環(huán)境溫度對PVC低發(fā)泡板性能的影響

＊劉潔 張麗麗 鄒鵬飛 楊康 馬雪嬌 田北平

（四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院 四川 643000）

聚氯乙烯（Polyvinyl chloride），英文簡稱PVC，是一種熱塑性聚合物，具有優(yōu)良的性能，如耐燃燒、耐腐蝕、良好的機械性能和低價格，被大量用于薄膜、板材、管道、汽車部件和電纜材料[1-2]。然而，PVC的熱穩(wěn)定性限制了它的廣泛使用。有研究表明：PVC的低熱穩(wěn)定性與PVC本身的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)片段有關(guān)，如相鄰的C-Cl和C-H鍵或聚合物鏈的缺 陷[3]，這導(dǎo)致了PVC的變色，并且發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致大分子鏈的裂解并影響PVC的機械性能[4]。

PVC低發(fā)泡復(fù)合板材是以PVC樹脂為主要材料，輔以其他添加劑，包括穩(wěn)定劑、潤滑劑、增塑劑、填充劑、著色劑、改性劑等多種其他助劑進行共混，然后經(jīng)過塑化而成，PVC低發(fā)泡復(fù)合板材具有質(zhì)量輕、強度高、抗腐蝕能力強、優(yōu)良的耐磨性、價格便宜等優(yōu)點，而備受青睞，市場前景廣闊，應(yīng)用也越來越廣泛[5]。PVC低發(fā)泡復(fù)合板材具有塑料的特性因此實際應(yīng)用中環(huán)境因素對板材的性能是一個值得探討的問題。吳春渝等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)竹塑復(fù)合材料尺寸會受到溫度的影響。

本文討論了PVC低發(fā)泡復(fù)合板材在不同溫度處理條件下，不同處理時間后的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

1.試驗部分

(1)原料

實驗所使用的PVC樹脂為實驗室自制，發(fā)泡劑為偶氮二甲酰胺，發(fā)泡調(diào)節(jié)劑為發(fā)泡調(diào)節(jié)劑HF-100。

(2)儀器測試設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：101-2A型，濟南創(chuàng)日新儀器設(shè)備有限公司；

數(shù)顯游標(biāo)卡尺：量程150mm，德國MAHR馬爾數(shù)顯卡尺；

掃描電子顯微鏡（SEM）：VEGA3SBU型；

微機控制電子萬能試驗機：SANS-CMT4104型。

(3)測試方法

①工作性能

按照GB/T11982.1-2005進行，測試在不同溫度下（-15℃、20℃、40℃）對同一方向的尺寸變化率，樣品尺寸分別為360mm×360mm×10mm、240mm×240mm×10mm，每種處理溫度測試3個樣品，取平均值。

②力學(xué)性能

彎曲性能試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《塑料彎曲性能的測定》（GB/T 9341-2008）中規(guī)定的方法進行制樣測定，樣品尺寸80mm× 10mm×4mm，跨距64mm，加載速率2mm/min；拉伸性能實驗方法按照《塑料拉伸性能的測定》（GB/T 1040.4-2006）中規(guī)定的方法通過啞鈴制樣機對復(fù)合材料進行制樣測定，每次試驗測試5組數(shù)據(jù)，最終結(jié)果取其平均值。

③斷面微觀形貌表征

對試驗進行彎曲強度測試后，選取1個彎曲斷面對其斷面進行微觀形貌表征。

2.結(jié)果與討論

(1)尺寸穩(wěn)定性

將制得的PVC低發(fā)泡板試件，通過電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對試件進行加熱，加熱溫度分別為20℃、40℃，通過實驗冰箱對試件進行冷藏，冷藏溫度為-15℃，每隔24h分別用游標(biāo)卡尺測量試件縱向、橫向，用螺旋測儀測量厚度方向一次，每次測量結(jié)束后做好標(biāo)記保證每次測量點都在同一個位置。

①同一尺寸試件在不同方向的尺寸變化率

圖1～圖2是處理時間為120h，不同處理溫度下PVC低發(fā)泡板的橫向和縱向、厚度尺寸變化率。研究發(fā)現(xiàn)PVC低發(fā)泡板在同一尺寸下，不同溫度條件下尺寸均有變化，在20℃狀態(tài)下，橫向與縱向尺寸變化略有膨脹，但可忽略不計，厚度方向尺寸無變化；在加熱40℃狀態(tài)下，各方向尺寸均有收縮，在第96～120h后趨于穩(wěn)定，其中縱向收縮變化率＞橫向收縮變化率＞厚度收縮變化率，這是由于PVC低發(fā)泡板通過加熱擠出→成型冷卻→出料牽引→切割下線的制備過程，材料內(nèi)部的PVC分子序列從有序變?yōu)闊o序[7-8]，制備過程中板材切割下線是沿縱向切割，因此在縱向產(chǎn)生內(nèi)向應(yīng)力，導(dǎo)致加熱后尺寸變化率較大。而熱處理后消除了部分內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致加熱尺寸變化率減小[9]，即試驗結(jié)果顯示尺寸有收縮現(xiàn)象。

圖1 PVC低發(fā)泡板（360mm×360mm）在不同溫度（-15℃、20℃、40℃）各方向尺寸隨時間變化

圖2 PVC低發(fā)泡板（240mm×240mm）在不同溫度（-15℃、20℃、40℃）下各方向尺寸隨時間變化

在-15℃冷藏狀態(tài)下，各方向均有收縮，這主要是低溫將PVC低發(fā)泡板材的分子“冷凍”，并讓其保持“靜止”狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力對板材有一定的壓縮比，所以導(dǎo)致板材橫向、縱向、厚度略微減小。

通過對比兩種不同尺寸在同一溫度下的尺寸穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，在20℃時，兩個尺寸各方向的尺寸變化基本保持一致，即厚度無變化，橫向尺寸變化率0%～0.03%，縱向尺寸變化率0%～0.02%，由于實驗地點在一樓，地處四川潮濕環(huán)境，因此水分子也會在室內(nèi)環(huán)境中被板材內(nèi)部吸入，即有吸水膨脹的現(xiàn)象；在40℃時，240mm與360mm的樣品在厚度方向呈收縮趨勢，平均變化率-0.2%，240mm與360mm的樣品縱向尺寸變化率分別平均為-0.11%和-0.107%，總體差異不大，240mm與360mm的樣品在橫向尺寸變化情況與縱向保持一致，在-15℃冷藏狀態(tài)下，各尺寸各方向均收縮。在實際應(yīng)用中，特別是在夏季高溫，板材的尺寸效應(yīng)對板材尺寸收縮的影響不大。

(2)力學(xué)性能

在20℃時，試樣的拉伸強度最大，隨著溫度的升高或減小，拉伸強度也在減小，當(dāng)溫度降至-15℃，對于試樣測試結(jié)果而言表現(xiàn)出強度降低，模量增大。對于界面相互作用，溫度的降低，PVC的收縮比使界面摩擦力得到增強[10]，在-15℃時，溫度的下降導(dǎo)致水分子在PVC低發(fā)泡板中由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使界面之間的結(jié)合增強[11]。由于PVC低發(fā)泡板制備過程中加熱擠出后冷卻成型，在擠出過程中PVC有向外分布的趨勢，而低溫時致使外部的PVC收縮，也因此板材良好的密實性讓其有較好的力學(xué)性能。在40℃時，PVC低發(fā)泡板的拉伸強度與拉伸模量較20℃時整體降低，這是因為板材中原來的PVC并未分布均勻，溫度升高導(dǎo)致的熱膨脹更增加了PVC低發(fā)泡板的應(yīng)力集中點[12]。以上分析說明溫度對PVC低發(fā)泡板拉伸性能有較大影響，實際應(yīng)用時需考慮環(huán)境溫度。

與拉伸強度類似，由圖3(a)可知，當(dāng)溫度分別由20℃降至-15℃和升高至40℃時，彎曲強度和彎曲模量整體降低，復(fù)合材料的整體均勻性對材料是彎曲模量有影響的[13]，從圖4(b)可知，室溫狀態(tài)下的掃描電鏡斷裂面更加平整，光滑斷面所占面積多，圖4(a)中電鏡圖片顯示試樣各處均有大大小的“空穴”，同樣圖4(c)的掃描電鏡出現(xiàn)了很多褶皺，這也說明了溫度在-15℃和40℃是試樣彎曲模量降低，是因為兩種溫度狀態(tài)時光滑斷面所在面積減少。

圖3 各溫度下彎曲強度/拉伸強度與彎曲模量/拉伸模量

圖4 試樣彎曲斷面掃描電鏡

另一方面，PVC低發(fā)泡板所添加的發(fā)泡劑為偶氮二甲酰胺，溫度的升高，使得復(fù)合發(fā)泡板材中的氣泡聚集現(xiàn)象加劇，板材內(nèi)部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，如圖5(c)所示，偶氮二甲酰胺導(dǎo)致反應(yīng)釋放出的熱量破壞了板材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使聚合物的熔體黏度急劇下降，聚合物因局部過熱而降解，導(dǎo)致板材的力學(xué)性能下降[14]。

3.結(jié)論

（1）試驗中各溫度對板材尺寸穩(wěn)定性的影響結(jié)果顯示：20℃下三個方向的尺寸保持不變；在加熱40℃狀態(tài)下，各方向尺寸均有收縮，在第96～120h后趨于穩(wěn)定，其中縱向收縮變化率＞橫向收縮變化率＞厚度收縮變化率；在-15℃冷藏狀態(tài)下，各方向也均有收縮。

（2）通過對比兩種不同尺寸在同一溫度下的尺寸穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，特別是在夏季高溫下，板材的尺寸效應(yīng)對板材尺寸收縮的影響不大。

（3）力學(xué)性能中，溫度對PVC低發(fā)泡板拉伸、彎曲性能有較大影響，實際應(yīng)用時需考慮環(huán)境溫度。