简述无机填料改善CPVC/PVC合金耐热性能的研究

来源：塑胶五金网发布时间：2008-01-02 15:45:22点击率：

    氯化聚氯乙烯(CPVC)是以PVC树脂为原料经氯化制得的一种介于橡胶和塑料之间的新型高分子弹性体材料。其生产方法主要有3种，即溶液法、气固相法.和水相悬浮法。CPVC的含氯量一般为65%-72%，但大多数情况下含氯量为66%-68%。CPVC能耐大多数的酸、碱、盐，有很好的耐化学腐蚀性，耐热方面明显优于其他塑料，作为PVC树脂氯化改性产品，它在使用温度(比PVC树脂高35-40℃)、强度、耐热、阻燃等方面比PVC有明显提高，近年来，CPVC的需求量迅速增加。
    鉴于CPVC独特的性能，其在电力电缆管的应用上有广泛的发展前景。一般PVC管的耐热温度在80℃左右，而CPVC管的耐热温度可达100℃以上，由CPVC制成的电力电缆管主要用于电力电缆的铺设并起导向保护电缆作用。有关文献指出，改性氯化聚氯乙烯制成的双壁波纹电力护套管，具有耐腐蚀、耐高温、绝缘性好、无污染、韧性好、质量轻、成本低、施工方便等优点，各个工业领域应用广泛。
    CPVC是PVC进一步氯化的产物，随着氯原子的增加，分子之间的作用力加大，而导致CPVC加工流动性差，给实际的生产带来了困难，再加之CPVC脆性大，高温易脆，低温也易脆，因此，近年来国内对CPVC的改性主要是添加MBS、CPE、ACR等来提高体系的冲击强度、降低熔体黏度、改善其加工流动性。但无论是添加MBS、CPE还是ACR都是以降低体系的热变形温度为代价的。因此就这方面存在的问题，笔者主要从提高耐热性着手，研究了填料对于CPVC/PVC合金体系的耐热性能的影响。
    1实验部分
    1.1主要原料
    CPVC树脂，氯含量66%，江苏东台九转化工有限公司；
    PVC树脂，S-1000型，中国石化齐鲁有限公司；
    三盐基硫酸铅，工业级一级品，江苏东台化工厂；
    二盐基亚磷酸铅，工业级一级品，江苏东台化工厂；
    硬脂酸铅，工业级一级品，江苏东台化工厂；
    硬脂酸钡，工业级一级品，江苏东台化工厂；
    石蜡，北京燕山石化；
    ACR冲击改性剂，201，工业级一级品，苏州安利化工厂；
    复合填料(绢云母+高岭土)，38μm，江苏徐州鼎新矿粉厂；
    玻璃纤维，工业级一级品，廊坊市玻璃总厂；
    硅灰石，38μm，吉林梨树县大顶子山硅灰石矿粉厂；
    石墨，工业级一级品，北方鑫源电碳制品有限公司；
    EBS，工业级一级品，福建师范大学化工厂；
    铝酸酯，工业级一级品，福建师范大学化工厂。
    1.2主要设备
    高速混合机，SGSH-2/6，青岛远东塑料工程有限公司；
    转矩流变仪，PLV-151，德国BRABENDER公司；
    双辊开炼机，SK-160B，上海橡胶机械厂；
    平板硫化机，XQLB；上海橡胶机械厂；
     制样机，河北省承德试验机厂；
    电子天平，T500，美国双杰集团有限公司；
    维卡测试仪，XRW-300M，中实检测设备有限公司；
    组合式数显冲击试验机，XJZ-50，承德试验机有限责任公司；
    摆锤式冲击试验机数显装置，承德试验机有限责任公司；
    拉力试验机，LJ-1000，广州材料试验机厂。
    1.3 实验过程
    确定 CPVC/PVC配比：将不同配比的CPVC、PVC混合、高速搅拌、称量，在转矩流变仪180℃、20r/min条件下，测试共混物的动态热稳曲线；
    研究不同填料对CPVC/PVE合金的热性能及力学性能的影响：将不同含量的填料和CPVC/PVC合金混合、高速搅拌，然后把混合均匀的粉状料加入二辊开炼机中，180℃条件下，混合、塑炼，将塑炼好的样片放置到平板硫化机中压制成型，压力10MPa，热压3min、冷压至样片冷却。
    1.4 性能测试
    拉伸性能按GB/T 1040-92测试；
    冲击强度按GB/T 1043-93测试。
    2 结果与讨论
    2.1 PVC含量对CPVC/PVC合金动态热稳定性的影响
    由表1可知，动态热稳定时间(DTS)随PVC含量的增加而延长，对比A1和A5，都是同样的稳定剂，PVC体系的DTS约为CPVC体系的5倍，说明CPVC的动态热稳定性比PVC要差得多。这可能是因为CPVC中的氯含量高于PVC，使得分子链变得刚硬，同时分子间作用力加大，在加工过程中受到剪切，分子间内摩擦生热使得物料的温度迅速上升，从而加速了CPVC的分解。
2.2 PVC含量对CPVC/PVC合金加工性能的影响
    由表2可以看出，无论是大扭矩还是平衡扭矩，均随PVC含量的增加而降低。也就是说，随着PVC含量增加，一方面，共混体系塑化时功耗减少；另一方面，体系的熔融黏度降低。后一规律表明PVC的后期加工性能优于CPVC。
    A3中PVC含量为50份，动态热稳定时间比A1、A2提高了很多；当PVC含量超过50份时，DTS虽然增大，但大扭矩与平衡扭矩相差不多，所以不利于加工。在下面的实验中我们选用CPVC：PVC=50：50作相关的对比实验。
    2.3 不同填料对CPVC/PVC合金热性能的影响
    考察不同含量的填料——石墨、玻璃纤维、硅灰石、复合填料来研究填料对CPVC/PVC(50/50)合金热性能的影响，测得维卡软化温度见图1(略)。
    由图1可以看出，玻璃纤维对体系的热性能改进效果非常好，差不多每15份玻璃纤维提高13℃左右。其次是石墨，每15份石墨提高3℃左右。复合填料和硅灰石对体系的热性能只有微小的提高。
    玻璃纤维在CPVC/PVC体系中能如此明显地提高耐热性，主要是因为它与体系的接触界面很大，降低了体系的柔顺性。次要是因为它在试样中形成空间网状结构。在温度升高塑料开始软化时，它就像人体的骨骼一样对塑料起到骨架的作用，保持试样的形状不发生改变。
    但是，玻璃纤维也存在着一些问题。它在双辊开炼机上塑化时，虽然玻璃纤维与CPVC/PVC的质量比不是很高，但是在塑化过程中形成空间网状结构使玻璃纤维变得蓬松，相对体积增大，导致玻璃纤维与CPVC/PVC的体积比变得很高。在双辊开炼机上很难被制成片，当玻璃纤维含量为15份时基本上成片，含量为30份时呈断断续续的片，而含量为45份则根本不能成片，因此在生产过程中玻璃纤维的含量不能过高。
    石墨对CPVC/PVC体系的耐热性提高非常明显。这主要是因为石墨是由碳原子通过π键组成的以六边形为单元的片层结构，CPVC/PVC体系的分子链是碳链，两者都是以碳为基础，相容性比较好，体系柔顺性很低，对体系耐热性的提高比较多。
    虽然复合填料和石墨的粒径大小相同，微粒的结构也都是片状的，但是，复合填料对CPVC/PVC体系的耐热性提高不是很明显，原因如下：复合填料粉的粒径大小一般，与体系的相对界面不是很大，体系的柔顺性下降的不是很多；另外，复合填料粉主要含有硅，合金体系主要含碳，复合填料粉与体系的相容性一般，虽然加入了偶联剂，但是效果不是很明显。
    硅灰石对CPVC/PVC体系的耐热性提高不是很明显。原因和复合填料粉的情况差不多，所以耐热性提高的情况和复合填料粉差不多。
    2.4 不同填料对CPVC/PVC合金拉伸性能的影响
    将不同含量的石墨、玻璃纤维、硅灰石、复合填料添加到CPVC/PVC(50/50)体系中，测得拉伸性能见图2(略)所示。
    由图2可以看出，除玻璃纤维外其他填料都使CPVC/PVC合金拉伸强度有不同程度的下降。玻璃纤维15份时拉伸强度提高，30份时拉伸强度下降。石墨虽然也使拉伸强度下降，但下降得比较少。复合填料和硅灰石使拉伸强度大幅下降。
    共混体系中玻璃纤维含量15份时拉伸强度有一定程度的升高，而玻璃纤维含量30份时拉伸强度又有一定程度的下降。表明少量玻璃纤维对CPVC/PVC体系的力学性能有一定的提高，玻璃纤维含量15份时拉伸强度有一定程度的升高，原因是玻璃纤维的含量比较低，基体树脂的连续相比较高，而且玻璃纤维的长径比很大，充分发挥了纤维增强的作用，提高了拉伸强度。
    随着共混体系中复合填料含量的增加，拉伸强度有一定程度的下降，表明复合填料不但没有提高CPVC/PVC体系的力学性能，反而使其明显下降，主要原因如下：复合填料粉的颗粒呈光滑的片状结构，而且与体系相容性一般，当受到拉伸时，复合填料颗粒与体系的连接断裂，使样条中产生很多的缝隙，很容易出现裂纹，而CPVC/PVC体系是硬而脆的塑料，不会出现吸收能量的银纹，而是在很快的时间内形成断裂带，发生脆性断裂。
    硅灰石的添加使拉伸强度降低，但是它不同于复合填料的断裂情况：含有硅灰石的CPVC/PVC合金断裂样条的断口处会出现很多的银纹，拉伸样条还有轻

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