樹脂粒子中，使得熱量傳遞加快，PVC粒子迅速熔化，初級粒子凝聚體和微晶區(qū)比之前更早的暴露在體系中，因此塑化峰出現(xiàn)的時間更快。但加工助劑的過量加入會導(dǎo)致材料體系融體粘度增大，甚至造成材料加工困難，故本研究加工助劑的用量控制在1.5～2.5份之間。

2.2 加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系熔體強(qiáng)度影響的研究

高熔體強(qiáng)度是保證大口徑PVC管道壁厚均勻性的重要條件。聚合物的熔體強(qiáng)度是指熔體在一定的條件下受到力（如牽引或拉伸力）的作用而斷裂，此時這個力定義為聚合物的熔體強(qiáng)度。熔體強(qiáng)度反映聚合物熔體的抗延伸性及抗熔垂性，它是決定產(chǎn)品成型加工非常重要的性質(zhì)。熔體強(qiáng)度可以通過測量熔體從擠出機(jī)口模中懸掛到斷裂這段時間內(nèi)的質(zhì)量來表征，也就是說，熔體強(qiáng)度小的聚合物，支撐自身重量的能力較差，一定長度樣條的質(zhì)量變化率和直徑尺寸變化率越快，熔體斷裂時，樣條的質(zhì)量越小;反之，斷裂樣條的質(zhì)量越大。由于實(shí)驗(yàn)室小型擠出機(jī)口模距離地面的高度有限，且PVC的熔體強(qiáng)度較聚烯烴大，在測試過程中沒有出現(xiàn)熔體斷裂的現(xiàn)象，因此，本實(shí)驗(yàn)通過測量一定長度樣條的質(zhì)量變化率來比較不同材料體系的熔體強(qiáng)度大小。

將含有不同份數(shù)加工助劑的配方材料加入到小型擠出機(jī)中進(jìn)行熔體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在扭矩相同的情況下，不同用量的加工助劑對熔體質(zhì)量、熔體擠出時間影響較大，隨著加工助劑用量的增加，熔體質(zhì)量增加，擠出時間延長。在加工助劑用量為0.5～1.5份時，熔體質(zhì)量差異明顯;當(dāng)加工助劑用量為1.5～2.5份時，熔體質(zhì)量變化差異減小;尤其是加工助劑用量為2.0份和2.5份時，曲線基本重合，說明加工助劑用量對PVC熔體強(qiáng)度的影響在一定范圍內(nèi)作用顯著，超過該范圍后熔體強(qiáng)度增加不明顯，還會使熔體擠出時間延長，使得生產(chǎn)速度降低?？紤]PVC材料體系的塑化性能和熔體強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內(nèi)效果最好。

加工助劑提高PVC-U塑料管道材料體系熔體強(qiáng)度的作用機(jī)理，被大家普遍接受的是“纏結(jié)”理論。加工助劑的分子量較高，且與PVC樹脂的相容性良好，在加工過程中其分子鏈可以貫穿于PVC樹脂粒子中，與PVC分子鏈發(fā)生“纏結(jié)”，達(dá)到提高PVC材料體系熔體強(qiáng)度的目的，該研究對于大口徑PVC-U塑料管道的生產(chǎn)具有重要的意義。

3 結(jié)論

本論文詳細(xì)研究了加工助劑對PVC-U塑料管道材料體系塑化性能和熔體強(qiáng)度的影響，結(jié)論如下：加工助劑加入量較少時，塑化性能提升不顯著，當(dāng)加入量繼續(xù)增大時，塑化時間和塑化扭矩才有明顯變化，加工助劑的過量加入會導(dǎo)致材料體系融體粘度增大，甚至造成材料加工困難;不同用量的加工助劑對熔體質(zhì)量、熔體擠出時間影響較大，隨著加工助劑用量的增加，熔體質(zhì)量增加，擠出時間延長?？紤]PVC-U塑料管道材料體系的塑化性能和熔體強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)中加工助劑的用量控制在1.5～2.5份范圍內(nèi)效果最好。

參考文獻(xiàn)：

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[5]王學(xué)智.國內(nèi)加工助劑（ACR樹脂）行業(yè)的現(xiàn)狀與對如何發(fā)展的建議[J].塑料助劑，2003（02）：1-3.

項(xiàng)目編號：2018B030323002，廣東省省級科技計劃（科技基礎(chǔ)條件建設(shè)領(lǐng)域）項(xiàng)目。