PVC/VC-BA/有机膨润土熔融插层复合材料制备及性能的研究

新疆中发化工有限责任公司 （石河子 832000） 贺盛喜

聚氯乙烯（PVC）是世界上用量最多的通用树脂之一，其制品因具有强度高、耐油、耐化学药品且价格低廉等特点而广泛应用，但因其冲击性能低、耐低温性不良等缺点而使其应用受到了限制，为了提高和改善PVC的性能，将对其进行改性。随着纳米技术的兴起和发展，利用纳米粒子具有表面积大、表面原子处于高度活化状态及其与聚合物界面强的相互作用等性质，研制聚合物/纳米粒子熔融插层复合材料已成为新的研究热点。膨润土具有层状的结构，各相邻的片层间具有较大的初始间距，以及可交换的层间阳离子，可利用离子交换的方式将其层间距扩大到允许聚合物分子链插入的程度，容纳旋转半径为几十纳米的聚合物分子链，从而可制备性能优异的插层纳米复合材料。文中以氯乙烯/丙烯酸丁酯（VC/BA）共聚树脂和有机膨润土经过熔融插层制成（VC/BA）/有机膨润土复合母粒，再与PVC进行共混，通过二级分散以进一步提高纳米粒子在聚氯乙烯基体中的均匀分散程度，利用有机膨润土和VC/BA共聚树脂，共同对PVC进行改性，研制性能优越的PVC/（VC/BA）/有机膨润土熔融插层复合材料。

1 试验部分

1.1 试验材料

有机膨润土，实验室自制；PVC，SG-5型，石河子中发化工有限责任公司；氯乙烯-丙烯酸丁酯共聚树脂（VC-BA），石河子中发化工有限责任公司；助剂，CPE（氯化聚乙烯），工业级；ACR-401（聚丙烯酸酯），工业级；复合铅盐，工业级。均为市售。

1.2 主要设备仪器

高速混合机，GH-10，北京塑机厂；万能制样机，ZHY-W，河北承德实验机厂；塑炼机X（S）K-160型；平板硫化机XLB-D/Q400×400型，上海第一橡胶机械厂；电子万能实验机，WDW-100型；维卡软化点实验机，深圳新三思材料检测有限公司，ZWK-300型；简支梁冲击实验机，承德精密试验机有限公司；XJJ-5J；扫描电子显微镜，日本电子公司，JSM-6490LV。

1.3 共混成型工艺

PVC/VC-BA/有机膨润土熔融插层复合体系成型工艺分为一次成型和二次成型工艺。有机膨润土熔融插层一次分散成型工艺为：PVC树脂、有机膨润土、VC-BA共聚物和其他助剂，经过捏合、混炼、压制成标准试样。有机膨润土熔融插层二次分散成型工艺：有机膨润土、VC-BA共聚物经捏合、混炼为（VC-BA）/有机膨润土复合母粒，再同PVC树脂与其他各种助剂进行捏合、混炼、压制成标准试样。

1.4 分析测试

SEM分析：将冲断后的样条表面喷金，在扫描电镜下观察其断面形貌。

复合材料性能测试：按GB/T8804.2-2003标准，测试复合材料断裂拉伸强度和断裂伸长率；按GB/T8802-2001标准，测试复合材料的维卡软化点；按GB/T8814-1998标准，用简支梁冲击实验机测试其抗冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 不同成型工艺对材料力学性能的影响

表1 不同成型工艺对材料力学性能的影响

表1是完全相同的二组配方分别按不同工艺所制的复合材料的力学性能，从表中可知与纯PVC相比，一次分散成型的复合材料的断裂伸长率增加、拉伸强度下降，抗冲击强度有少量提高，而二次分散成型的断裂伸长率、拉伸强度和抗冲击强度均有大幅度的提高，且远远高于一次分散成型的。这是由于：在外力作用下，片状的膨润土粒子有可能沿拉伸方向彼此滑移并且取向，因而有利于复合材料拉伸柔韧性的提高及抗冲击韧性的提高。二次分散成型工艺和一次分散成型工艺相比，由于增加一道成型工艺，势必有利于高分子材料插层到有机膨润土中，在外力作用下，形成了纳米粒子，从而降低分散相粒子的尺寸，减小应力集中，使得二次分散成型的拉伸强度高于一次分散成型的拉伸强度；又由于膨润土是片状结构，随着加工的进行，纳米粒子数量就越多，粒子之间的距离就越近，不同粒子之间产生的银纹之间的干扰就越大，这样易诱发基体产生剪切屈服和塑性流动，所以二次分散成型的断裂伸长率高于一次分散成型的。同样道理，随着有机膨润土熔融插层程度的增加，分散相粒子越小、数量越多，复合材料在受到冲击时，引发的银纹就越多，能吸收更多的冲击能量，并更易诱导基体发生屈服形变，使复合材料的断裂机理由银纹方式向剪切方式转变，吸收更多冲击能量，因此二次分散体系的冲击强度远远高于一次分散体系的。由此可见二次分散成型工艺更有利于PVC性能的改善。

2.2 PVC/VC-BA/有机膨润土不同配比的熔融插层复合母粒对材料力学性能的影响

表2 VC- BA、膨润土用量对材料力学性能的影响（PVC质量计为100%）

由表2看出，由VC-BA和有机膨润土所组成的复合母粒对PVC进行改性时，随复合母粒用量的增加，材料的拉伸强度逐渐上升，当PVC与母粒质量比为100∶8，目粒中VC-BA与有机膨润土的质量比为5：3时，材料的拉伸强度为58.4MPa，此时材料的冲击强度也大幅度提高，抗冲击强度达到18.7kJ/m2。复合母粒中随VC-BA用量的增加，材料的抗冲击强度逐渐升高，而拉伸强度也逐渐增大，在5%左右出现最大值；随有机膨润土用量的增加，材料的拉伸强度逐渐升高，在3%左右出现最大值，之后又逐渐下降，但材料的拉伸强度均高于纯PVC，材料的冲击强度随着有机膨润土用量增加而有所改善，在3%左右出现最大值，之后又逐渐下降。这是由于因为插层于有机土层片之间的PVC分子链，由于与有机土层片之间的偶极相互作用和空间受限作用，活动能力受限，从而引起拉伸强度增大；同时由于纳米粒子的集中能有效地引发银纹、阻止银纹和诱导基体产生剪切屈服吸收更多的冲击能；在外力作用下，片状的膨润土粒子有可能沿拉伸方向彼此滑移并且取向，共聚树脂中丙烯酸丁酯的柔软性，因此材料的断裂伸长率能得到很大的提高。这说明母粒中VC-BA和有机膨润土在PVC基体中起到了协同增韧的作用。材料的维卡软化点变化不大，在当PVC与母粒质量比为100∶9时，达到最大值，而超过这一比例时，材料的维卡软化点又有所降低。

2.3 PVC/VC-BA/有机膨润土复合材料的SEM分析

从图1中看出一次工艺成型的材料的断面形貌，断面整齐、均匀，有明显的颗粒孔状，为脆性断裂特征；而图2为二次工艺成型的材料的冲击断面形貌，其断面呈抛物线韧窝，有拉伸状，显示出明显的韧性断裂特征。

3 结语

将VC-BA和有机膨润土先制成熔融插层复合母粒，再与PVC树脂进行共混的二次分散成型工艺，有利于有机膨润土纳米片状粒子在基体中的分散，所制材料的力学性能明显高于将三者直接进行共混的一次性分散成型的工艺，当复合母粒中VC-BA和有机膨润土的质量比为5∶3时，材料的综合力学性能达到最佳；复合母粒中的有机膨润土对材料具有补强作用，有机膨润土和VC-BA能协同增韧PVC，大幅度提高材料的抗冲击性能。

[1]欧玉春.刚性粒子填充聚合物的增强增韧与界面相结构[J].高分子材料科学与工程，1998，14（2）：12-15.

[2]容敏智,章明秋,郑永祥,等.纳米SiO2增韧增强聚丙烯的界面效应与逾渗行为[J].复合材料学报，2002，19（1）：1-4.

[3]漆宗能.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践[M].北京：化学工业出版社,2002

[4]郑玉婴,王灿耀,傅明连.硬聚氯乙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能[J].高分子材料科学与工程，2005，21（5）：293-296

[5]甄卫军.李志娟.祁新萍，等.PVC/膨润土复合材料制备及其性能研究[J].非金属矿，2007，30（2）：24-26.