消光聚氯乙烯的性能研究

　　近年来,聚氯乙烯(PVC)树脂由通用化向高性能化、专业化及工程化发展是许多国家研究开发的趋势[1]。很多应用场合要求PVC材料外观具有低光泽度,特别是很多美、日、欧的消费者偏爱表面消光制品,促使国内生产厂家对材料进行改性降低表面光泽度以获得消光制品。

　　塑料制品表面消光的机理是:利用物理或化学方法,使制品表面形成极微小的凹凸或极微细的皱纹,这些凹凸或皱纹对光线会产生漫反射和散射作用,从而降低了制品表面的光泽度[2]。本文研究了组成PVC的多个组分对材料光泽度和力学性能的影响,对消光PVC材料组分的选型提供了参考。

　　1　实验部分

　　1·1　主要原料及仪器

　　普通PVC原树脂:牌号TK1300和TK1000,日本信越公司;交联PVC树脂:牌号S1300和M1000,日本信越公司;增塑剂:邻苯二甲酸二壬酯(DINP),台湾联成公司;碳酸钙:牌号TL700,广东腾龙公司;云母粉:牌号YM2500,广东精达公司。

　　高速混合机: GH-1000,北京塑料机械厂;双螺杆挤出机: SJSH-Z-30,南京橡塑机械厂;塑料注射成型机: CJ80M3V,广东顺德震德塑料机械有限公司; 材料力学试验机: AG-1,日本SHIMADZU公司;硬度计: LX-A,上海六菱仪器厂;材料光泽度测试仪: 4430,德国BYK公司。

　　1·2　材料与试样的制备

　　将PVC原树脂加入高速混合机中后启动高速运转,加入热稳定剂及各种助剂,然后缓慢加入增塑剂,待温度达到100℃后停止,得到混合料。高速混合机速度为1 500 r/min,混合时间为15min。将混合料加入双螺杆挤出机中熔融、挤出、冷却、切粒,加料段-输送段-熔融段-机头的挤出温度分别为120、130、140、150℃。将切粒料干燥后用塑料注射成型机注射成测试用的样条。

　　1·3　性能测试

　　拉伸强度:按GB/T1040—2006在 材料力学试验机上进行,试验速度为50 mm/min;硬度:按GB/T2411—1980在硬度计上进行,针头下压试样1s后读数;光泽度:按GB/T 8807—1988在光泽度测试仪上进行,入射角为60°。

　　2·结果与讨论

　　2·1　聚氯乙烯树脂对材料性能的影响

　　聚合度为1 000和1 300的PVC树脂是 常用的两种PVC树脂。表1是PVC树脂总用量为100份时两种不同聚合度树脂TK1000和TK1300的质量比对材料光泽度和力学性能的影响,配方中增塑剂为DINP (80 phr),填料为碳酸钙(10 phr)。可见,随着TK1300所占比例的增加,材料的光泽度逐步下降,拉伸强度逐步提高,断裂伸长率略微下降,邵氏硬度基本不变。由于TK1300和TK1000树脂成本相当,为降低材料光泽度可考虑适当增加高聚合度树脂的用量。

　　交联型树脂S1300为特种PVC树脂,又称“架桥PVC”,是国内外部分PVC生产厂家为适应特殊用途而设计的产品。由于交联PVC树脂成本较高,一般与普通PVC树脂混用。表2是TK1300和S1300用量比对材料光泽度和力学性能的影响(配方中其他组分同上)。随着S1300用量的增加,材料的光泽度大幅下降,力学性能则基本保持不变,这说明S1300是优良的PVC材料消光剂。

　　有报道指出[3],对于普通PVC树脂来说,成型以后内部微观结构的差异较小,制品表面的变形也小,因而具有平整的表面,光泽度较高。而交联PVC树脂含有凝胶结构,在加工过程中可能出现熔融的连续相和不熔融的分散相,凝胶结构作为分散相分布在连续相中,两相的结构和性能有很大的差别。

　　在辊筒的剪切作用下,凝胶结构在流动过程中发生变形、旋转和取向。此时,制品的表面仍是光滑的。成型结束后,随着温度降低,物料由黏流态转变为高弹态和玻璃态,由于凝胶结构的松弛回弹作用与连续相的区别较大,使制品表面形成波浪形的凹凸起伏,产生一定的粗糙度,从而表现出消光特性。针对交联PVC树脂成本高的情况,在设计材料配方时,可针对具体的光泽度要求适当选择普通PVC树脂和交联PVC树脂的用量比,以达到 性价比。

　　高聚合度PVC树脂例如TK1300或S1300的流动性较差,不适合用于流动性要求高的PVC复合材料,此时可以考虑使用聚合度稍低的PVC树脂例如TK1000。交联型PVC树脂M1000的聚合度和TK1000相当,适合与TK1000搭配使用。表3为TK1000和M1000用量比对材料光泽度和力学性能的影响。与表2的情况相似,随着交联PVC树脂M1000用量的增加,材料光泽度大幅下降而力学性能保持不变。另外,将表2和表3中光泽度的数据进行对比可发现,单纯使用M1000的材料光泽度比单纯使用S1300略低。这是因为虽然S1300比M1000聚合度高,但由于M1000具有更高的交联度,因此综合来看, M1000的消光能力相对更明显。

　　2·2　增塑剂用量对材料性能的影响

　　有研究认为增塑剂对PVC材料的消光性能产生直接影响[4]。本文研究了增塑剂用量对PVC材料性能的影响,配方中PVC树脂为TK1300,填料为碳酸钙(10 phr),结果如表4所示。与以往的研究结果一致,随着增塑剂用量增加, PVC材料光泽度逐步增加,即“越软的制品消光性能越差”[4]。

　　2·3　填料对材料性能的影响

　　以往很多研究发现某些无机填料对高分子材料的光泽度有着直接的影响。本文选用了改性PVC复合材料中常用的碳酸钙和云母粉作为填料研究对材料消光性能和力学性能的影响(见表5)。配方中PVC树脂为TK1300,增塑剂为DINP (80 phr)。从表5可见,随着碳酸钙用量从0 phr增加到30 phr,材料的光泽度有小幅下降,由39·7°降至36·5°。当碳酸钙用量再增加时,光泽度的下降趋于平缓。总的来看,碳酸钙对材料光泽度的影响不大。材料的拉伸强度则随碳酸钙用量增加先增后降,断裂伸长率则一直下降,当碳酸钙用量超过30 phr时,断裂伸长率的下降更为明显。材料的硬度则随碳酸钙用量增加有小幅升高。

　　表6为云母粉的用量对材料光泽度和力学性能的影响。可见,云母粉对材料光泽度的影响相对碳酸钙具有更显著影响。随着云母粉用量的增加,材料的光泽度由39·7°降至21·7°。同时,云母粉用量对材料力学性能的影响较为明显。云母粉用量由0 phr增加至30 phr时,拉伸强度和断裂伸长率分别下降至10·2MPa和275%。当云母粉用量超过40 phr时,拉伸强度和断裂伸长率陡然下降,应该为云母粉团聚导致力学性能下降所致。

　　2·4　SEM分析

　　为了探讨云母粉对材料力学性能的影响,采用了电子扫描显微镜(SEM)进行研究。图1a是材料的拉伸断裂样条断面的SEM照片,云母粉的用量为40phr。由SEM照片可见,断面出现了材料拉伸断裂时团聚物剥落后剩下的巨大空洞,直径超过500μm。将空洞中剩余团聚物部分放大如图1b所示。可见,很多云母粉粒子以粒径较大的团粒存在,这种团粒聚集而成的较大的团聚物是导致材料力学性能大幅下降的主要原因。因此,使用云母粉作为PVC材料消光剂时,应注意控制其用量或进行有效的表面处理,以保证云母粉粒子在材料中的良好分散。

　　3·结论

　　1)较高聚合度聚氯乙烯树脂TK1300相对较低聚合度树脂TK1000更能降低材料光泽度。

　　2)交联聚氯