加工助剂对PVC-U塑料管道材料体系加工性能影响的研究

余华林 郑先伟 陆康元 宋科明 李统一

摘 要：PVC树脂加工需要加入加工助剂保证其塑化性能，本文详细研究了丙烯酸酯类加工助剂对PVC-U塑料管道材料体系塑化性能和熔体强度的影响，得出本实验中加工助剂的用量控制在1.5～2.5份范围内加工效果最好，管道产品综合性能最优。

关键词：PVC;加工助剂;塑化性能;熔体强度

0 引言

聚氯乙烯（PVC-U）塑料管道具有优异的阻燃性、耐磨性、耐化学腐蚀性、综合机械性能、电绝缘性等优点，在工业、建筑、市政、农业等领域得到了广泛应用。我国聚氯乙烯塑料管道需求始终保持快速增长，特别是在市政、建筑给排水领域，近年来处于高速增长期[1]。然而，PVC树脂在加工过程中存在易降解、难塑化等缺点[2]，塑料管道配方中需要加入热稳定剂、加工助剂、润滑剂、抗冲剂等助剂，才能保证PVC树脂的可加工性以及PVC-U塑料管道的综合性能。

目前，国内最常用的加工助剂是以甲基丙烯酸甲酯为主的丙烯酸酯类共聚物。加工助剂作为PVC-U塑料管道配方中不可或缺的组分，在加工过程中对PVC树脂的作用主要表现在：

①促进凝胶化，在PVC中加入加工助剂，当由外部加热而产生剪切时，被PVC树脂包围的加工助剂首先熔融，与PVC有良好相容性的加工助剂粘附于周围的PVC树脂上，使树脂相互粘接，同时将外部的剪切力传给树脂，促进树脂胶凝化[3];②促进塑化，加工助剂与PVC有良好的相容性，其料粒可以填充并扩散到PVC多重粒子的空隙中，在混合或混炼过程中产生较大的内摩擦力，促进PVC多重粒子的破碎和熔融，因而可缩短塑化时间[4];③提高熔体强度，加工助剂的分子量较高，通常为PVC分子量的1-100倍，在加工过程中加工助剂分子会与PVC大分子链高度缠结，使得其松弛速度减慢，从而使PVC熔体强度和热态伸长率提高，成型温度区加宽，熔体不易破裂[5]。

本文在总结文献资料的基础山，结合车间PVC-U塑料管道的生产需求，详细研究了加工助剂用量对PVC-U管道材料体系塑化性能以及熔体强度的影响，并对其改善PVC塑化性能和熔体强度的机理进行探讨，以期能够对PVC-U塑料管道的生产加工进行指导和调控。

1 实验部分

1.1 原料试剂

PVC树脂（SG-5）、轻质碳酸钙、钙锌热稳定剂、润滑剂、加工助剂（丙烯酸酯类）、抗冲剂、钛白粉，以上原料均为市售工业级。

1.2 转矩流变仪试验

将100份PVC树脂、6份轻质碳酸钙、3份钙锌热稳定剂、0.8份润滑剂、2份抗冲剂、1.5份钛白粉、不同份数（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助剂按一定比例混合均匀后，加入到转矩流变仪中，记录不同份数加工助剂条件下PVC-U管道材料体系的流变曲线。

1.3 小型双螺杆挤出机试验

将100份PVC树脂、6份轻质碳酸钙、3份钙锌热稳定剂、0.8份润滑剂、2份抗冲剂、1.5份钛白粉、不同份数（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）的加工助剂按一定比例混合均匀后，加入到双螺杆挤出机中，记录挤出机口模一定距离样条的熔体质量。

2 结果与讨论

2.1 加工助剂对PVC-U塑料管道材料体系塑化性能影响的研究

将含有不同份数加工助剂的配方材料加入到转矩流变仪中进行流变实验，流变曲线和实验数据分别见图1和表1所示。随着加工助剂用量的增加，塑化时间由5.0min缩短到3.0min，塑化扭矩由18.4N.m增加到22.5N.m，平衡扭矩由17.17N.m增加到18.09N.m，但在加工助剂用量达到2.0份，再继续增加用量时，塑化时间、塑化扭矩和平衡扭矩变化较小。

从数据可以看出，加工助剂加入量较少时，塑化性能提升的不显著，当加入量继续增大时，塑化时间和塑化扭矩才有明显变化。这是由于当体系中加工助剂含量较少时，共混体系并不均匀，加工助剂与PVC树脂间的摩擦力起主要作用，使得热量累积速度较慢，树脂达到熔融温度所需时间较长;当加入量增大时，熔点较低的加工助剂粒子先达到熔融状态，分子链贯穿到PVC树脂粒子中，使得热量传递加快，PVC粒子迅速熔化，初级粒子凝聚体和微晶区比之前更早的暴露在体系中，因此塑化峰出现的时间更快。但加工助剂的过量加入会导致材料体系融体粘度增大，甚至造成材料加工困难，故本研究加工助剂的用量控制在1.5～2.5份之间。

2.2 加工助剂对PVC-U塑料管道材料体系熔体强度影响的研究

高熔体强度是保证大口径PVC管道壁厚均匀性的重要条件。聚合物的熔体强度是指熔体在一定的条件下受到力（如牵引或拉伸力）的作用而断裂，此时这个力定义为聚合物的熔体强度。熔体强度反映聚合物熔体的抗延伸性及抗熔垂性，它是决定产品成型加工非常重要的性质。熔体强度可以通过测量熔体从挤出机口模中悬挂到断裂这段时间内的质量来表征，也就是说，熔体强度小的聚合物，支撑自身重量的能力较差，一定长度样条的质量变化率和直径尺寸变化率越快，熔体断裂时，样条的质量越小;反之，断裂样条的质量越大。由于实验室小型挤出机口模距离地面的高度有限，且PVC的熔体强度较聚烯烃大，在测试过程中没有出现熔体断裂的现象，因此，本实验通过测量一定长度样条的质量变化率来比较不同材料体系的熔体强度大小。

将含有不同份数加工助剂的配方材料加入到小型挤出机中进行熔体强度实验，实验结果如图2所示。在扭矩相同的情况下，不同用量的加工助剂对熔体质量、熔体挤出时间影响较大，随着加工助剂用量的增加，熔体质量增加，挤出时间延长。在加工助剂用量为0.5～1.5份时，熔体质量差异明显;当加工助剂用量为1.5～2.5份时，熔体质量变化差异减小;尤其是加工助剂用量为2.0份和2.5份时，曲线基本重合，说明加工助剂用量对PVC熔体强度的影响在一定范围内作用显著，超过该范围后熔体强度增加不明显，还会使熔体挤出时间延长，使得生产速度降低。考虑PVC材料体系的塑化性能和熔体强度，本实验中加工助剂的用量控制在1.5～2.5份范围内效果最好。

加工助剂提高PVC-U塑料管道材料体系熔体强度的作用机理，被大家普遍接受的是“缠结”理论。加工助剂的分子量较高，且与PVC树脂的相容性良好，在加工過程中其分子链可以贯穿于PVC树脂粒子中，与PVC分子链发生“缠结”，达到提高PVC材料体系熔体强度的目的，该研究对于大口径PVC-U塑料管道的生产具有重要的意义。

3 结论

本论文详细研究了加工助剂对PVC-U塑料管道材料体系塑化性能和熔体强度的影响，结论如下：加工助剂加入量较少时，塑化性能提升不显著，当加入量继续增大时，塑化时间和塑化扭矩才有明显变化，加工助剂的过量加入会导致材料体系融体粘度增大，甚至造成材料加工困难;不同用量的加工助剂对熔体质量、熔体挤出时间影响较大，随着加工助剂用量的增加，熔体质量增加，挤出时间延长。考虑PVC-U塑料管道材料体系的塑化性能和熔体强度，本实验中加工助剂的用量控制在1.5～2.5份范围内效果最好。

参考文献：

[1]王晶.聚氯乙烯行业的现状及其发展趋势[J].齐鲁石油化工，2011（01）：77-80.

[2]刘建平，方廉，宋霞.PVC热稳定剂的现状与发展[J].中国塑料，2001，015（001）：15-18.

[3]王立峰，李飞跃.聚氯乙烯加工助剂ACR的发展及应用[J].内蒙古石油化工，2007（05）：68.

[4]卢晓，王世和，魏文杰，等.橡胶相对ACR树脂抗冲性能的影响[J].弹性体，2003（06）：30-32.

[5]王学智.国内加工助剂（ACR树脂）行业的现状与对如何发展的建议[J].塑料助剂，2003（02）：1-3.

项目编号：2018B030323002，广东省省级科技计划（科技基础条件建设领域）项目。