抗冲高流动NCR合金的制备与性能评价

沈小宁

(1.新疆中泰化学股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009；2.中国人民大学，北京 100872)

PVC树脂是由氯乙烯单体聚合而成的热塑性聚合物，具有优良的化学稳定性、电绝缘性、自熄性，得到了广泛的应用。PVC树脂属于无定形聚合物，含结晶度5%～10%的微晶体，其突出的优点是阻燃、耐磨、耐化学腐蚀；此外，PVC树脂综合力学性能好，是性价比优异的通用型树脂，但其结构上存在缺陷，导致PVC制品存在热稳定性差、缺口冲击敏感、加工流动性差等缺陷，这使其在硬制品领域的应用受到了很大的限制，一般通过制备合金材料来拓展PVC树脂的应用领域。PVC/ABS合金是一种应用较多的合金材料，其兼具PVC阻燃、耐腐蚀、价廉与ABS抗冲、易加工的优点，可用于制造机械零部件、纺织器材、箱包等。用于家用电器的ABS本身阻燃性较差，添加无机阻燃剂是常用的方法，但无机阻燃剂会严重降低其力学性能。PVC/ABS合金不仅可以满足阻燃要求，而且具有优良的力学性能，还可以达到降低生产成本的目的；但PVC/ABS合金热稳定性较差，在加工过程中容易降解，从而影响产品的外观和力学性能。PVC/NBR合金抗冲、耐油性优良，主要用于生产管材、卷材、泡沫塑料、密封件等制品；PVC/EVA合金、PVC/EVA/EPDM三元合金、PVC/CPE合金、PVC/MBS合金、PVC/ACR合金等，都是综合性能优良、附加值较高的工程塑料合金[1-2]。

新疆中泰化学股份有限公司通过产学研合作，成功开发了新型纳米胶乳粒子增韧PVC共聚复合树脂(NCR)，该项目为2016年新疆维吾尔自治区高层次人才引进工程项目。NCR的缺口冲击强度(23 ℃)超过90 kJ/m2，是PVC-SG5型树脂的30倍，是ABS的3倍，且低温冲击韧性优良；NCR易塑化，塑化时间为20 s，为PVC-SG5型树脂(58 s)的34%；NCR属于典型的硬质PVC韧性材料，具有刚韧平衡的性能优势，而且具有明显的成本优势；NCR分子链中接枝的丙烯酸酯类共聚物不仅具有优良的抗冲改性作用，还具有促进PVC塑化、提高熔体强度、改进成型效果的优点。NCR合金就是以NCR为基体材料，采用低分子质量均聚PVC(P400)为高分子增塑剂进一步增塑改性，同时添加其他加工助剂制得的合金材料。为了制备抗冲高流动NCR合金，笔者考察了NCR/P400配比，冲击改性剂的种类、型号和用量，活性纳米碳酸钙用量对NCR合金性能的影响，并观察了NCR合金的冲击断面形貌。

1 试验部分

1.1 试验原料

NCR(树脂相为PVC-SG5型，橡胶相质量分数为6%)、P400型PVC，新疆中泰化学股份有限公司；MBS、ACR、CPE、丁基锡稳定剂、润滑剂等助剂均为市售。其中，不同型号的MBS共6种，编号为1#～6#。

1.2 试验仪器及设备

试验仪器及设备见表1。

表1 试验仪器及设备Table 1 Test apparatus and instrument

1.3 样品制备

按照配方将NCR、P400、稳定剂、润滑剂等助剂通过高速热混、低速冷混降温和储存陈化得到具有良好流动性的干混料。高速热混温度为115 ℃，热混时间控制在8 min以内，低速冷混须降温至40 ℃以下。将干混料在双辊混炼机上塑炼，双辊温度控制在175 ℃，开炼过程中不断将胶片打三角包，保证均匀塑化，塑化时间控制在6 min以内，完成薄通12次，厚通3次出片，出片厚度在1.1 mm左右。将塑化均匀的片材裁剪叠加放入模具内，在平板硫化机上进行模压，模压温度为175～180 ℃，预热4 min后在10 MPa压力下压制6 min，压制完成后再在10 MPa压力下保压冷却至室温。制得的片材厚度为标准样条要求的厚度，经过裁剪得到检测用试样。

1.4 试验方法及标准

拉伸性能按GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的测定》测试，采用Ⅰ型试样，拉伸速度为20 mm/min。

弯曲性能按GB/T 9341—2000《塑料弯曲性能试验方法》测试，弯曲速度为2 mm/min。

冲击强度按GB/T 1043.1—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分:非仪器化冲击试验》测试。

流变性能采用转矩流变仪测试，温度为175 ℃，转子转速为40 r/min，加料量为60 g。

所有试验测试时的室温均为23 ℃。

1.5 试验目标

抗冲高流动NCR合金的冲击强度应不低于70 kJ/m2，平衡扭矩应不高于29 N·m。

2 结果与讨论

2.1 NCR/P400配比对NCR合金冲击强度和流变性能的影响

笔者主要是利用NCR的增韧特性和P400的增塑特性来制备抗冲高流动NCR合金，为了得到最佳的冲击性能和流动性能，并使二者达到平衡，笔者考察了NCR/P400配比对合金材料冲击强度和流变性能的影响，试验结果如表2所示。从表2可以看出：随着P400用量的增加，NCR合金的平衡扭矩不断减小，加工流动性逐渐变好，但是冲击强度逐渐降低；相反，随着NCR用量的增加，NCR合金的冲击强度逐渐增加，而加工流动性变差。当NCR、P400各为50份时，NCR合金的冲击强度为85.67 kJ/m2，平衡扭矩为29.4 N·m，基本满足试验目标。另外，不同NCR/P400配比下，NCR合金均无明显的塑化峰，说明其从一开始就进入了塑化状态，塑化性能优异。

表2 NCR/P400配比对NCR合金材料冲击强度和流变性能的影响Table 2 Effect of NCR/P400 ratio on impact strength and rheological behavior of NCR alloys

2.2 冲击改性剂种类对NCR合金材料冲击强度和流变性能的影响

笔者考察了冲击改性剂种类对NCR合金冲击强度和流变性能的影响，试验结果如表3所示。

表3 冲击改性剂种类对NCR合金材料冲击强度和流变性能的影响Table 3 Effect of types of impact modifier on impact strength and rheological behavior of NCR alloys

从表3可以看出：使用6#MBS的NCR合金的冲击强度最好，而ACR和CPE在NCR合金中增韧作用较差，其冲击强度低于10 kJ/m2，远小于试验目标，这有待于进一步试验找出原因。因此，使用MBS作为NCR合金的冲击改性剂。

2.3 MBS型号对NCR合金材料性能的影响

MBS是甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯三元共聚物，根据共聚单体比例的不同分为不同的型号，具有不同的性能。笔者考察了MBS型号对NCR合金性能的影响，试验结果如表4所示。从表4可以看出：虽然添加1#～5#MBS的NCR合金的拉伸性能、弯曲性能和流变性能较好，但冲击强度均较小，远远低于试验目标，只有添加6#MBS的合金材料的冲击强度和平衡扭矩满足试验目标，因此选择6#MBS作为合金材料的冲击改性剂。

表4 MBS型号对NCR合金材料性能的影响Table 4 Effect of MBS model on performances of NCR alloys

2.4 冲击改性剂用量对NCR合金材料冲击强度和流变性能的影响

笔者考察了6#MBS用量对NCR合金冲击强度和流变性能的影响，试验结果如表5所示。

表5 冲击改性剂用量对NCR合金冲击强度和流变性能的影响Table 5 Effect of addition amount of impact modifier on impact strength and rheological behavior of NCR alloys

从表5可以看出：随着6#MBS用量的减少，平衡扭矩虽然有所降低，但变化幅度不大，说明6#MBS对NCR合金的加工流动性影响不大，其用量为8份时平衡扭矩满足试验目标。随着6#MBS用量的减少，NCR合金的冲击强度逐渐减少，当其用量小于7份时冲击强度开始急剧降低。综合考虑，6#MBS的适宜用量为8份，此时NCR合金的冲击强度为78.33 kJ/m2，平衡扭矩为28.5 N·m，满足试验目标。此外，不同6#MBS的用量下，NCR合金均无明显的塑化峰，说明其具有优异的塑化性能。

2.5 活性纳米碳酸钙用量对NCR合金冲击强度和流变性能的影响

添加活性纳米碳酸钙可以降低成本，笔者考察了活性纳米碳酸钙用量对NCR合金冲击强度和流变性能的影响，试验结果如表6所示。从表6可以看出：虽然随着活性纳米碳酸钙用量的增加，NCR合金的平衡扭矩逐渐降低，但其冲击强度也急剧下降，所制备的NCR合金不能满足试验目标，因此不能添加活性纳米碳酸钙。

表6 活性纳米碳酸钙用量对NCR合金冲击强度和流变性能的影响Table 6 Effect of addition amount of nanometer activated calcium carbonate on impact strength and rheological behavior of NCR alloys

2.6 NCR合金的冲击断面形貌

NCR合金冲击试样的断面形貌和缺口照片如图1和图2所示，PVC-SG5型树脂冲击试样的断面形貌和缺口照片如图3和图4所示。

图1 NCR合金冲击试样断面扫描电镜照片Fig.1 SEM image of impact fracture surface of alloy NCR specimen

图3 PVC-SG5型树脂冲击试样断面扫描电镜照片Fig.3 SEM image of impact fracture surface of resin PVC-SG5 specimen

图4 PVC-SG5型树脂冲击试样缺口照片Fig.4 Image of impact notch of resin PVC-SG5 specimen

从图1可以看出：NCR合金冲击试样出现拔丝状痕迹，且分布很均匀，无光滑脆断痕迹。从图2可以看出：NCR合金冲击试样呈铰链式断裂，断面出现应力白化现象，破坏特征属典型的韧性破坏形式。这说明NCR合金中各组分具有较强的结合力和相容性，NCR合金的韧性源于NCR基体的韧性和MBS增韧的协同作用。

对比图1～图4可知：PVC-SG5型树脂冲击试样发生脆断，缺口平滑，属于典型的脆性破坏形式。

3 结语

综合考虑冲击强度和加工流动性，NCR合金的最佳配方为：50份NCR、50份P400、8份6#MBS、3份丁基锡稳定剂、0.8份硬脂酸钙、0.8份十八醇和0.1份颜料。采用该配方制得的NCR合金具有优异的缺口冲击韧性和加工流动性，且具有刚韧平衡的特性。

新疆中泰化学股份有限公司开发的NCR冲击性能优异，价格低廉，是合金材料的理想选择。NCR合金作为综合性能优良的新型合金材料，集抗冲、高流动于一体，可用于生产高强树脂瓦、安全帽、高速公路护栏以及电器仪表外壳等工程塑料制品。