CPVC/ABS/CPE三元共混体系的组成与性能关系研究

马 军,袁茂全,牟南翔,胡妹华,王 建,武德珍＊

(1.北京化工大学材料科学与工程学院,化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029;2.上海氯碱化工股份有限公司,上海200241)

CPVC/ABS/CPE三元共混体系的组成与性能关系研究

马 军1,袁茂全2,牟南翔1,胡妹华2,王 建2,武德珍1＊

(1.北京化工大学材料科学与工程学院,化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029;2.上海氯碱化工股份有限公司,上海200241)

研究了氯化聚氯乙烯(CPVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和氯化聚乙烯(CPE)三元共混体系的组成与性能之间的关系。结果表明,ABS树脂可以有效降低CPVC/ABS/CPE三元共混体系的平衡扭矩,缩短三元共混体系的塑化时间,改善其流动性;当CPE含量固定、共混体系中CPVC与ABS的质量配为7∶3时,共混体系的拉伸强度和缺口冲击强度达到最佳,共混体系具有较好的综合力学性能;随着CPE含量的增加,三元共混体系的缺口冲击强度显著提高,CPE对三元共混体系具有优良的增韧作用,用量以15份为宜。

氯化聚氯乙烯;丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物;氯化聚乙烯;共混;改性

0 前言

CPVC是聚氯乙烯(PVC)进一步氯化的产物,是其重要的改性品种之一。CPVC的氯含量一般在61%～68%之间,由于极性元素的增加,耐热温度比PVC高30～40 ℃,其力学性能、耐溶剂性、阻燃性、耐蠕变性等均比PVC有较大的提高,是发展前景较为广阔的高分子材料。CPVC具有良好的综合性能,在管材、涂料和黏合剂、泡沫材料、绝缘和阻燃材料、人造纤维材料及板材、改性剂等方面有着广泛的应用[1-3]。

虽然CPVC相对于其他树脂具有明显的性能优势,但由于其特殊的分子结构,使其具有极高的加工难度,表现为加工温度高,熔体黏度大,加工成型温度范围窄,易分解;而且CPVC制品脆性较大、冲击强度较低[4-5]。因此,在CPVC加工配方体系中,除了研究稳定剂、润滑剂的种类和配比对其制品的影响外,通过共混改性来制备高流动、高韧性的CPVC合金材料也具有重要的理论意义和实际应用价值。

本文采用ABS和CPE对CPVC树脂进行改性。利用ABS树脂的高流动性和CPE的增韧作用,通过对共混体系组成和性能的研究达到使CPVC高性能化的目的。

1 实验部分

1.1 主要原料

CPVC,含氯质量分数为66%～67%,工业级,上海氯碱化工股份有限公司;

ABS,8391,中国石化上海高桥分公司;

CPE,135A,潍坊亚星化学股份有限公司;

有机锡,工业级,法国Arkema公司;

环氧大豆油,工业级,阿拉丁试剂(上海)有限公司;

润滑剂,工业级,美国 Honeywell公司。

1.2 主要设备及仪器

开放式塑炼机,SK-160B,上海橡胶机械厂;

平板硫化机,QLB-D,上海橡胶机械厂;

高速混合机,FW100,天津泰斯特仪器有限公司;

拉伸性能测试仪,INSTRON-1185,美国 INSTRON公司;

冲击性能测试仪,P/N6957.000,意大利CEAST公司;

转矩流变仪,PLV-151,德国BRABENDER公司;

扫描电子显微镜(SEM),S-250MK3,英国剑桥科学仪器公司。

1.3 试样制备

将各组分在高速混合机上预混合2 min,然后将预混料在双辊筒塑炼机上熔融共混,温度185℃,混炼5 min后出片。在185 ℃、35 MPa条件下,热压8 min左右,再冷压到90℃以下启模,制得模板,然后按照测试标准制成待测样条。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸强度按ASTM D638-03测试;

简支梁缺口冲击强度按 GB/T 1843—2002测试,使用缺口制样机 r=0.1 mm的铣刀制得V形缺口,缺口深度为2 mm,摆锤速度为2.9 m/s;

将转矩流变仪的混合器升温到180℃,转速设定30 r/min,称取60 g CPVC干混料加入到混合器中,进行流变性能测试;

SEM分析:试样快速冲断后,表面进行镀Au-Pd金属处理。

2 结果与讨论

2.1 ABS含量对共混物力学性能和流动性的影响

为考察ABS树脂对 CPVC/ABS/CPE共混体系力学性能的影响,固定 CPVC和 CPE的份数分别为100份和15份,改变ABS的添加量。CPVC树脂的拉伸强度和缺口冲击强度分别为75 MPa和4 kJ/m2,ABS树脂的拉伸强度和缺口冲击强度分别为44 MPa和30 kJ/m2。从图1可以看出,采用 ABS和CPE对CPVC共混改性后,CPVC/ABS/CPE三元共混体系的拉伸强度随着ABS含量的增加呈先上升后下降的趋势。这是因为随着ABS含量的增加,体系中CPE的相对含量降低,而CPE本身的拉伸强度很低,所以共混体系的拉伸强度上升。当CPVC和ABS的配比为7∶3时,CPVC/ABS/CPE三元共混体系的拉伸强度达到最大值。进一步增加ABS的用量,体系中的拉伸强度较高的CPVC相对含量降低,使共混体系的拉伸强度下降。

图1 ABS含量对CPVC/ABS/CPE三元共混体系力学性能的影响Fig.1 Effect of ABS content on the mechanical properties of CPVC/ABS/CPE blends

从图1还可以看出,CPVC/ABS/CPE三元共混体系的缺口冲击强度随着ABS含量的增加呈先下降后上升再下降的趋势,这是由于CPE是CPVC的良好增韧剂,当用量为15份时在CPVC中形成增韧网络,CPVC/CPE体系的冲击强度达到17 kJ/m2,当加入少量ABS后,破坏了CPE的增韧网络,造成共混体系的韧性降低。但ABS本身也具有良好的韧性,当进一步增加ABS的用量时,三元共混体系的韧性有所提高,并在CPVC和ABS的配比为7∶3时,缺口冲击强度也出现了峰值。综上所述,在固定 CPE为15份时,当 CPVC和ABS的比例为7:3时,三元共混物具有较好的综合性能。

图2 CPVC/ABS/CPE三元共混物的流变曲线Fig.2 The rheological curves for CPVC/ABS/CPE blends

从图2可以看出,随着ABS用量的增加共混物的平衡扭矩明显降低,共混体系达到平衡的时间缩短,即塑化时间缩短。由此可见,ABS能有效降低共混物的熔体黏度,从而改善了CPVC的加工性能。但当ABS用量增加至67份时,共混体系的热稳定时间缩短,主要是共混体系中热稳定剂的相对含量减小,对CPVC的热稳定作用降低,若延长热稳定时间,需要增加热稳定剂用量。

2.2 CPE含量对共混物力学性能及形态的影响

固定CPVC和ABS的份数分别为100份和43份(配比为7∶3),改变 CPE的添加量。从图3可以看出,随着CPE含量的增加,CPVC/ABS/CPE三元共混体系的缺口冲击强度呈上升趋势。当CPE含量大于15份时,三元共混体系发生脆韧转变,缺口冲击强度开始大幅度提高。一方面,CPE是 CPVC良好的增韧剂;另一方面,在ABS中存在两相结构,即苯乙烯-丙烯腈(SAN)树脂相和聚丁二烯橡胶相[6],CPVC与SAN相容性较好而与橡胶相不相容,而CPE中的乙烯段与ABS中的丁二烯段结构相似,二者具有一定的微观相互作用,所以CPE的加入改善了CPVC与橡胶相的相容性,进而改善了CPVC和ABS的相容性,使得共混体系的缺口冲击强度大幅度提高。但三元共混体系的拉伸强度随CPE用量的增加呈下降趋势,这是由于CPE作为一种弹性体,拉伸强度低,使共混体系拉伸强度降低。

图3 CPE含量对CPVC/ABS/CPE三元共混体系力学性能的影响Fig.3 Effect of CPE content on the mechanical properties of CPVC/ABS/CPE blends

从图4可以看出,当CPE含量为0份时,共混体系的冲击断面比较平整,随着CPE含量的增加,冲击断面上出现了一些网状突起,当CPE含量大于15份时,冲击断面有大量的等轴抛物线韧窝出现,是典型的韧性断裂特征,进一步表明材料发生了韧性断裂。

图4 CPVC/ABS/CPE三元共混体系的断面SEM照片Fig.4 SEM micrographs for the fracture surface of CPVC/ABS/CPE blends

3 结论

(1)ABS能够有效降低CPVC/ABS/CPE三元共混体系的扭矩,促进CPVC的塑化,缩短CPVC的塑化时间,从而改善了CPVC的加工性能;

(2)当三元共混体系中CPVC和ABS的配比为7∶3时,三元共混体系的拉伸强度和缺口冲击强度达到最佳;

(3)CPE的加入促进了CPVC与丁二烯橡胶相的相互作用,从而改善了CPVC和ABS的相容性,使三元共混体系的缺口冲击强度大幅提高。CPE对三元共混体系增韧效果优异,以15份为宜。

[1] 徐 瑾,万 青,王习群.无机填料改善 CPVC/PVC合金耐热性能的研究[J].中国塑料,2005,19(4):29-32.

[2] 韩 健,邬素华.氯化聚氯乙烯的高性能化研究[J].塑料工业,2008,36(10):24-27.

[3] 皮 红,周诗雨,郭少云.氯化聚氯乙烯的增韧改性[J].高分子材料与工程,2006,22(4):110-113.

[4] 陈雪萍,朱耕宇,浦 群,等.CPVC/PVC/MBS三元共混材料的研究[J].中国塑料,2008,22(6):35-38.

[5] 史铁钧,谭晓霞.CPVC共混物的加工和力学性能的改进[J].现代塑料加工应用,1994,6(4):34-37.

[6] 周丽玲,蔺玉胜,杨静漪,等.ABS增韧硬质聚氯乙烯的结构形态和增韧机理[J].中国塑料,2008,22(10):27-30.

Study on the Relationship Between Compositions and Properties of CPVC/ABS/CPE Ternary Blends

MA Jun1,YUAN Maoquan2,MU Nanxiang1,HU Meihua2,WAN GJian2,WU Dezhen1＊
(1.State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering,College of Materials Science&Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Shanghai Chlor-Alkli Chemical Company,Shanghai 200241,China)

In this paper,the relationship between compositions and properties of chlorinated poly(vinyl chloride)/acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer/chlorinated polyethylene(CPVC/ABS/CPE)ternary blends was studied.The torque of CPVC/ABS/CPE decreased and thus the plasticizing time was reduced significantly with increasing content of ABS.When the weight ratio of CPVC to ABS was 7∶3,the CPVC/ABS/CPE ternary blends displayed the best mechanical properties.CPE had good toughening effects on CPVC/ABS/CPE ternary blends,and the optimum dosage was 15 phr.

chlorinated poly(vinyl chloride);acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer;chlorinated polyethylene;blending;modification

TQ325.3

B

1001-9278(2010)07-0024-04

2010-03-16

国家支撑计划资助项目(2007BAE50B02)

＊联系人,wdz@mail.buct.edu.cn