一种聚氯乙烯材料的制备加工与性能测试
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【摘 要】本文主要根据聚氯乙烯（PVC）材料的工业生产微型化实验研究硬质及软质PVC棒材的制造与成型加工以及力学性能测试。通过向基体树脂PVC中加入不同含量的DOP来改变材料的力学特性，在万能材料试验机上进行力学性能的测试，得出了不同DOP含量对于PVC材料力学特性（如弹性模量，拉伸强度，断裂伸长率）的影响规律。
【关键词】微型实验；聚氯乙烯；合成；成型加工；力学性能测试
0 前言
PVC是由氯乙烯单体经过加成聚合反应制得的热塑性树脂，目前是五大通用树脂之一。PVC树脂价格低廉，不易燃，综合性能优异，用它可以制成薄膜，硬管，纤维，人造革，它也是塑料建材的主要原料。PVC树脂可以被制成软质或硬质制品。制品的“软”“硬”很大程度上决定于成型配方中增塑剂的含量。增塑剂是一种加入到材料中以改进它们的加工性、可塑性、拉伸性但不会改变被增塑材料基本化学性质的物质。加入增塑剂，可以降低PVC 分子链间的作用力，使PVC 塑料的玻璃化温度、流动温度与所含微晶的熔点均降低，提高树脂的可塑性和耐低温性能。增塑剂改性PVC 主要作用有两点： 一是降低PVC 的熔融温度和熔体黏度，从而降低其加工温度，二是赋予PVC 制品以柔软性、弹性和耐低温性能。增塑剂按其作用原理和作用方式， 可分为内增塑剂和外增塑剂两种[1]。PVC的增塑机理主要有两种[2]，一种是体积效应，主要是对非极性增塑剂而言，其作用机理是将非极性增塑剂的分子插入树脂的分子链中间，增大分子间的距离，从而削弱分子间的作用力，降低熔体黏度，增加分子链的柔顺性。此类增塑剂的加入量越多，其体积效应越大。另一种是屏蔽效应，主要是针对极性增塑剂而言，其作用机理是用极性增塑剂与极性聚合物之间的相互作用代替了聚合物之间的极性引力，从而削弱了分子间的作用力，降低熔体黏度[3]。邻苯二甲酸二辛酯（DOP）是PVC塑料制品不可缺少的主要增塑剂，它与树脂相容性好，耐各类溶剂，萃取性优良，在聚氯乙烯产品的配方组成中稳定性好。因此了解增塑剂的用量对PVC材料硬度的影响和变化规律对工业生产有重要意义。
1 实验部分
1.1 原料与试剂
聚氯乙烯（PVC）树脂（P2500，北京化工二厂生产）；邻苯二甲酸二（2-乙基己）酯（DOP）；硬脂酸钙（CaSt）；硬脂酸锌（ZnSt）
1.2 设备和器皿
设备：XJ-01型塑料挤出机（吉林大学科教仪器厂）；热机分析仪（TMAQ400EM，美国TA仪器公司）；电动搅拌器；油浴锅；万能材料试验机（Instron 3366，英斯特朗公司，美国）；电子天平（精确度为0.01g）；
器皿：单口圆底烧瓶二个（100ml，250ml）；两口圆底烧瓶一个（100ml）；烧杯三个（50ml.100ml.200ml）；水银温度计一支；玻璃吸管；试剂瓶（磨口，100ml）一个；药匙；
1.3 配方
将DOP在PVC中的含量分为十个梯度分别标注为p-1至p-10，p-0为基准物，PVC和钙锌复合稳定剂分别为100份和5份，p-0中DOP的含量为0份，然后每次增加10份，如p-2含量为20份，p-5含量为50份，（每100份实际操作中代表6g，DOP和热稳定剂的实际用量依此类推）。
1.4 实验方法
①钙锌复合热稳定剂的准备：准确称取23g CaSt，7g ZnSt，先后加入至250ml单口原底烧瓶中，机械搅拌5分钟，停止搅拌，静置十分钟后出料，装入试剂瓶中备用。
②PVC树脂的增塑剂吸收和物料混配：按照配方先将PVC树脂加入至100ml的圆底烧瓶中，再将DOP滴入。烧瓶置于95摄氏度水浴中，高速混搅10分钟，搅拌速度500-600转/分，使DOP被PVC充分吸收。停止搅拌，静置三分钟，加入钙锌复合稳定剂，继续混搅5分钟，冷却，出料，装入试剂瓶中备用。
③PVC棒材的挤出成型：将挤出机的温度设于180摄氏度，预热一个小时。PVC复配物料从加料口加入，连续挤出得到棒状制品。
④清洗挤出机料口和螺杆。
1.5 样品的拉伸力学性能测试
将得到的棒状PVC产品截断成140mm长的样品，每种配方取5个样品。用游标卡尺测量每跟样品的直径（每个样品测量五个部位，然后取均值）。在万能材料实验机上进行拉伸实验。
拉伸实验条件：
环境温度：25℃左右，环境湿度：RH50%左右，数据跟踪方式：应力-应变，横梁速度：100mm/min，传感器：1.0KN
2 结果与讨论
2.1 实验结果
根据实验所得到的10组数据，通过绘制应力-应变曲线和对曲线前面较平滑的部分进行线性拟合可以得到弹性模量，断裂伸长率，拉伸强度等数据。将每种配方得到的不同样品的数据进行平均计算，可得到“表1”即 十种配方与其产品所对应的弹性模量，断裂伸长率和拉伸强度。再将表中的数据绘制成三个散点图，（Fig1，Fig2和Fig3）分别表示出DOP的用量对产品的弹性模量，断裂伸长率和拉伸强度的影响。
2.2 结果分析
从图1第一和第三两图可知PVC样品中DOP含量增大，拉伸强度，弹性模量均下降，即体系的拉伸强度，撕裂强度均呈下降趋势。其中2号样品出现了明显的屈服现象。这是因为DOP是一种中等粘度的液体增塑剂，与PVC相容性较好，其增塑PVC树脂具有较好的粘度稳定性。从结构上看，DOP含有苯环，在高温下与PVC混炼时DOP分子插入到PVC分子链间，DOP的酯基偶极与PVC的偶极相互作用并使DOP的苯环极化，于是DOP与PVC分子链很好地结合在一起。由于DOP的非极化部分的亚甲基链不极化，它夹在PVC分子链间，增大了氯原子间的距离，削弱了PVC分子中链段间作用力，相当于增大了PVC链段的长度，降低了PVC链段移动所需能量。因此随着DOP用量增多，这种隔离作用也越大，从而使高聚物拉伸强度，撕裂强度均下降。由图1第二幅图可知，随DOP含量的增加，断裂伸长率也增加。原因在于随着DOP的增加，其在破坏界面相容性和增大高分子链间距方面的作用都在增大。
3 结论
随着DOP用量的增加，在单纯的PVC体系中，材料的加工性、断裂伸长率都有了明显的改善。这是由于当DOP的含量较高时，高分子链间的相对运动能力增加，高分子链的结晶性降低，高分子材料的塑性提高，从而致使断裂伸长率增加。但同时由于DOP的加入，增大了高分子链间的距离，削弱了它们之间的范德华力，从而使高聚物拉伸强度、撕裂强度和硬度明显下降。DOP作为PVC增塑剂，在聚氯乙烯材料中具有广泛的应用。PVC材料中DOP的加入，改变了分子结构，从而影响了其力学性能。通过微型实验可知，PVC材料中DOP含量越高，样品的断裂伸长率越大，硬度，拉伸强度以及弹性模量越低。且通过相关文献得知微型实验结果与工业生产中得到的经验以及数据相符，说明微型实验具有代表性。
【参考文献】
[1]牛永生贾庆超.PVC 塑料增塑剂邻苯二甲酸酯类的应用研究[Z].塑料门窗专栏.
[2]雍奎刚，刘忠科，刘宝钊.PVC无毒增塑剂的应用和发展[Z].塑料科技，2007，35.
[3]王文广.塑料配方设计[M].北京：化学工业出版社，1998.
[责任编辑：汤静]
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