氯乙烯-丙烯酸丁酯共聚树脂在农业用PVC-U管材加工中的研究与应用

宋晓玲，黄 东，魏 东

（1.新疆天业集团，新疆 石河子832000；2.新疆石河子中发化工有限责任，新疆 石河子832000）

硬质聚氯乙烯（PVC-U）管材具有施工方便、输水阻力小、使用寿命长、环刚度高、防腐效果好、运行管理方便等优点，在新疆节水灌溉工程输配水管道方面得到了很好的运用，其中，新疆棉花“膜下滴灌”系统中50%以上的器材（设备）是由硬质聚氯乙烯管材构成。 2010 年，新疆“膜下滴灌”保有面积达2 440 万亩（其中，兵团为1 040 万亩）位列全国第一。鉴于中国人均水资源缺乏的严峻形势，农业节水灌溉规模近年还会快速增长， 将为滴灌用硬质聚氯乙烯管材提供了前所未有的市场机遇。随着PVC 管道在设施农业中的推广与应用， 其缺点也逐渐暴露出来，主要表现在秋冬季低温施工的装卸、安装过程中受撞击易碎； 额定压力下管路试水试验经常出现局部开裂，表现出韧性较差的特点。

如何确保制品同时具有刚性和韧性， 这是长期以来人们一直研究的课题。 本文介绍一种新开发的具有与聚氯乙烯树脂协同增韧作用的共聚树脂来生产加工聚氯乙烯管材，仍然采用传统的共混方法，将氯乙烯—丙烯酸丁酯共聚树脂（VC-BA）直接投入原配方体系中进行混合，挤出成型，由于VC-BA 树脂具有内增塑和提高低温冲击性能的作用， 在成型加工过程中能有效降低物料的黏度，缩短塑化时间，提高物料流动性， 与原配方相比， 共混体系的加工性、管材制品柔韧性及尺寸稳定性能均得到提高。

1 试验部分

1.1 原材料

主要原材料包括：PVC 树脂（SG-5）：新疆石河子中发化工有限责任公司；（VC-BA）共聚树脂（TYVA-6）：新疆石河子中发化工有限责任公司；热稳定剂SMS318：德国熊牌；润滑剂：江苏江阴塑料助剂厂；轻质CaCO3：地产；炭黑：地产。

1.2 主要设备

高速混合机，GH-200H，北京塑料机械厂；

挤出机，Ø 90 平行双螺杆， 巴顿菲尔震雄塑料设备有限公司；

万能试验机，CMT5000，深圳新三思材料检测有限公司；

冲击实验机，CHARPY XCJ-50， 河北承德精密试验机有限公司；

维卡热变型仪，CEAST6911，河北承德精密试验机有限公司；

管材静液压爆破试验机，XGY-10，天津格特斯检测设备技术开发有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）与聚氯乙烯树脂共混物的制备

该配方是在给水用聚氯乙烯（PVC-U）管材原配方组份基础上直接加入10 份TYVA-6 型VC-BA树脂进行混合。其他主要原材料及助剂的用量（质量份）分别为，PVC 树脂（SG-5）100 份；轻钙10 份（原配方为5）；热稳定剂3 份；润滑剂、炭黑颜料等适量（已通过转矩流变仪测试，属于合理配方范畴）。 按照生产工艺要求， 将经过精确称量的主辅料分别加入到高速混合机热混仓中， 料温控制为120 ℃，混料10～12 min 后，排料转入冷混，冷混温度控制为45 ℃，放料至储料仓。

1.3.2 聚氯乙烯（PVC-U）管材挤出成型加工性能

本实验样品采用巴顿菲尔震雄塑料设备有限公司Ø 90 平行双螺杆挤出机挤出， 以生产Ø 160×4.0规格为例进行后续研究测试实验。 聚氯乙烯管材挤出机的温度控制是加工成型的重要工艺条件， 由于挤出机结构及型号工作机理不尽相同， 模具流道结构、 不同用途PVC 管材产品原辅料配方也存在差异， 因此，PVC 管材企业对PVC 管材挤出设备温度控制都有相应工艺要求。一般PVC 树脂挤出机沿着物料流动方向的温度被设定成两头高中间低的马鞍型， 以保证挤出过程中产生的扭矩平均分配在整个螺杆上， 并使挤出机机头压缩段中塑化树脂的在保持较高的压缩比的前提下维持适当的料压， 这样挤出的管材制品塑化效果好、壁厚均匀。

本试验研究聚氯乙烯（PVC-U）管材挤出成型加工工艺采用气力输送装置将混合好的干混料直接加入挤出机强制加料斗中，在喂料螺杆的作用下，将干混料加入到挤出机机头中。 干混料通过吸收挤出机电磁加热装置输出的热量， 在螺杆的转动和挤出机钢桶内壁的摩擦作用逐渐塑化沿挤出机身轴线向机头移动，然后，充分塑化定型。被加工的PVC 共混料经历了从粉状物、初塑化弹性固体、黏流态、塑化管材制品的一系列过程。

1.3.3 聚氯乙烯（PVC-U）管材产品物理性能测试

拉伸强度测试按GB/T1040—1992 要求将板材切成哑铃形样条， 用电子万能试验机测试； 冲击试验、爆破压力、维卡软化点等指标根据GB/T10002.1《给水用聚录乙烯（PVC-U）管材》检测标准，分别将生产的Ø 160×4.0 给水管按不同检测指标要求切割成标准长度进行产品性能测试。

2 结果讨论

2.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）的增韧机理

氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）共聚树脂是一种丙烯酸丁酯与氯乙烯接枝共聚物， 属于一种弹性体对氯乙烯的化学改性树脂。 由于丙烯酸丁酯醇碳链较长，共聚物的软化温度降低，柔软性提高，属于软性弹性功能团，它赋予共聚树脂很高的抗冲击性能。此外，（VC-BA）共聚树脂对PVC 树脂具有明显的内增塑性能，并兼具优良的耐老化性和持久柔顺性，可有效提高制品的加工流动性和抗冲击性能， 使制品表面光泽、耐候性、尺寸稳定性明显改善。所以，作为一种硬质聚氯乙烯管材改性材料，（VC-BA）共聚树脂在欧美等发达国家已经得到了比较广泛的应用[2]。

2.2 挤出加工与塑化性能

原配方与改性配方的挤出工艺控制条件见表1。

挤出机各段的温度控制对PVC 塑料管材的成型及制品的内在质量起着重要的作用。 表1 数据显示， 在挤出机各温区温度设定值和螺杆转速相同的情况下，新添加了10 份（VC-BA）共聚树脂和5 份填料配方与原配方的控制工艺相比， 主机扭矩和熔融压力明显下降，共混料的熔融温度也下降了5 ℃。表明（VC-BA）共聚树脂与PVC 树脂具有良好的相容性，加速了PVC 粒子的破碎进程，在增加了无机填料的情况下，能使PVC 共混物料黏度降低，内增塑作用比较明显；由于机头内的PVC 共混料熔融压力的下降， 可以适度提高喂料电机转速， 增加喂料量，牵引速度由1.70 m/min 提高至1.78 m/min，挤出效率提高了4.7%。 另外，缩短了物料在挤出机内受热时间，减少了其受热老化概率，避免了管材塑化过度情况的发生。在加工成型过程中，挤出机钢桶的抽真空操作也是一项关键控制指标，真空度偏低，影响物料中夹杂的空气排放， 易造成管材中夹带气泡和表面粗糙，影响产品的外观和物理性能。 反之，物料将会被吸出堵塞真空装置。

表1 原配方与氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）改性配方的挤出工艺控制条件

2.3 塑化产品的物理性能

采用原配方与改性配方生产的PVC 树脂的性能指标见表2。

从表2 测定的数据看出，（VC-BA）共聚树脂改性配方所制得材料各项检测指标均得到了不同程度提高，产品合格率达到了100%。 因为（VC-BA）共聚树脂与轻质碳酸钙在混料工艺的投料顺序上先于PVC 主料完成了一道预混工序，可以产生一定数量结构规整的CaCO3/（VC-BA） 共聚树脂核壳结构复合粒子[2]，能以化学键牢固地与聚氯乙烯键合，使塑化后的PVC 材质更均一，强度增加。另外，（VC-BA）共聚树脂中的弹性体粒子以颗粒状均匀地分散于基体连续相中，形成宏观均相、微观分相（海-岛相）结构[3]。 弹性体粒子充当应力集中体，诱发基体产生大量的剪切带和银纹。 大量剪切带和银纹的产生和发展消耗了大量的能量， 从而使材料的冲击强度大幅度提高。粒子又可终止银纹和剪切带的发展，使其不致发展成为破坏性的裂纹， 较好地诠释了弹性体对PVC 树脂增韧机理。

表2 两种配方生产的材料的性能测定结果

3 结论

（1）（VC-BA） 共聚树脂与PVC 配方体系共混时，相容性好，使无机项分散更均匀，在加工过程中，物料塑化时间短，挤出稳定，流动性好。因此，在生产过程中， 可以在挤出机主机电机额定输出功率范围内，适当提高挤出机喂料螺杆和挤出螺杆转速，提高牵引速度，实现增产与增效。

（2）在原配方基础上新增5 份轻质碳酸钙，扣除（VC-BA）共聚树脂配方成本增加因素，每吨给水管共混料配方成本可降低150 元左右。 若考虑能耗降低及生产效率的提高等产生的间接效益， 产品的成本的降低幅度更大。

（3）PVC-U 给水管材韧性和刚性的提高对冬春季节安装施工意义重大，可有效避免由于PVC 材料低温脆性缺陷形成的工程隐患，降低使用维护成本。（VC-BA）共聚树脂增韧改性滴灌用PVC-U 给水管材产品质量的提升有助于企业产品推广与应用，对促进西部干旱地区农业节水滴灌技术的发展也具有较好的推动作用。

［1］周俊华.氯乙烯-丙烯酸酯共聚树脂生产技术进展.聚氯乙烯，2007，（5）：4-5.

［2］邢胜男，等.聚氯乙烯增韧改性剂的合成及共混改性研究.塑料工业，2006，34（3）：57-58.

［3］熊 英，陈光顺，郭少云.聚氯乙烯增韧改性研究进展.聚氯乙烯，2004，（2）：1-6.