不同批次PVC管道抗冲助剂 塑化性能差异性研究

黄海亮，钟柳

(广东联塑科技实业有限公司，广东 顺德 528318)

0 引言

作为世界五大通用塑料之一，聚氯乙烯(PVC)以其强度高以及成本低的特点广泛应用于管道、型材、电缆通讯、卷材以及板材等诸多领域[1-5]。其中，在塑料管道市场中，硬聚氯乙烯(PVC-U)管道凭借其自重轻、耐腐蚀、强度高以及安全方便等优点受到了工程界的一致好评，在市场占据重要地位。

与聚乙烯(PE)等聚烯烃管道的材料体系相比，PVC-U管材的材料体系组分更多，需要加入多种助剂才能保证最终产品稳定成型且性能满足要求，其中针对PVC材料本身韧性不如聚烯烃材料的特性，需要在体系中加入抗冲助剂[6]，才能保证PVC-U管材的性能满足相关标准要求。除此以外，PVC材料体系还需要加入热稳定剂、抗老化助剂、加工助剂以及润滑助剂等[7]。

上述助剂本身也是工业级产品，里面含有多种组分。而在工业化大规模生产的过程中，虽然参数波动导致成品组分出现波动是难以避免的事情，但一般在可控范围内。因为如果成品的组分波动幅度过大，容易对下游的PVC管道的生产以及产品性能造成影响。因此，为了保证PVC管道的稳定生产且产品性能达标，对不同批次助剂的组成以及塑化性能进行研究是非常重要的[8-9]。下面将对同一牌号四个不同批次的PVC管道用抗冲助剂的组成以及塑化性能的差异性进行研究。

1 原料及设备

1.1 原料

聚氯乙烯树脂粉、钙锌热稳定剂、碳酸钙、钛白粉、单甘酯、聚乙烯蜡、加工助剂(聚丙烯酸酯)以及同一牌号不同批次的抗冲助剂(分别为样品1、样品2、样品3以及样品4)，以上均为市售工业级原料。

1.2 仪器

仪器设备如表1所示。

表1 仪器设备

2 测试方法

2.1 X射线荧光光谱仪（XRF）

采用X射线荧光光谱仪对四个样品的元素含量进行检测，选择直径32 mm的带盖样品杯，将样品均匀铺满样品杯底部，并将样品杯密封后置于仪器规定位置，盖上仪器盖子，打开SPXEUserDig专用操作软件，选用FP-power(F)方法进行分析。

2.2 傅里叶变换红外光谱仪

采用溴化钾压片法制备样品，并将其置于仪器中进行测试，波数范围为4000～500 cm-1。压片具体步骤如下：称取150 mg的溴化钾，研磨2 min后烘干，加入10 mg的样品后继续研磨10 min，最后压成测试所需的片状。

2.3 灰分

用坩埚称量1 g的样品，置于马弗炉中900 ℃高温煅烧3 h后称量剩下灰分的质量。重复一次后取两次测试结果的算术平均值。

2.4 转矩流变测试

称量PVC树脂粉100份、碳酸钙15份、热稳定剂3.5份、钛白粉2份、单甘酯0.4份、聚乙烯蜡0.5份、加工助剂0.2份以及抗冲助剂8份并在高速搅拌机中搅拌2 min，随后称取72～84 g粉体加入转矩流变仪中，在182 ℃以及25 r/min的条件下开始试验，当到达预定时间后停止试验并清理设备。

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3 分析

3.1 X射线荧光光谱（XRF）测试

不同样品对应XRF测试结果如表2所示。

从表2的数据可以看出，样品1与其他三个样品存在明显区别，其中氯元素含量是四个样品中最少的，铝以及硅这两种元素的含量远远超过其余三个样品，而钙元素则远远少于其他三个样品，硫元素以及铁元素的含量也略低于其他三个样品。从表2的结果可以看出，样品1中的钙盐含量远远少于其他三个样品。

表2 不同样品对应XRF测试结果

3.2 红外光谱（FT-IR）

不同样品的傅里叶变换红外光谱图如图1所示。

图1 不同样品的傅里叶变换红外光谱图

(1)样品2(1577 cm-1与1541cm-1)、样品3 (1577 cm-1与1541 cm-1)以及样品4(1576 cm-1与1541 cm-1)都出现了硬脂酸钙(CaSt2)的特征峰，分别对应CaSt2的中ROO-的络合结构以及离子结构[10-11]，如图2所示。样品1则在这两个波数附近没出现特征峰，说明样品1中CaSt2含量与其他三个样品存在明显差异。

图2 硬脂酸钙络合结构以及离子结构示意图

(2)四个样品均在2918 cm-1以及2850 cm-1附近出现特征峰，对应亚甲基C-H的不对称和对称伸缩振动特征峰，这表明样品中含有长碳链，且样品2、样品3以及样品4的峰强度比样品1要强。出现这种情况，其中一个原因可能是因为样品1与其他三个样品在CaSt2含量上存在明显差异所导致的。

(3)通过谱图可以看出，样品1在1001 cm-1以及554 cm-1的位置有明显的特征峰，样品2在1003 cm-1与560 cm-1有明显的特征峰，样品3在1000 cm-1以及553 cm-1有明显的特征峰，样品4在1003 cm-1以及550 cm-1有明显的特征峰。这两个位置(1000 cm-1附近以及560～550 cm-1)的特征峰分别为Si-O-Si不对称伸缩振动特征峰以及弯曲振动特征峰，可推测样品中含有结晶型的二氧化硅(俗称石英)[12-15]。

3.3 灰分

不同样品的灰分数据如表3所示。

表3 不同样品的灰分数据

3.4 流变试验

3.4.1 基础数据及其分析

图3为不同样品的转矩流变曲线图，表4为不同样品的塑化性能参数。从图3可以看出，四个样品对应的曲线都是差不多重叠在一起的，难以看出相互之间的差异性。为此，这里对表4的数据进行处理，以样品3的数据作为参比(100%)，计算其他样品与其差异性，结果如表5所示。

表4 不同样品的塑化性能参数

图3 不同样品的转矩流变曲线图

从表5的数据可以看出，样品1在塑化扭矩、塑化时间以及平衡扭矩方面这三个参数都是四个样品中最高的。其中塑化时间与参比样(样品3)之间的差距接近30%。出现这种情况，其中一个重要原因就是CaSt2含量的差别。因为CaSt2作为一种以内润滑作用为主的润滑剂[16-18]，能渗透到PVC分子链之间，极性端与PVC分子链的极性点通过静电作用力结合，而非极性端则起到“屏蔽”的作用，进而有效增加PVC分子链之间的距离，从而能有效削弱PVC分子链之间的吸引力，降低其扩散难度，加快塑化速度，有效缩短塑化时间，降低塑化扭矩与熔体粘度(平衡扭矩)。由于样品1中CaSt2的含量较低，与其他三个样品之间存在明显区别，因此塑化扭矩与平衡扭矩更高，塑化时间更长。

表5 转矩流变试验数据对比 单位：%

3.4.2 塑化速度

从图3可以看出，四个曲线几乎重叠，难以从图中区分四个样品的流变性能(最小扭矩、塑化扭矩、塑化时间以及平衡扭矩)差异性。为了能综合体现出四个样品的流变性能差异性，这里采用两个新的指标对不同体系的塑化速度进行计算评价，并以样品3的数据作为参比，计算其他三个样品数据的相对百分比，结果如表6所示。

第一个新的指标名为熔融因数(fusion factor，简称F)，不少文献将其用于评价PVC材料体系的加工性能[19-22]，但后面经过有关学者进行系统性论述以后可知，熔融因数只能用于衡量材料体系的塑化速度[23]，并不能用于评价加工性能的好坏。本文引入熔融因数对不同配方体系下的塑化速度进行对研究，其中熔融因数的计算公式为：

式中：Tb为塑化扭矩(N·m)；Ta为最小扭矩(N·m)；t为塑化时间(min)。计算结果如表6所示。

表6 熔融因数计算结果

除了熔融因数以外，通过王文治等的研究可知，塑化扭矩与最小扭矩的差值越小，材料体系的凝胶度越高[24]，塑化时间也随之缩短，也就是塑化速度越快。而转矩流变试验的参数中，塑化时间越短，同样也表示材料体系的塑化速度越快。为了能综合体现这两个参数对塑化速度的影响，笔者提出了本文第二个用于评价塑化速度的新指标，命名为塑化速度因子，并用F1表示，其计算公式为：

式中：Ta为最小扭矩(N·m)；Tb为塑化扭矩(N·m)；t为塑化时间(min)。

通过上述论述以及公式可以看出，F1越大，则表示对应PVC材料体系的塑化速度越快。其计算结果如表7所示。

表7 塑化速度因子计算结果

从表6以及表7的数据可以看出，样品1与参比样之间的塑化速度差异是所有样品中最大的。其中通过熔融因数的计算结果可见，样品1与参比样的数据差异为15.83%，而通过塑化速度因子的计算结果显示，样品1与参比样的数据差异达到30.81%，差距非常明显。这其中一个非常重要的原因也是因为样品1中硬脂酸钙的含量较低，与其他三个样品存在明显差异所导致的。

4 结语

(1)通过XRF、FT-IR以及灰分的数据可以看出，样品1中无机盐含量较少，其中CaSt2的含量较低。

(2)通过转矩流变试验的数据以及塑化速度的计算结果可以看出，样品1的塑化扭矩与平衡扭矩更高，塑化时间更长，塑化速度比较慢。