PI添加量对PVCPI共混物的影响摘要

1、2014届优秀毕业论文摘要PI添加量对PVC/PI共混物的影响系部名称：材料工程系 专业班级：高分子材料与工程 102074430学生姓名； 付光 指导教师: 翟凌研高工摘 要：通过两步法制备一定分子量的PI粉末，以PI粉末作改性剂与PVC共混并制成PVC/PI复合板材。借助热重分析仪、拉伸试验机、水平垂直燃烧仪等手段研究了PI添加量对复合材料热稳定性、力学性能、燃烧性能的影响。实验结果表明， PVC分子中的氢和PI分子中的羰基、酰亚胺基形成氢键，并且PI的加入诱导PVC结晶。当添加量在03.5份时，随着PI粉末添加量的增加，复合材料的热稳定性、拉伸强度、弹性模量、阻燃性都增大，而复合材料的断

2、裂伸长率有下降的趋势。当添加量为3.5份时，PVC/PI复合材料相对于纯PVC的初始分解温度提高了40，拉伸强度提升6.77%，弹性模量提升17.6%。材料的冲击强度在添加量为1.5份时达到最大值，提升38.7%。关键词：聚氯乙烯：聚酰亚胺：添加量：复合材料Effect of PI content on PVC/PI compositesAbstract: PI powder in certain molecular weight was prepared by two-steps method, it was blended with PVC to made sheets. The effe

3、ct of amount of PI on thermal performance, mechanical performance, combustion performance was studied by means of TGA, test machine and horizontal and vertical burning tester ect. The amount of PI in scale of 03.5 phr, the results showed that hydrogen interaction existed in the blends, and the aggre

4、gated structure of PVC are changed with PI inducing crystallization. Then, the thermal property, tensile strength, ultimate elongation at break, flame resistance increased with the amount of PI powder, while its tensile elastic modulus decreased with amount of PI powder. When the amount of PI is 3.5

5、phr, the initial decomposition temperature of PVC/PI composites increased 40 compared with pure PVC, the tensile strength is increased by 6.77%, and the tensile elastic modulus is increased by 17.6%. When the amount of PI is 1.5phr, the impact strength of the composites is up to the peak which is in

6、creased by 38.7% compared with pure PVC. Keywords: Polyvinyl chloride, polyimide, weight amount, composite materials1引言聚氯乙烯（PVC）是五大通用塑料之一，年产量位居第二，被广泛应用于工业、农业、建筑业等各个行业领域当中。但是由于自身的分子结构使得其具有一些固有的缺陷，如：热稳定性差、韧性小、燃烧时放出有毒气体等。因此采用综合性能优异的聚酰亚胺（PI）对其进行共混改性，以达到功能互补作用，从而拓宽PVC的应用范围，替代部分价格昂贵的通用工程塑料，以提高产品的技术附加价值。2

7、实验部分2.1 主要原料实验用原料及试剂见表1。PI添加量对PVC/PI共混物的影响表1实验用原料及试剂名称简写牌号出产地聚氯乙烯树脂PVC7058上海金辉贸易化工有限公司邻苯二甲酸二辛脂DOP青州市建邦化工有限公司N-甲基吡咯烷酮NMPNMP-101上海金锦乐实业有限公司对苯醚二胺ODA山东万达化工有限公司均苯四甲酸二酐PMDA余姚双象纳米塑业有限责任公司三盐基硫酸铅三盐HG 2340-2005市售二盐基硫酸铅二盐市售硬脂酸锌ZnSt广州市宬铧贸易有限公司硬脂酸钡BaStC18广州市宬铧贸易有限公司液体石蜡市售2.2主要仪器设备实验所需的试验仪器和设备见表2。表2 试验仪器和设备设备/仪器型

8、号出产地双辊开炼机机WQ-1005-D东莞市伟庆机械设备有限公万能制样机PQ-50化工部晨光塑料机械研究所平板硫化机QLB-D上海第一橡胶机械厂悬臂梁冲击实验机2HT-M河北省承德实验机厂拉伸试验机LT-500广州实验仪器厂热重分析仪HCT-1北京恒久科学仪器厂水平垂直燃烧仪SC-2南京江宁县分析仪器厂高速混合机GH-10DY北京市塑料机械厂X-射线衍射仪TD-3000丹东通达仪器有限公司红外光谱仪TENSOR-27北京恒久科学仪器厂2.3 PVC/PI复合板材的制备2.3.1 PI粉末的制备采用二步法，先制备c=1.050 (PMDA:ODA=1.050)的PAA溶液，测定分子量后将量取配置

9、同等比例的溶液（VPAA:VNMP=1:1），充分混合，倒入三角烧瓶中，将三角烧瓶固定于铁架台上，放入搅拌桨，打开加热套，将加热套温度调到180200，搅拌器调至适当的转速。反应三小时后，放入在50的烘箱中烘干备用。2.3.2 板材的制备将PVC置于高速混合机中，加入助剂和PI粉末，混合十分钟。混合后经双辊开炼机（前辊160，后辊155）塑炼后，用平板硫化仪（模温180，模压2.0MPa）压制成型。2.4性能测试与表征2.4.1力学性能测试依据GB1043-79 塑料简支梁冲击试验方法对试样进行冲击试验。依据GB1040-79 塑料拉伸试验方法对试样进行冲击试验。2.4.3 燃烧性能测试依据G

10、B4609-84塑料燃烧性能试验方法垂直燃烧法对试样进行冲击试验；依据GB2406-80 塑料燃烧性能试验方法氧指数法对试样进行冲击试验。2.4.4 傅里叶红外光谱表征用傅立叶红外光谱仪测定PVC/PI复合板材，在PI改变后混合物聚集态结构的变化。将压制好的板材表面擦拭干净，扫描范围4000400cm-1。2.4.5 X-射线衍射用TD-3000型X-射线衍射仪测试，采用Cu靶射线源，管电压30KV，管电流20mA，1.54056，扫描速率0.08/s，扫描范围555，采样时间0.5s，室温。测试样品处理：用橡皮泥把样品固定在样品架上，样品表面与样品架表面平齐。3 结果与讨论3.1聚集态结构分

11、析图1 PVC/PI压板后红外谱图从图1可以看出添加PI后，PVC在波数为1380cm-1有吸收峰。这说明了添加PI后复合材料中含有C-N键。PVC/PI复合材料在波数为1725cm-1左右处峰要比纯PVC的吸收强度明显要强，而且出峰位置也是向低波数方向移动。出现这种变化主要是原因添加PI后材料中羰基的含量增大，而且PVC上的氢原子和子PI上的氧原子形成氢键。羰基含量增多导致了1725cm-1左右的吸收峰变强；而氢键的形成使得PVC大分子的电子云密度降低，大分子的键力常数变小，吸收峰向低波数方向移动。并且随着PI添加量的增加，氢键数量增多。图2 PVC/PI 复合材料的X-射线衍射图由上图可以

12、看出0号样品中在2=30处没有尖锐峰，添加PI粉末的1号、3号、5号、7号样品在2=30都出现了一个明显的尖锐衍射峰，由此表明在PI的作用下，PVC形成了一定的晶体结构。PVC是一种基本不结晶的聚合物，而PI粉末是能够形成一定的微晶结构，在PI微晶的作用下，诱导PVC结晶。 3.2力学性能分析由图3可以看出添加PI粉末的复合材料冲击强度都有一定的增加；但增加的幅度随着添加量的增大而变化不大。冲击强度是材料冲击韧性大小的主要指标，冲击强度越大说明材料的冲击韧性越好。硬质PVC本身是一种脆性材料，其冲击强度比较小。添加PI粉末后PVC材料冲击强度增大，主要是PI粉末对PVC材料的增韧作用。该体系是

13、一种刚性粒子补强脆性基体的体系。粉末状的PI是一种微小的刚性粒子，均匀的分布在PVC中是可以起到一种增韧的效果。这是因为当复合材料受到外力时，PVC材料首先受力变形，刚性的PI在 PVC中均匀分布，诱导PVC生成银纹使得材料在断裂之前就消耗大量的能量，增大了PVC的冲击强度。但随着PI添加量的增加，冲击强度反而下降，这是由于PVC和PI之间的氢键增多，从而体现出PI的刚性从而使冲击强度变小。PI对PVC冲击强度的影响是这两种作用的协同效果，在PI添加量少时，形成的氢键数目少，增韧效果起主导地位；添加量达到1.5时，PVC和PI间的氢键数目增多PI以刚性粒子的形式存在，增强占起主导地位，冲击强度

14、下降。图3 PVC/PI复合材料的冲击性能表3 PVC/PI复合材料的拉伸性能样品01234567拉伸强度/MPa53.254.0855.0855.31755.5255.9356.42356.8弹性模量/MPa541.23557.955560.1563.73570.01581.45592.25636.3断裂伸长率/%39.8438.6736.935.3133.9532.7328.426.74复合材料拉伸强度有一定提高，而且随着添加量的增大，材料的拉伸强度有增大的趋势。PVC大分子在塑化过程中在高温和较大的剪切力的作用下会脱除氯化氢，使得材料的极性减小，使得材料的拉伸强度减小。添加了PI后，PI

15、和PVC大分子形成了氢键，增加了PVC的稳定性，PVC上脱除的氯化氢的数量减少，极性增大，使得PVC的拉伸强度增大。随着PVC的添加量的增大，PVC大分子的极性越大，因此拉伸强度随着PI的添加量增加而变大。除此之外，添加PI粉末后，PVC大分子以PI粉末颗粒为晶核，异相生成有一定大量的有序结构，本来无规结构的PVC生长成含有一定有序结构的材料，使得材料的拉伸强度增大。而且随着添加量的变大，材料有序结构部分含量也增大，因此材料的拉伸强度随着PI添加量变大而增大。当PI的添加量增大，分子间形成的氢键增多，所以，PVC/PI复合板材的弹性模量随PI的添加量增大而呈上升趋势。随着添加量的增大，形成的氢

16、键增多，键角、键长变化以及分子链运动都变得更困难，因此添加量越多，材料的断裂伸长率越小。3.3热性能分析图4 PVC/PI复合材料热重图由图4可以看出PVC/PI图中共有两段失重。第一步失重是脱氯化氢，发生在250-350，脱氯化氢后分子内形成共轭双键，热稳定性提高（TG曲线下降缓慢）。添加PI后PVC的初始始终温度有一定的提高，这主要是因为PVC上的氢原子和PI上的碳原子之间形成了氢键，使得氯化氢难以脱除，而且在第一阶段失重完全后添加PI的PVC残余率也要比纯PVC要大。这说明添加PI后，PVC大分子脱除氯化氢要比纯PVC要难。这主要是因为PVC上的氢原子和PI上的氧原子形成氢键，使得烯丙基

17、上的氢的稳定性增加，氯化氢脱除变得困难，而且氢键的形成可以降低大分子中烯丙基的活性，降低其对脱除氯化氢的催化作用。第二失重阶段，发生在450后，此时PVC大分子发生链断裂、氧化反应、挥发小分子等化学变化，使得样品残余率进一步减小，形成第二次失重。在540之前添加PI和没添加PI的PVC是失重速率比较接近，但当温度过了540后添加PI的PVC的热失重速率突然变小。这主要是因为在第二失重阶段主要是PVC大分子断裂，氧化等化学反应，添加PI的PVC在540左右处PI也开始分解。PI上的亚酰胺环首先打开后羰基上氧原子的空间位阻减小，可以和PVC形成更多的氢键，增大PVC的稳定性；而且当酰亚胺环打开后可

18、能会出现活性点，当活性点和PVC大分子发生有效碰撞时会发生化学反应，PI直接和PVC大分子结合，从而增大PVC的热稳定性。表4 PVC/PI复合材料的维卡软化温度试样01234567维卡软化温度/79.480.280.781.781.882.082.783.2PVC材料中添加PI粉末后复合材料的热稳定性有明显的提高，而且材料的热稳定行随着添加量的增加而越来越好。从红外谱图可以知道这主要是因为PI大分子与PVC大分子之间形成了氢键，减弱了大分子的蠕变，使得体系的维卡软化温度提高。而且，PI粉末的加入，诱导PVC结晶，这也是维卡软化温度上升的一个原因。3.4燃烧性能分析实验表明纯PVC材料的无焰燃

19、烧时间为13s，添加了PI粉末后，复合材料的无焰燃烧时间均少于0.5秒，都达到了FV-0级别（见表2.9）。这说明了PI粉末可以提高PVC的阻燃性能。PVC本身就是一种难燃材料，添加了PI后PVC的阻燃是能更好。氧指数实验记录数据见表3.7。表5 PVC/PI复合材料的氧指数试样01234567氧指数/%46.847.648.148.349.550.251.152.3复合材料燃烧能结论：PVC材料中添加PI粉末后复合材料的阻燃性有明显的提高，而且材料的热稳定行随着添加量的增加而越来越好。PVC本身就是阻燃材料，在燃烧过程中产生的卤化物捕获高能的H自由基和OH自由基生成活性较低的Cl自由基使燃烧

20、终止或减缓。同时还能分解产生惰性物质，稀释可燃物的浓度及降温，还具有覆盖作用（毯子效应）使得燃烧效果减弱；PI是一种自熄性聚合物，在燃烧的高温下PI能分解出N2、CO2、NH3等气态产物，他们不仅能冲稀燃烧区可燃气及氧气浓度，而且还具有覆盖作用。PI在高温下分解可形成多种交联的缩聚物，故其本身的成炭率甚高一般而言，阻燃塑料的成炭率与阻燃性间存在一定的定量关系，成炭率越高，阻燃性越好。因此，PI的加入，使PVC得阻燃性变好。4 结论通过本次对PVC/PI复合材料的课题的研究，对复合材料进行了全面的性能测试，其中包括对复合材料力学性能测试、热性能测试、阻燃性能测试、微观结构进行观察，也已大量的实验

21、记录结果为依据，添加量在03.5份间，此研究得到以下结论：（1）添加PI粉末后，PVC大分子上的氢原子和PI大分子上的氧原子形成了氢键，同时PI酰亚胺环上的氮原子和PVC上的氢原子也形成氢键。（2）添加PI粉末后PVC初始分解温度升高，最大能升高大约40，第一阶段降解完毕后平台残留量也增大；而且起始分解温度和第一阶段降解完的残留量随PI添加量的增大而变大。（3）随着PI 粉末含量的增加，PVC/PI复合材料的冲击强度在添加量为1.5时达到最高，提高了38.6%，但拉伸强度、弹性模量都随着PI添加量增加而上升；断裂伸长率呈下降趋势。（4）随着PI 粉末含量的增加，PVC/PI复合材料的阻燃性能升

22、高。参考文献1 高俊刚, 杨丽庭, 李燕芳. 改性聚氯乙烯新材料M. 北京: 化学工业出版社, 2002.2 杨明山. 塑料改性工艺、配方与应用M. 北京: 化学工业出版社, 2013.3 周浩然, 孔德忠, 刘达. 聚酰亚胺改性环氧树脂耐热性的研究J. 湖南大学学报, 2009, 41(4): 56-58. 4 景晓辉. 聚酰胺酸合成工艺与聚酰亚胺膜制备及表征J. 应用化工, 2004, 33(6): 33-35.5 赵丽萍, 寇开昌, 吴广磊, 卓龙海. 聚酰亚胺合成及改性的研究进展J. 工程塑料应用, 2012, 40(12): 108-111.6 汪家铭. 聚酰亚胺制取方法与应用领域J

23、. 乙醛醋酸化工, 2013, (8): 27-29.7 Zheng-ping Fang,Guo-wei Ma,Yu-zheng Xu and Li-fang Tong. Synergistic modification of EPDMand crosslinking agent in immiscible blends of Polyvinyl Chloride with low density PolyethyleneJ.Chinese Journal of Polymer ScienceVol. 24, No. 2, (2006): 147154.8 丁孟贤. 聚酰亚胺-单体合成、聚合方法及材料制备M. 北京: 科学出版社, 2011.9 李焱, 于俊戎, 刘兆峰. 聚酰胺酸的合成及其酰亚胺化研究J. 合成纤维SFC, 2006, 4: 6-9.10 Ning Wenguo, Li Heng, Zhu Chunsheng, Luo Le, Chen Dong, Duan zhenzhen. The effects of cure temperatur