PVC復(fù)合材料應(yīng)用研究進(jìn)展

徐 偉，陳媛媛，楊建中，歐陽司晨，龐 磊

(宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644600)

聚氯乙烯塑料具有良好的物理性能、耐化學(xué)性能和電絕緣性能，而且隔音、防震，原料來源豐富，是目前產(chǎn)量僅次于聚乙烯的第二大通用塑料[1]。聚氯乙烯塑料分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)塑料可用作絕緣、隔音、保暖、防震、包裝材料和水上救生用品等；軟質(zhì)塑料可作精密儀器的包裝襯墊、火車汽車的坐墊以及日常人民生活用品等。

然而硬質(zhì)聚氯乙烯塑料的沖擊性能差、耐熱性不佳和可加工性不良，因此，如何發(fā)揮其不同方面的優(yōu)勢使其應(yīng)用于不同領(lǐng)域，是PVC塑料工程化的熱門[2]。經(jīng)過改良的PVC復(fù)合材料根據(jù)其不同的特性和應(yīng)用領(lǐng)域主要分為以下幾種：高強(qiáng)高模PVC復(fù)合材料、隔音減震PVC復(fù)合材料、阻燃抑煙PVC復(fù)合材料。本文主要介紹這幾種PVC復(fù)合材料的研究進(jìn)展。

1 高強(qiáng)高模PVC復(fù)合材料應(yīng)用于抗洪搶險(xiǎn)領(lǐng)域

防洪搶險(xiǎn)用的材料應(yīng)具備高強(qiáng)度、高模量、防滲性能好、穩(wěn)定等特點(diǎn)，才能在防洪搶險(xiǎn)中能發(fā)揮操作便捷、施工速度快等作用。

高強(qiáng)度塑鋼板樁[3]采用強(qiáng)化聚氯乙烯復(fù)合材料經(jīng)特殊工藝一次擠壓成型，具有材質(zhì)輕、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、使用壽命長、可重復(fù)使用和可回收利用等特點(diǎn)，是一種環(huán)保、便捷的樁基，并且具有施工占地面積小，便于搬運(yùn)堆放，綠色環(huán)保及無污染等優(yōu)勢，在縮短施工工期、減小施工作業(yè)面，符合國家倡導(dǎo)“以塑帶鋼”、“以塑代木”的新材料應(yīng)用和節(jié)能環(huán)保政策；塑鋼板樁對周邊環(huán)境影響小，利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。水利部將塑鋼板樁列入《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》，已廣泛應(yīng)用于防洪、排澇、防塌方及防泥石流等自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)及工程建設(shè)。

圖1 聚氯乙烯復(fù)合材料制成的塑鋼板樁

魏剛等[4]研究了基體韌性、納米CaCO3直接填充于用CPE包覆后填充PVC對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，選擇合適的樹脂有助于獲得較高的沖擊強(qiáng)度；CPE處理填充體系沖擊強(qiáng)度均比未使用CPE處理填充體系的低，但是拉伸強(qiáng)度則恰好相反，包覆2份CaCO3時(shí)，所制得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度比8份PVC/CPE復(fù)合材料的低12%，而拉伸強(qiáng)度比基體的高約8.9%[4]。

武德珍等[5]將納米CaCO3與CPE等制成母粒，再將母粒與PVC及助劑進(jìn)行共混，制備了高強(qiáng)超韌的PVC合金，結(jié)果表明：納米CaCO3和CPE是以軟殼-硬核的結(jié)構(gòu)分散在PVC基體中，使用較少量的CPE即可達(dá)到顯著的增韌效果，說明納米CaCO3和CPE對PVC起到了協(xié)同增韌的作用，同時(shí)納米CaCO3的加人還具有補(bǔ)強(qiáng)作用。

李雪健[6]采用球磨法對聚氯乙烯(PVC)和氯化聚乙烯(CPE)進(jìn)行固相力化學(xué)處理，制備得到復(fù)合粒子MGC。與PVC/CPE相比，PVC/MGC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度分別提高了1.39%、92.11%和472.91%。

黃宸等[7]采用PVC糊樹脂為基料，固定增塑劑與熱穩(wěn)定劑的添加量，制備了一系列不同CaCO3含量的PVC涂料，研究了CaCO3含量及粒徑大小對PVC涂料流變性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)涂料中CaCO3粒徑為6000目、含量為20%時(shí)，PVC涂料的黏度最高，塑化后樣品的拉伸強(qiáng)度最大，斷裂伸長率最大，綜合性能最優(yōu)。

騰業(yè)方[8]選用硬脂酸(HSt)與鈦酸酯偶聯(lián)劑分別對芳香酸鈣(CaT)表面進(jìn)行處理；結(jié)果表明，CaT表面未處理，當(dāng)其含量為4份時(shí)，PVC的缺口沖擊強(qiáng)度由2.9 kJ/m2提高至3.6 kJ/m2，拉伸強(qiáng)度略有上升；CaT表面經(jīng)3%HSt理后，分散性能變好，具有明顯改善效果。當(dāng)其含量為4份時(shí)，PVC的綜合性能最好，其拉伸強(qiáng)度由53.5 MPa提高至56.0 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度由2.9 kJ/m2上升至3.7 kJ/m2。CaT表面經(jīng)2%鈦酸酯偶聯(lián)劑131處理后，界面結(jié)合性能明顯變好，當(dāng)其含量為6份時(shí)，PVC的綜合性能最好，其拉伸強(qiáng)度由53.5 MPa上升至57.5 MPa左右，缺口沖擊強(qiáng)度由2.9 kJ/m2上升至4.05 kJ/m2；掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)CaT表面處理后，在PVC中分散更加均勻，界面結(jié)合得更好，更大程度發(fā)揮了剛性粒子增韌效果。

葛鐵軍[9]采用乳液聚合法合成具有超韌性能的丙烯酸酯類沖擊改性劑AIM，為進(jìn)一步提高反應(yīng)效率及產(chǎn)品性能，利用就地增韌原理將AIM、馬來酸酐(MAH)、聚氯乙烯(PVC)以及引發(fā)劑同時(shí)加入密煉機(jī)共混，再經(jīng)平板機(jī)壓片，制備AIM、MAH與PVC三元共聚物，得到一種新型超韌PVC。其沖擊強(qiáng)度為304 kJ/m2，比純PVC樹脂提高5倍左右，大大縮短了塑化時(shí)間，提高了加工效率。

朱勇平[10]用合成的三元乙丙橡膠和甲基丙烯酸甲酯及丙烯接枝制得共聚物EPDM-g-MAN，并增韌聚氯乙烯樹脂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三元乙丙橡膠含量為17.5%時(shí)，聚氯乙烯與三元乙丙橡膠復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度可達(dá)到92 kJ/m2，而氯化聚乙烯含量為25%時(shí)，PVC/CPE復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度可達(dá)到85 kJ/m2。

無機(jī)填料改性聚氯乙烯提高材料剛性和韌性，并使得PVC復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，是通用塑料工程化應(yīng)用的方式。因此，研究出一種高效穩(wěn)定的改性聚氯乙烯材料的方法并進(jìn)行推廣不可或缺。無機(jī)填料改性聚氯乙烯制備復(fù)合材料，具有降本、提高性能作用。

2 隔音減震聚氯乙烯復(fù)合材料應(yīng)用于高鐵、石油化工

聚氯乙烯樹脂可通過與其他材料共混制成隔音減震材料，也可以通過發(fā)泡制得發(fā)泡材料，具有良好的隔音減震效果。

目前市場上防止噪聲污染的材料主要分為三類：隔音材料、吸音材料和阻尼降噪材料。目前市場較普遍的是阻尼材料，其功能是防止機(jī)械振動(dòng)，降低機(jī)械零件之間相互摩擦磨損，降低噪音。考慮到粘彈性阻尼層厚度可控及其性價(jià)比，用于普通減振和中等減振區(qū)域更能體現(xiàn)其價(jià)值。粘彈性阻尼材料減振降噪技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用不僅會(huì)大大降低減振降噪成本，且符合我國綠色發(fā)展的理念，是鐵路系統(tǒng)減振降噪最有潛力的技術(shù)[11]。

目前阻尼材料多以高分子復(fù)合材料為主，因其界面效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)等在隔音材料領(lǐng)域具有十分重要的地位。通常為了增加材料面密度，常用方式為添加金屬粉末，使其達(dá)到隔音效果。為了使隔音材料同時(shí)具備阻燃性、抗沖性，還向復(fù)合材料加入添加劑，滿足消防方面的需求。

圖2 隔音減震PVC工作原理

臧克南等[12]以聚氯乙烯(PVC)作為塑料組分，以環(huán)保丁基再生膠作為橡膠組分，采用動(dòng)態(tài)硫化的方法制備了PVC/丁基再生膠熱塑性彈性體阻尼材料。結(jié)果表明，使用氯化聚乙烯、氯化聚氯乙烯改性PVC時(shí)，氯化聚乙烯的綜合改性效果優(yōu)于氯化聚氯乙烯。當(dāng)氯化聚乙烯用量為20份，制得的熱塑性彈性體綜合性能最優(yōu)。當(dāng)磁粉等填料用量為120份時(shí)，熱塑性彈性體的綜合性能最佳；動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析結(jié)果表明，在-55～100 ℃時(shí)，熱塑性彈性體的阻尼因子(tanδ)≥0.3，阻尼溫域范圍達(dá)到155 ℃，阻尼性能良好，尤其是在-9 ℃左右tanδ達(dá)到了0.66，阻尼性能最佳。

秦巖等[13]采用聚氯乙烯樹脂共混改性制備氯化丁基橡膠，制備了在60～120 ℃溫度范圍內(nèi)阻尼性能優(yōu)良的橡膠。結(jié)果表明，在80～120 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著聚氯乙烯含量的增加，橡膠的損耗因子正切值tanδ升高，當(dāng)PVC含量為90份時(shí)，阻尼效果達(dá)到最佳值。

鄭詩建等[14]在丙烯酸酯中加入聚氯乙烯改性，共混物的損耗因子-溫度曲線由一個(gè)峰變成了共混物的二個(gè)峰，增加了聚合物的阻尼溫度范圍，使得聚合物從-10～110 ℃溫度區(qū)間具有良好的阻尼效果。但是，加入過量的聚氯乙烯會(huì)導(dǎo)致共混物的機(jī)械性能下降，從而導(dǎo)致材料密封性降低，因此聚氯乙烯含量在40～80份時(shí)，材料有較好的綜合性能。

楊小兵[15]將聚氯乙烯樹脂加入PIB橡膠中進(jìn)行硫化，結(jié)果表明：阻尼溫度控制在-40～90 ℃的范圍內(nèi)，共混物的阻尼損耗因子都在0.4以上，具有良好機(jī)械性能，對聚氯乙烯進(jìn)行改性拓寬了阻尼材料使用溫度范圍。

綜上可知，恰當(dāng)運(yùn)用聚氯乙烯改性制成阻尼材料能夠提高產(chǎn)品的綜合性能，在制備阻尼材料時(shí)，技術(shù)人員可以將聚氯乙烯作為優(yōu)良的改性劑添加到阻尼材料中，制備得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。

3 阻燃抑煙PVC復(fù)合材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)與船舶

PVC具有耐腐蝕、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建材、電線電纜等領(lǐng)域，然而增塑PVC易燃，同時(shí)硬質(zhì)PVC和軟質(zhì)PVC在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙霧。國家相關(guān)部門在1995年發(fā)布《建筑材料燃燒性能的分級方法》，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定各種等級材料允許的發(fā)煙量，硬質(zhì)聚氯乙烯化學(xué)建材燃燒等級應(yīng)達(dá)到《建筑材料燃燒性能的分級方法》阻燃等級B1。聚氯乙烯在加工過程中添加了大量的增塑劑和其他有害助劑，使其在燃燒過程中產(chǎn)生大量的氯化氫、芳香族揮發(fā)物、一氧化碳等有毒煙霧和氣體，危害到人們的生命健康及環(huán)境。因此，PVC阻燃抑煙是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)待解決的一大難題。

圖3 阻燃抑煙地板簡介

Han等[16]比較了ZnFe2O4、BiFeO3、LaFO3三種材料分別對PVC的阻燃抑煙性能的影響。研究表明：當(dāng)BiFeO3的添加量為20份時(shí)，材料的阻燃效果最佳，極限氧指數(shù)值為31.1%，煙密度等級從91%下降到71.6%，峰值熱釋放速率值降低到44.8%，生煙總量值降低到54.8%。

Jia等[17]將大豆油與三氯氧磷合成得到含氯磷酸酯，并且用于PVC阻燃劑。大部分聚氯乙烯材料是一種易燃材料，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中加入了大量的塑化劑鄰苯二甲酸二辛酯，由于阻燃劑含氯磷酸酯也可以作為塑化劑使用，在PVC中的分散性良好，在加工過程中可以減少塑化劑的使用量，當(dāng)含氯磷酸酯和鄰苯二甲酸二辛酯添加量都為20份時(shí)，聚氯乙烯的極限氧指數(shù)值為30.1%，并且材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。

Zhang等[18]通過水熱法制備硼酸鋅與氧化還原石墨烯的復(fù)合物，并將制備的復(fù)合物與氫氧化鎂一起使用，使得聚氯乙烯體系的極限氧指數(shù)值達(dá)到29.4%，發(fā)煙量降低了34%，殘?zhí)柯氏啾葲]有改性的有大幅度提高。結(jié)果表明：氧化還原石墨烯能顯著增強(qiáng)硼酸鋅/石墨烯復(fù)合物與氫氧化鎂的協(xié)同效應(yīng)，對聚氯乙烯起到良好的阻燃抑煙作用。

近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，高分子材料的需求得到迅猛增長，安全防火標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，加上社會(huì)及人們的環(huán)保意識(shí)日趨增強(qiáng)，阻燃抑煙材料正朝著、低毒性、無鹵、低發(fā)煙量、低成本、高效、多功能化的方向發(fā)展[19-20]。目前，聚氯乙烯阻燃抑煙劑的種類繁多，任何品種的阻燃抑煙劑都有自身缺陷，不能達(dá)到良好的阻燃抑煙作用。所以深入研究聚氯乙烯阻燃抑煙機(jī)理，合成新的化學(xué)物質(zhì)，采取改性、復(fù)配、納米細(xì)化等技術(shù)手段，增加阻燃劑之間的協(xié)同阻燃抑煙作用，并且合成新阻燃抑煙劑，尋找新的阻燃抑煙方法是未來研究的重點(diǎn)，并有很好的前景。

4 結(jié) 語

本文對聚氯乙烯復(fù)合材料在高強(qiáng)度高模量、隔音減震和阻燃抑煙等方面應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，綜上得出以下結(jié)論：

(1)目前，PVC復(fù)合材料用于防洪抗災(zāi)的產(chǎn)品還未廣泛使用，國內(nèi)生產(chǎn)廠家也較少，然而中國防洪抗災(zāi)產(chǎn)品的市場需求量較大，經(jīng)過改性具有高強(qiáng)高模的PVC復(fù)合材料具有廣泛的市場前景。

(2)在隔音降噪方面，目前市面上大多數(shù)的隔音材料是PVC隔音氈、吸音毯/板等，多用于室內(nèi)，對于軌道交通應(yīng)用較少。

(3)在阻燃抑煙方向，聚氯乙烯阻燃劑很多，但單獨(dú)使用不能滿足要求，單一阻燃劑存在各種各樣的缺陷。因此研究合成新的阻燃抑煙劑，尋找新的阻燃抑煙方法將是未來研究的站點(diǎn)。