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PVC/CPVC合金的性能研究
欄目:行業(yè)動態(tài) 發(fā)布時間:2021-06-01 15:53
氯化聚氯乙烯(Chlorinated Polyvinyl Chloride.CPVC)樹脂較早是由德國I G Farben于20世紀30年代中期進行工業(yè)化生產(chǎn)的,早期采用的生產(chǎn)方法是將PVC置于溶液中進行氯化,采用此方法生產(chǎn)的CPVC樹脂比...
氯化聚氯乙烯(Chlorinated Polyvinyl Chloride.CPVC)樹脂較早是由德國I G Farben于20世紀30年代中期進行工業(yè)化生產(chǎn)的,早期采用的生產(chǎn)方法是將PVC置于溶液中進行氯化,采用此方法生產(chǎn)的CPVC樹脂比PVC樹脂更容易溶于溶劑。20世紀60年代,開始采用水相懸浮氯化法。CPVC是PVC的重要改性劑,其分子結(jié)構(gòu)中氯含量明顯高于PVC樹脂,一般為61%~68%。由于其分子結(jié)構(gòu)中含有較多的氯原子,CPVC樹脂的玻璃化溫度(T )和熱變形溫度均較高,因而耐熱性和較高使用溫度明顯高于PVC;同時CPVC樹脂還具有優(yōu)異的力學性能、耐化學腐蝕性、非導電性、阻燃性能和較低的煙霧生成特性等,是性能優(yōu)良的新型材料。

CPVC的耐熱性比PVC平均高20~40℃,利用該特點,與PVC共混后可提高PVC的耐熱性。另外,PVC/CPVC共混物具有較好的相容性。PVC/CPVC共混物的研究應(yīng)用國外報道較多,Goodrich公司開發(fā)的PVC/CPVC合金可以采用注射、擠出、壓延和壓制等方法制造模塑片、托盤、風扇罩、電器零件和外殼、商用機器外殼、管材、通信設(shè)備和汽車零件等[7]。日本積水化學工業(yè)公司在CPVC中加入5~3份PVC以及少量的PMMA或甲基丙烯酸甲酯與苯乙烯的聚合物或SAN 共聚物,得到機械強度、耐熱性、耐候性、耐藥品性、耐燃性和透明性較好的材料.用于制造建材、汽車零部件等。

筆者選擇CPVC、PVC 為主體材料,研究了PVC/CPVC共混比、填料品種及用量等對PVC/CPVC合金體系的力學性能的影響,同時利用掃描電鏡對PVC/CPVC合金的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析。

1. 實 驗
1.1 實驗原料
CPVC:含氯質(zhì)量分數(shù)為66%;PVC:S一1000;二鹽基亞磷酸鉛、三鹽基硫酸鉛、硬脂酸鋇、硬脂酸鈣:工業(yè)品;硬脂酸:工業(yè)品;有機錫穩(wěn)定劑:T一137;活性輕質(zhì)CaCO :細度1 000目;丙烯酸酯類沖擊改性劑:KM355P;丙烯酸酯類加工改性劑:K125P;石蠟:P1;滑石粉;陶土:細度325目;硅藻土;云母:細度800目。
1.2 主要儀器及設(shè)備
雙輥筒煉塑機:SK一160B;25t平板硫化機:QLB一50×350×2;沖片機;電子天平:YP1200;電光分析天平:TG328B;萬能制樣機:HY—w;電子拉伸實驗機:CMT5254;萬能材料實驗機:DLY一6;沖擊實驗機:xJJ一50;烘箱:DGF30/7一Ⅱ;掃描電子顯微鏡:sx 一40,工作電壓20kV。
1.3 試樣制備與測試
1.3.1 試樣制備
按配方要求準確稱量原材料、加工助劑和填料,用高速混合機混合均勻??刂崎_放式煉塑機前輥筒的溫度為180℃ ,后輥筒的溫度為170℃ ,輥筒間隙為1~2 mm,將混合均勻的粉料加入到已預熱的煉塑機中。待PVC/CPVC塑化包輥后,再將輥筒間隙調(diào)整為0.3 mm左右打三角包3次,共混均勻后出0.5~1.0 mm 的薄片待用??刂?5 t平板硫化機的溫度為180℃ ,模具預熱后,將PVC/CPVC共混片料放入其中,然后放到平板硫化機中。在5~6MPa加熱10 rain,再在12~13 MPa加熱10 min后迅速取出,移至另一臺不加熱的平板硫化機中,保壓冷卻至室溫。壓制的試樣放置24 h后,按國家標準制樣并測試。
1.3.2 性能測試
拉伸性能測試按GB/T 1040—92進行,彎曲性能測試按GB/T 9341—88進行,懸臂梁沖擊性能測試按GB/T 9432—88進行,熱變形溫度(HDT)測試按GB/T 1634—89進行。

1.3.3 合金體系的微觀結(jié)構(gòu)表征
選取PVC/CPVC合金的沖擊試樣斷面,用掃描電鏡(SEM)觀察其微觀結(jié)構(gòu),SEM 的加速電壓為20 kV。

2. 結(jié)果與討論
2.1 含鉛鹽穩(wěn)定劑時共混比對PVC/CPVC二元合金性能的影響
實驗中較早先選擇鉛鹽穩(wěn)定劑,探討共混比對PVC/CPVC二元合金性能的影響,結(jié)果見表1。

實驗結(jié)果表明,當 (PVC):m(CPVC)從100:0向70:30變化時,隨著CPVC 含量的增多,PVC/CPVC二元合金體系的拉伸強度、彎曲強度、熱變形溫度(較大彎曲正應(yīng)力分別為1.82 MPa和0.45MPa)等均呈遞增趨勢。其中拉伸強度和彎曲強度的增幅分別為7%和18%,熱變形溫度的增幅小于5% ;而同樣隨著CPVC 含量的增多,體系沖擊強度、斷裂伸長率卻表現(xiàn)出遞減趨勢。 (PVC):(CPVC)=70:30時,體系的沖擊強度只是單用PVC時的66.67% ,斷裂伸長率下降幅度更大,此時只有原來的45%。這是由于體系中的CPVC含量增加,CPVC的剛性和耐熱性導致合金的剛性和耐熱性提高所致。

表1 含鉛鹽穩(wěn)定劑時不同共混比對PVC/CPVC二元合金性能的影響

基本配方(質(zhì)量份數(shù),F(xiàn) l司):PVC/CPVC 1O0,3PbO 3,2PbO3,BaSt:1 5 KM355P 8,KI25P 2,填料9,潤滑劑(1 7。

圖1是 (PVC): (CPVC)=1O0:0、90:10、80:20、70:30時,合金沖擊試樣斷面放大1 500倍的SEM 照片。由圖1可以看出,PVC/CPVC合金的相容性較好,這與文獻報道的相同。相比較而言,(PVC): (CPVC)=90:10、80:20時,體系的分散效果稍差.合金體系中出現(xiàn)了顆粒的大小和分散不均勻的現(xiàn)象。但隨著CPVC用量的增加,合金體系均一性大大改善,尤其是當 (PVC): (CPVC)=70:30時,兩者的分散性更加均勻。



圖1 不同共混比的PVC/CPVC合金沖擊試樣斷面的SEM 照片(1 500倍)


2.2 含有機錫穩(wěn)定劑時共混比對PVC/CPVC二元合金性能的影響使用有機錫穩(wěn)定劑時,PVC/CPVC合金的配方和力學性能實驗結(jié)果見表2。

結(jié)果表明,在有機錫穩(wěn)定劑的作用下,當 (PVC): (CPVC)從1O0:0向70:30變化時,隨著CPVC含量的增多,pvc/CPVC二元合金體系的拉伸強度、沖擊強度、斷裂伸長率均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢;而彎曲強度卻與之相反,出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。兩種趨勢在(PVC):(CPVC)=80:20時出現(xiàn)拐點,此時體系的沖擊強度和斷裂伸長率都下降到單用PVC時的50% ,拉伸強度也只有原來的93%,而彎曲強度卻提高了5%。除此之外,隨著共混比中CPVC含量的增加,體系的熱變形溫度不斷升高,(PVC):(CPVC)=70:30時,在不同彎曲正應(yīng)力(1.82MPa和0.45 MPa)下,熱變形溫度較PVC分別增加1.3 ℃ 和5.6℃。

表2 含有機錫穩(wěn)定劑時不同共混比對PVC/CPVC合金的力學性能的影響

基本配方:PVC/CPVC 1O0,有機錫 T一137 2 .5,KM355P 8 , k125P 2,填料9,潤滑劑1.2。

通過以上兩組實驗數(shù)據(jù)的對比分析,發(fā)現(xiàn)在有機錫穩(wěn)定劑的作用下,合金的屈服強度、拉伸強度、沖擊強度、斷裂伸長率和彎曲強度無明顯變化。有機錫穩(wěn)定劑雖然對熱變形溫度有較大的作用,但不如鉛鹽穩(wěn)定劑對二元合金體系的效果大。采用有機錫穩(wěn)定劑的二元合金體系的斷裂伸長率也要低于采用鉛鹽穩(wěn)定劑的二元合金體系。從總體上看,鉛鹽穩(wěn)定劑的改性效果要優(yōu)于有機錫穩(wěn)定劑。因此,筆者主要研究在鉛鹽穩(wěn)定劑穩(wěn)定作用下PVC/CPVC合金的相關(guān)力學性能。

2.3 不同填料對PVC/CPVC二元合金性能的影響
在(PVC):(CPVC)=70:30的體系中分別加入滑石粉、陶土、絹云母、硅藻土和活性CaCO3各5份,不同填料對PVC/CPVC二元合金性能的影響見表3。

從表3可以看出:PVC/CPVC合金體系的拉伸強度以選用硅藻土和活性CaCO3時較大,分別為47.9MPa和47.7 MPa,沖擊強度則是選用活性CaCO~和陶土時較大,分別為14.4 kJ/m2和12.2 kJ/m2。在采用活性CaCO3時,試樣的斷裂伸長率也達到較大,為46.7%。由于填料的使用量小,填料品種對PVC/CPVC合金體系的彎曲強度和熱變形溫度影響不大。
綜合分析實驗結(jié)果可以看出:在PVC/CPVC合金體系中,填料選用活性CaCO3 時較好。

2.4 不同填料品種的PVC/CPVC合金沖擊試樣斷面的形貌在鉛鹽穩(wěn)定劑的作用下,m(PVC):m(CPVC)=70:30選用B一564為沖擊改性劑,觀察加入滑石粉、陶土、云母、硅土、CaCO,等不同填料的PVC/CPVC合金體系在電子掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)。





圖2列出了放大1 500倍和10 000倍的SEM 照片。

比較圖2中放大1 500倍后a~e的SEM 照片,活性CaCO3和硅土與有機體系相容性較好,分散均勻;而滑石粉、陶土、云母在體系中的分散不均勻,與有機體系的相容性不好,有顆粒脫落和空洞。圖2中放大10 000倍的a ~e 的SEM 照片可以更清楚地觀察到上述情況。由于硅土屬于有機填料,對材料的屈服強度、拉伸強度、彎曲強度和斷裂強度的提高是有幫助的,但不能改善材料的沖擊性能;CaCO3填料卻能很好地發(fā)揮其增韌效果,大大地改善材料的沖擊性能。

2.5 填料用量對PVC/CPVC合金性能的影響
在PVC/CPVC的合金體系中,分別添加5~20份活性CaCO3,考查其用量對PVC/CPVC合金性能的影響,結(jié)果見表4。

隨著CaCO。用量的增加,PVC/CPVC合金的拉伸強度、彎曲強度、斷裂伸長率總體上來講均呈先上升后下降的趨勢。三者在添加5份活性CaCO3后,達到較大值,然后隨著活性CaCO3用量的繼續(xù)增加,開始下降。當活性CaCO3用量達到20份時,三者分別為較大值時的81% 、84%和69%。體系的沖擊強度隨著活性CaCO3用量的增大出現(xiàn)了上下波動,但基本維持在13 kJ/m2左右。熱變形溫度在活性CaCO3用量為5~1 5份時變化不大,但當活性CaCO3用量超過10份時,熱變形溫度上升。

表4 CaCO 用量對PVC/CPVC合金性能的影響

基本配方:PVC/CPVC 1O0,3PbO 3,2PbO 3,BaSt2 1.5,KM355P 8,K1 25P 2,填料9,潤滑劑0 7。

3 結(jié) 論
(1)CPVC在加工過程中易發(fā)生脫HCL反應(yīng),PVC常用的鉛鹽穩(wěn)定劑、有機錫類穩(wěn)定劑均適用于CPVC體系,且鉛鹽穩(wěn)定劑的穩(wěn)定效果要優(yōu)于有機錫類穩(wěn)定劑。
(2)當m(PVC):m(CPVC)從1O0:0向70:30變化時,隨著CPVC用量的增多,PVC/CPVC二元合金體系的屈服強度、拉伸強度、彎曲強度、熱變形溫度(較大彎曲正應(yīng)力分別為1.82 MPa和0.45MPa)等均呈遞增趨勢,而沖擊強度、斷裂伸長率出現(xiàn)遞減趨勢,尤其是隨著CPVC含量的增多,PVC/CPVC二元合金體系的斷裂伸長率降幅較大。
(3)在填料用量為5份時,PVC/CPVC合金體系的拉伸強度以選用硅藻土和活性CaCO3時較大,沖擊強度則是選用活性CaCO3和陶土時較大。由于填料的用量小,填料對PVC/CPVC合金體系的彎曲強度和熱變形溫度影響不大。
(4)隨著CaCO3用量的增加,PVC/CPVC合金的拉伸強度、彎曲強度 斷裂伸長率總體上均呈先上升后下降的趨勢?;钚訡aCO3用量的變化對沖擊強度幾乎無影響。熱變形溫度在活性CaCO3用量為5~15份時變化不大,但當活性CaCO3用量超過10份時,熱變形溫度上升。

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