超细空心微珠在硬质pvc线材中的应用

超细空心微珠在硬质pvc线材中的应用

聚氯乙烯（pvc）是一种性能良好的通用性亲水塑料薄膜。这是中国最大的塑料品种之一。PVC的原材料丰富、阻燃性能好、耐腐蚀性能高,用途非常广泛,可以用在管材、片材、异型材、电线电缆料、建筑材料、塑料门窗等。但是在生产应用中,PVC的加工流动性差、产品冲击韧性不高、易脆裂等缺点限制了其应用的进一步拓展。许多研究者采用弹性体或刚性粒子来改善PVC的冲击韧性,但是往往力学强度会随之呈现不同程度的降低,加工流动性也会更加恶化。近两年,有研究者将纳米刚性无机粒子如纳米碳酸钙材料,加入PVC树脂中,取得了较好的结果,在达到增韧的目的同时使复合材料的力学强度也有所提高。但是其加入纳米碳酸钙材料的加入量约为3%~10%时,力学性能达到最好的状态,大于这个加入量时,力学性能下降很快。本文作者在研究中采用了一种新的超细空心微珠(cenosphere)材料作为PVC树脂的填料,并重点研究了复合材料的加工流动性能以及力学性能。空心微珠外观呈球形、中空、质轻,主要成分为SiO2和Al2O3,属于无机刚性填料。因为它具有光滑的球形表面,所以填充能力高,材料的加工性能好;球形颗粒的应力集中小,细小的空心微珠微粒填充到材料中,可以引发大量细小银纹而不引起破坏性裂纹,同时球形表面更有利于空心微珠粒子将所受到的外力均匀地传递给周围基体,从而改善材料的力学性能;由于空心微珠的流动性极佳,在加工中可以降低对设备的磨损,改善制作工艺。本实验中以硬质PVC管材和硬质PVC板材为例,研究了空心微珠/PVC复合材料的流变性能、力学性能以及耐腐蚀性能。试验结果表明,加入改性空心微珠可以显著改善硬质PVC管的流变性能,有助于解决PVC难于加工的难题;超细空心微珠用在PVC硬板中各项性能指标均符合国家GB/T4454—96标准,并且改善了板材的冲击强度、硬度和耐腐蚀性等,同时制作工艺性得到了明显的提高。1pvc硬管料的选用PVC树脂的热稳定性较差,加工温度和分解温度非常接近,所以其加工温度范围一般较窄,加工流动性能较差。本试验中所用的PVC硬管料是注射级8型料,专门用来挤出管材的芯材部分,因为这种树脂的熔体粘度很大,所以加工时比较困难。试验中对比了加入空心微珠后与原管材配方的流变性能发现,加入超细空心微珠可以改善加工流动性,同时不降低其冲击性能,这是一项有意义的工作。1.1试验计划本试验中设计了110、111、112三个配方并进行了流变性能的测量,具体配方及编号见下表1:1.2主要试验设备的高速混合机、gh-10dq、北京塑料处理厂；双辊炼塑机,SK-160A,上海第一橡塑机械厂;塑化仪,V-151,西德Brabender公司。1.3混合剂的制备①原材料预处理:空心微珠用钛酸酯偶联剂进行气溶胶表面改性;②依据配方将PVC管材配方粉料与空心微珠在高速混合机内预混合5min;③将预混料在双辊炼塑机上制成薄片状材料,压片温度为170℃左右,然后用切粒机将薄片材料切碎成小颗粒状,待用。④进行流变性能测量,试验温度为165℃。1.4空心微珠对pvc原材质塑造化效果试验中测量了填充体系的熔体平衡扭矩(粘度)、塑化时间曲线。试验条件为:温度165℃,速度5r/min,量程范围为1000~6000g/m,精度为每个小格为100g/m。最后测得的Brabender流变曲线如图1,由流变曲线可以读出性能数据如表2。由图1可以看出,110配方即PVC原管材配方的塑化行为很差,在开始处出现最大扭矩为4650g/m,其后在22min时塑化仍未达到平衡状态。111配方即PVC原管材配方中加入未经过改性的空心微珠,在t=0.5min时出现最大扭矩为4900g/m,其后在20min时塑化也还未达到平衡状态。112配方即PVC原管材配方中加入经过改性的空心微珠,在t=4.5min时出现最大扭矩为4200g/m,在t=13min时,塑化达到稳定,平衡扭矩为3850g/m。综上所述,我们可以看出在PVC硬管材料中加入经过改性的空心微珠后可以改善材料的流变性能,使熔体粘度降低、加工流动性显著改善,而最主要的是空心微珠的加入使PVC复合体系的塑化性能好了,能够很快达到平衡状态。这是因为PVC树脂体系中分子链相互缠结,形成连续的大分子网络,使得形成平衡所需要的时间很长,材料的粘度和扭矩较大,而加入改性空心微珠后,空心微珠在树脂中均匀分散,球形的光滑表面使得空心微珠与基体之间以及基体内部的摩擦力减小,扭矩减小,从而使流变性能得到改善。而当加入未改性的空心微珠时,PVC硬管复合材料仍然不易达到平衡状态,且最大扭矩有所增加,也即流变性能不仅没有得到改善,反而更加不好。这是因为没有进行表面改性的空心微珠与树脂的相容性较差的缘故。这说明在空心微珠/PVC填充体系中改性剂的作用也是非常重要,不可忽视的,适当的改性剂可以使PVC的加工流动性能得到很大改善。2木材的性能要求PVC硬板材料早已被广泛应用在制造各种防腐容器、管道及设施等方面,随着国民经济发展对板材的质量和性能提出越来越高的要求。本试验在PVC硬板材料中成功地应用了超细空心微珠,制造出的PVC硬板能够达到PVC板材国家标准GB/T4454—96,冲击强度和耐腐蚀性能显著提高,制造工艺性明显改善,成本降低。2.1试验计划具体试验配方及编号见表3。2.2橡塑强力试验装置密炼机,SHM-50,大连橡塑机械厂;开放式塑炼机,SK-550,大连橡塑机械厂;三辊压延机,蒸汽加热型,大连橡塑机械厂;层压机,S-203,上海人造板机械厂;橡塑强力试验机,LJ3000A,青山试验机厂;冲击试验机:XJ-40,承德试验机厂。2.3强制塑炼和pvc硬板的制备①原材料预处理:空心微珠与碳酸钙粒子用钛酸酯偶联剂进行气溶胶表面改性。②依据配方按照适当的份数比例准确将各种物料加入高速混合机内预混合5min。③将预混料放在密炼机混炼室中,在浮压锤的作用下经两转子相向转动进行强制塑炼,塑炼温度为165℃,使物料在短时间内塑化成均匀块状。④将密炼机中的块状物料加入到开放式塑炼机中,由于相对运动着的两辊筒转速不同,使物料在其剪切力作用下塑炼得更加均匀。⑤由塑炼机供给均匀物料通过三辊压延机压成所需2050mm×1050mm半成品片。⑥料片经叠合放入层压机中经工艺要求温度压力下得到PVC硬板。⑦在试验机上对塑料试样进行拉伸及冲击试验测试。2.4试验结果的分析表4是试验中所测得的PVC硬板(厚度10mm)的力学性能以及耐腐蚀性能试验数据,试验标准参照PVC板材国家标准GB/T4454—96。从上面的试验结果中可以看出,超细空心微珠应用在PVC硬板中各项性能均符合国家GB/T4454—96标准,并且改善和提高了冲击强度和硬度,减少制品的收缩率,改善制品的外观性能,赋予PVC硬板较好的耐腐蚀性。在生产过程中,设备负荷减小,流动性好,制造工艺性得到了改善,制造成本下降。3改性重构pvc板料(1)经过改性的超细空心微珠可以作为填料加入到硬质PVC管材中,同时明显改善