氯化聚氯乙烯(Chlorinated Polyvinyl Chloride.CPVC)树脂较早是由德国I G Farben于20世纪30年代中期进行工业化生产的,早期采用的生产方法是将PVC置于溶液中进行氯化,采用此方法生产的CPVC树脂比PVC树脂更容易溶于溶剂。20世纪60年代,开始采用水相悬浮氯化法。CPVC是PVC的重要改性剂,其分子结构中氯含量明显高于PVC树脂,一般为61%~68%。由于其分子结构中含有较多的氯原子,CPVC树脂的玻璃化温度(T )和热变形温度均较高,因而耐热性和较高使用温度明显高于PVC;同时CPVC树脂还具有优异的力学性能、耐化学腐蚀性、非导电性、阻燃性能和较低的烟雾生成特性等,是性能优良的新型材料。
CPVC的耐热性比PVC平均高20~40℃,利用该特点,与PVC共混后可提高PVC的耐热性。另外,PVC/CPVC共混物具有较好的相容性。PVC/CPVC共混物的研究应用国外报道较多,Goodrich公司开发的PVC/CPVC合金可以采用注射、挤出、压延和压制等方法制造模塑片、托盘、风扇罩、电器零件和外壳、商用机器外壳、管材、通信设备和汽车零件等[7]。日本积水化学工业公司在CPVC中加入5~3份PVC以及少量的PMMA或甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯的聚合物或SAN 共聚物,得到机械强度、耐热性、耐候性、耐药品性、耐燃性和透明性较好的材料.用于制造建材、汽车零部件等。
笔者选择CPVC、PVC 为主体材料,研究了PVC/CPVC共混比、填料品种及用量等对PVC/CPVC合金体系的力学性能的影响,同时利用扫描电镜对PVC/CPVC合金的微观结构进行了分析。
1. 实 验
1.1 实验原料
CPVC:含氯质量分数为66%;PVC:S一1000;二盐基亚磷酸铅、三盐基硫酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸钙:工业品;硬脂酸:工业品;有机锡稳定剂:T一137;活性轻质CaCO :细度1 000目;丙烯酸酯类冲击改性剂:KM355P;丙烯酸酯类加工改性剂:K125P;石蜡:P1;滑石粉;陶土:细度325目;硅藻土;云母:细度800目。
1.2 主要仪器及设备
双辊筒炼塑机:SK一160B;25t平板硫化机:QLB一50×350×2;冲片机;电子天平:YP1200;电光分析天平:TG328B;万能制样机:HY—w;电子拉伸实验机:CMT5254;万能材料实验机:DLY一6;冲击实验机:xJJ一50;烘箱:DGF30/7一Ⅱ;扫描电子显微镜:sx 一40,工作电压20kV。
1.3 试样制备与测试
1.3.1 试样制备
按配方要求准确称量原材料、加工助剂和填料,用高速混合机混合均匀。控制开放式炼塑机前辊筒的温度为180℃ ,后辊筒的温度为170℃ ,辊筒间隙为1~2 mm,将混合均匀的粉料加入到已预热的炼塑机中。待PVC/CPVC塑化包辊后,再将辊筒间隙调整为0.3 mm左右打三角包3次,共混均匀后出0.5~1.0 mm 的薄片待用。控制25 t平板硫化机的温度为180℃ ,模具预热后,将PVC/CPVC共混片料放入其中,然后放到平板硫化机中。在5~6MPa加热10 rain,再在12~13 MPa加热10 min后迅速取出,移至另一台不加热的平板硫化机中,保压冷却至室温。压制的试样放置24 h后,按国家标准制样并测试。
1.3.2 性能测试
拉伸性能测试按GB/T 1040—92进行,弯曲性能测试按GB/T 9341—88进行,悬臂梁冲击性能测试按GB/T 9432—88进行,热变形温度(HDT)测试按GB/T 1634—89进行。
1.3.3 合金体系的微观结构表征
选取PVC/CPVC合金的冲击试样断面,用扫描电镜(SEM)观察其微观结构,SEM 的加速电压为20 kV。
2. 结果与讨论
2.1 含铅盐稳定剂时共混比对PVC/CPVC二元合金性能的影响
实验中较早先选择铅盐稳定剂,探讨共混比对PVC/CPVC二元合金性能的影响,结果见表1。
实验结果表明,当 (PVC):m(CPVC)从100:0向70:30变化时,随着CPVC 含量的增多,PVC/CPVC二元合金体系的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度(较大弯曲正应力分别为1.82 MPa和0.45MPa)等均呈递增趋势。其中拉伸强度和弯曲强度的增幅分别为7%和18%,热变形温度的增幅小于5% ;而同样随着CPVC 含量的增多,体系冲击强度、断裂伸长率却表现出递减趋势。 (PVC):(CPVC)=70:30时,体系的冲击强度只是单用PVC时的66.67% ,断裂伸长率下降幅度更大,此时只有原来的45%。这是由于体系中的CPVC含量增加,CPVC的刚性和耐热性导致合金的刚性和耐热性提高所致。
表1 含铅盐稳定剂时不同共混比对PVC/CPVC二元合金性能的影响
基本配方(质量份数,F l司):PVC/CPVC 1O0,3PbO 3,2PbO3,BaSt:1 5 KM355P 8,KI25P 2,填料9,润滑剂(1 7。
图1是 (PVC): (CPVC)=1O0:0、90:10、80:20、70:30时,合金冲击试样断面放大1 500倍的SEM 照片。由图1可以看出,PVC/CPVC合金的相容性较好,这与文献报道的相同。相比较而言,(PVC): (CPVC)=90:10、80:20时,体系的分散效果稍差.合金体系中出现了颗粒的大小和分散不均匀的现象。但随着CPVC用量的增加,合金体系均一性大大改善,尤其是当 (PVC): (CPVC)=70:30时,两者的分散性更加均匀。
图1 不同共混比的PVC/CPVC合金冲击试样断面的SEM 照片(1 500倍)
2.2 含有机锡稳定剂时共混比对PVC/CPVC二元合金性能的影响使用有机锡稳定剂时,PVC/CPVC合金的配方和力学性能实验结果见表2。
结果表明,在有机锡稳定剂的作用下,当 (PVC): (CPVC)从1O0:0向70:30变化时,随着CPVC含量的增多,pvc/CPVC二元合金体系的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率均呈现先下降后上升的趋势;而弯曲强度却与之相反,出现先上升后下降的趋势。两种趋势在(PVC):(CPVC)=80:20时出现拐点,此时体系的冲击强度和断裂伸长率都下降到单用PVC时的50% ,拉伸强度也只有原来的93%,而弯曲强度却提高了5%。除此之外,随着共混比中CPVC含量的增加,体系的热变形温度不断升高,(PVC):(CPVC)=70:30时,在不同弯曲正应力(1.82MPa和0.45 MPa)下,热变形温度较PVC分别增加1.3 ℃ 和5.6℃。
表2 含有机锡稳定剂时不同共混比对PVC/CPVC合金的力学性能的影响
基本配方:PVC/CPVC 1O0,有机锡 T一137 2 .5,KM355P 8 , k125P 2,填料9,润滑剂1.2。
通过以上两组实验数据的对比分析,发现在有机锡稳定剂的作用下,合金的屈服强度、拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率和弯曲强度无明显变化。有机锡稳定剂虽然对热变形温度有较大的作用,但不如铅盐稳定剂对二元合金体系的效果大。采用有机锡稳定剂的二元合金体系的断裂伸长率也要低于采用铅盐稳定剂的二元合金体系。从总体上看,铅盐稳定剂的改性效果要优于有机锡稳定剂。因此,笔者主要研究在铅盐稳定剂稳定作用下PVC/CPVC合金的相关力学性能。
2.3 不同填料对PVC/CPVC二元合金性能的影响
在(PVC):(CPVC)=70:30的体系中分别加入滑石粉、陶土、绢云母、硅藻土和活性CaCO3各5份,不同填料对PVC/CPVC二元合金性能的影响见表3。
从表3可以看出:PVC/CPVC合金体系的拉伸强度以选用硅藻土和活性CaCO3时较大,分别为47.9MPa和47.7 MPa,冲击强度则是选用活性CaCO~和陶土时较大,分别为14.4 kJ/m2和12.2 kJ/m2。在采用活性CaCO3时,试样的断裂伸长率也达到较大,为46.7%。由于填料的使用量小,填料品种对PVC/CPVC合金体系的弯曲强度和热变形温度影响不大。
综合分析实验结果可以看出:在PVC/CPVC合金体系中,填料选用活性CaCO3 时较好。
2.4 不同填料品种的PVC/CPVC合金冲击试样断面的形貌在铅盐稳定剂的作用下,m(PVC):m(CPVC)=70:30选用B一564为冲击改性剂,观察加入滑石粉、陶土、云母、硅土、CaCO,等不同填料的PVC/CPVC合金体系在电子扫描电镜下的微观结构。
图2列出了放大1 500倍和10 000倍的SEM 照片。
比较图2中放大1 500倍后a~e的SEM 照片,活性CaCO3和硅土与有机体系相容性较好,分散均匀;而滑石粉、陶土、云母在体系中的分散不均匀,与有机体系的相容性不好,有颗粒脱落和空洞。图2中放大10 000倍的a ~e 的SEM 照片可以更清楚地观察到上述情况。由于硅土属于有机填料,对材料的屈服强度、拉伸强度、弯曲强度和断裂强度的提高是有帮助的,但不能改善材料的冲击性能;CaCO3填料却能很好地发挥其增韧效果,大大地改善材料的冲击性能。
2.5 填料用量对PVC/CPVC合金性能的影响
在PVC/CPVC的合金体系中,分别添加5~20份活性CaCO3,考查其用量对PVC/CPVC合金性能的影响,结果见表4。
随着CaCO。用量的增加,PVC/CPVC合金的拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率总体上来讲均呈先上升后下降的趋势。三者在添加5份活性CaCO3后,达到较大值,然后随着活性CaCO3用量的继续增加,开始下降。当活性CaCO3用量达到20份时,三者分别为较大值时的81% 、84%和69%。体系的冲击强度随着活性CaCO3用量的增大出现了上下波动,但基本维持在13 kJ/m2左右。热变形温度在活性CaCO3用量为5~1 5份时变化不大,但当活性CaCO3用量超过10份时,热变形温度上升。
表4 CaCO 用量对PVC/CPVC合金性能的影响
基本配方:PVC/CPVC 1O0,3PbO 3,2PbO 3,BaSt2 1.5,KM355P 8,K1 25P 2,填料9,润滑剂0 7。
3 结 论
(1)CPVC在加工过程中易发生脱HCL反应,PVC常用的铅盐稳定剂、有机锡类稳定剂均适用于CPVC体系,且铅盐稳定剂的稳定效果要优于有机锡类稳定剂。
(2)当m(PVC):m(CPVC)从1O0:0向70:30变化时,随着CPVC用量的增多,PVC/CPVC二元合金体系的屈服强度、拉伸强度、弯曲强度、热变形温度(较大弯曲正应力分别为1.82 MPa和0.45MPa)等均呈递增趋势,而冲击强度、断裂伸长率出现递减趋势,尤其是随着CPVC含量的增多,PVC/CPVC二元合金体系的断裂伸长率降幅较大。
(3)在填料用量为5份时,PVC/CPVC合金体系的拉伸强度以选用硅藻土和活性CaCO3时较大,冲击强度则是选用活性CaCO3和陶土时较大。由于填料的用量小,填料对PVC/CPVC合金体系的弯曲强度和热变形温度影响不大。
(4)随着CaCO3用量的增加,PVC/CPVC合金的拉伸强度、弯曲强度 断裂伸长率总体上均呈先上升后下降的趋势。活性CaCO3用量的变化对冲击强度几乎无影响。热变形温度在活性CaCO3用量为5~15份时变化不大,但当活性CaCO3用量超过10份时,热变形温度上升。
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