高耐热抗冲PVC复合材料制备及性能

汪杰 刘海 文胜 郑根稳 熊传溪

(1.湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北 孝感，432000;2.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉，430070)



高耐热抗冲PVC复合材料制备及性能

汪杰1刘海1文胜1郑根稳1熊传溪2

(1.湖北工程学院化学与材料科学学院，湖北 孝感，432000;2.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉，430070)

以液态高分子改性剂(LMM)、CaCO3及交联剂为原料，采用机械力化学改性的方法制备出表面交联包覆改性的CaCO3(记作CLCC)。将CLCC与聚氯乙烯(PVC)进行熔融共混制备出高耐热抗冲PVC/CLCC复合材料。当CLCC用量为5份时，PVC/CLCC复合材料的耐热性和抗冲击性能最佳，此时复合材料的的玻璃化转变温度出现最大值104.6 ℃，缺口冲击强度达5.8 kJ/m2。

聚氯乙烯 液态高分子改性剂 交联 耐热性 抗冲击性能

聚氯乙烯(PVC)因其具有较高的拉伸强度、阻燃性、耐化学腐蚀性及价格低廉等优点而得到广泛应用，但在生产和应用中仍存在耐热性和抗冲击性能差的缺陷。为了提高和优化PVC的性能，拓宽其应用范围，科研工作者做了大量有关PVC树脂的耐热和抗冲改性研究[1]。然而，PVC的耐热改性往往导致其抗冲击性能下降，而PVC的抗冲击改性大多是以牺牲其模量和耐热性为代价的。因此，PVC材料的耐热改性与抗冲击改性存在一定的对立性，制备同时具有上述两种性能的PVC材料成为当前研究的热点[2]。下面提供了一种机械力化学改性制备表面交联包覆CaCO3(记作CLCC)的方法，由此制备出PVC/CLCC复合材料并对其高耐热性和抗冲击性能进行研究。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PVC，SG-5型，贵州金宏化工有限责任公司；纳米CaCO3，粒径为40 nm，山西芮城华新纳米材料有限公司；液态高分子改性剂(LMM)，其主要成分为端羧基液态丁腈橡胶，自制；PVC助剂及交联剂，均为市售。高速混合机，Hk-200B，广州旭朗机械设备有限公司；微型密炼机，SU-70，常州苏研科技有限公司；简支梁冲击试验机，JC-25，承德精密试验机有限公司。

1.2 试样的制备

用天平称取一定量LMM溶于甲基丙烯酸羟乙酯中，同时添加N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺搅拌均匀，将上述物质作为A组分加入装有CaCO3的高速混合机中，高速混合2 min。另外称取一定量 LMM溶于甲基丙烯酸羟乙酯中，与此同时加入过氧化苯甲酰一起搅拌均匀，将其作为B组分添加于高速混合后的A组分中，继续高速混合2 min，得到交联LMM包覆改性的CLCC。将PVC与相应比例的助剂以及不同质量份的CLCC颗粒一起，用高速搅拌机混合，将上述混合好的物料进行密炼，温度控制在170 ℃，密炼时间为5 min，将制备的样品用热压机在180 ℃，10 MPa下预压1 min，30 MPa下压1.5 min，水冷1 min，得到4 mm的冲击试样。

1.3 性能测试

冲击性能：按照GB/T 16420—1996测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，冲击试验机的跨度调整为60 mm。

动态热机械性能：制备60 mm×10 mm×2 mm的试样，采用美国Perkin-Elmer DMA 7e型动态热机械分析仪测定，静态力为220 mN，动态力为200 mN，升温范围为25～150 ℃，升温速度为3 ℃/min，在空气中进行。

扫描电子显微镜测试：将PVC/CLCC复合材料的冲击断面经真空镀铂后，采用日本东芝公司的Toshiba S-4800型场发射扫描电镜进行形貌观察。

2 结果与讨论

2.1 PVC/CLCC复合材料的热学性能

图1为PVC/CLCC复合材料在不同CLCC用量的玻璃化转变温度(tg)。

图1 PVC/CLCC复合材料的tg分析

由图1可以看出，随着CLCC用量的增加，PVC/CLCC复合材料的tg呈现出先上升而后下降的趋势，在CLCC添加量为5 份时，复合材料的tg出现最大值104.6 ℃，比纯PVC树脂提高了15.4 ℃。

2.2 PVC/CLCC复合材料的冲击性能

图2为PVC/CLCC复合材料缺口冲击强度。

图2 PVC/CLCC复合材料的缺口冲击强度

从图2可以看出，随着CLCC用量的增加，PVC/CLCC复合材料的缺口冲击强度呈现先增加后下降的趋势。当CLCC用量为5 份时，复合材料的缺口冲击强度达5.8 kJ/m2，较纯PVC树脂提高了87.1%。

2.3 PVC/CLCC复合材料的形态结构

图3为PVC/CLCC复合材料断面的SEM图。

由图3可以看出，当CLCC用量为1 份时，其在复合材料断面分散较均匀；当CLCC用量增加至3 份时，复合材料断面开始出现少量的微纤，推测这可能是熔融共混过程中包覆于CaCO3表面的交联LMM在密炼机转子高速剪切作用下形成的；当CLCC用量为5 份时，复合材料断面中可见的微纤数目越来越多，大量微纤在PVC基体中倾向于形成三维网络状微纤结构；但当CLCC用量持续增加至10 份时，复合材料断面中可见的团聚体数目增多，而微纤数目减少，三维网络结构消失。

图3 不同CLCC用量PVC/CLCC复合材料断面的SEM分析

将图3(c)放大倍数提高后,得到PVC/CLCC复合材料的微观形貌(见图4)。

图4 PVC/CLCC复合材料SEM断面分析

熔融共混过程中交联LMM形成的三维网络状微纤结构从图4(b)中较为清晰的观察到。这种特殊的形态结构贯穿于PVC基体，且与PVC基体具有良好的界面黏结，同时赋予了PVC/CLCC复合材料良好的耐热性和优异的抗冲击性能。

3 结论

a) 通过机械力化学改性方法制备了LMM交联包覆改性CaCO3，并采用熔融共混法制备了PVC/CLCC复合材料。

b) CLCC能显著提高PVC材料的耐热性和抗冲击性能。当复合材料中CLCC用量为5 份时，交联LMM在PVC基体中可能形成三维网络状微纤结构，复合材料的耐热性和抗冲性能达最佳，其tg为104.6 ℃，缺口冲击强度为5.8 kJ/m2。

[1] 田满红,郭少云. 纳米CaCO3填充PVC复合材料的力化学增强增韧研究[J]. 聚氯乙烯,2003,(6):22-25.

[2] XIONG Y, CHEN G S, GUO S Y. The preparation of core-shell CaCO3particles and its effect on mechanical property of PVC composites[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006, 102(2): 1084-1091.

Preparation and Properties of PVC Composites with High Heat Resistance and Anti-Impact

Wang Jie1Liu Hai1Wen Sheng1Zheng Genwen1Xiong Chuanxi2

(1.Faculty of Chemistry and Material Science, Hubei Engineering University, Xiaogan,Hubei, 432000;2.School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei, 430070)

The surface cross-linked and modified CaCO3(defined as CLCC) was prepared by mechanochemical method with liquid macromolecular modifier (LMM), CaCO3and cross-linking agent. The PVC/CLCC composites with high heat resistance and anti-impact were also prepared through melt-blending CLCC with PVC resins. When the content of CLCC is 5 phr, the heat resistance and anti-impact property of the PVC/CLCC composite achieve maximum value. In this case, the glass transition temperature and notched impact strength of the composite respectively reach the maximum 104.6 ℃ and 5.8 kJ/m2.

poly(vinyl choride); liquid macromolecular modifier; cross-linking; heat resistance; anti-impact property

2015-09-16;修改稿收到日期:2016-07-01。

汪杰(1987—)，女，硕士，主要从事高分子复合材料的研究。E-mail:jiewang1987@gmail.com。

湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目(Q20142702)。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.005