PVC-U管道用ACR抗冲改性剂塑化性能研究

黄海亮

（广东联塑科技实业有限公司，广东 顺德 528318）

0 引言

硬聚氯乙烯（PVC-U）管道具有低成本、高强度、低水流阻力、良好的水密性和防啃咬性等优点，是塑料管道市场中的重要成员[1-2]。而这种管道往往存在抗冲击性能较弱的问题，因此需要在配方中加入抗冲改性剂。市场上的抗冲改性剂种类繁多，其中就包括丙烯酸酯类抗冲改性剂（以下简称“ACR抗冲改性剂”）[3]。

目前行业技术人员日常都会通过对比塑化扭矩以及塑化时间的方法研究不同厂家的ACR抗冲助剂的塑化性能差异，但关于其用量对材料体系塑化特性影响的系统性研究较少开展，这并不利于管道生产技术人员全面了解不同原料特点及其潜在问题，容易对生产稳定性产生影响。为此，本文对不同厂家的ACR抗冲改性剂的塑化性能方面进行系统性研究，以期为行业技术人员开展原料筛选以及牌号转换工作提供参考。

1 实验原料设备

1.1 原料

聚氯乙烯树脂粉、钙锌热稳定剂、碳酸钙、钛白粉、润滑剂、加工助剂（聚丙烯酸酯类）以及来自不同厂家的ACR抗冲改性剂（下文分别将其称为“样品1”以及“样品2”），以上均为市售工业级原料。

1.2 仪器设备

X射线荧光光谱仪：SPECTRO XEPOS型，德国斯派克；傅里叶变换红外光谱仪：Nicolet iS10型，美国Thermo Scientific公司；差示扫描量热仪：DSC214型，德国耐驰公司；转矩流变仪：Polylab OS型，美国Thermo Scientific公司。

1.3 测试方法

（1）X射线荧光光谱仪（XRF）。采用X射线荧光光谱仪对两个样品的元素含量进行检测，选择直径32mm的带盖样品杯，将样品均匀铺满样品杯底部，并将样品杯密封后置于仪器规定位置，盖上仪器盖子，打开SPXEUserDig专用操作软件，选用FP-power（F）方法进行分析。

（2）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）。采用溴化钾压片法制备样品，并将其置于仪器中进行测试，波数范围为4000~500cm-1。压片具体步骤如下：称取150mg的溴化钾，研磨2min后烘干，加入10mg的样品后继续研磨10min，最后压成测试所需的片状。

（3）差示扫描量热分析（DSC）。氮气气氛，气体流速为50mL/min，测试温度范围为-70℃~200℃，升温速度为10℃/min，试样质量约为9mg。

（4）转矩流变测试。按照PVC树脂粉100份、碳酸钙15份、热稳定剂3.5份、钛白粉2份、润滑剂0.9份、加工助剂0.2份以及不同份数的ACR抗冲改性剂（0、2、4、6、8），并在高速搅拌机中搅拌2min，随后称取80g样品加入转矩流变仪中，在182℃以及25rpm的条件下开始试验，时间为12min。

2 数据分析

2.1 XRF测试

通过XRF测试可知，样品2中的金属元素（Mg：11.84%；Ca：6.57%；Al：0.79%）以及硅元素（13.4%）都比样品1中的金属元素（Mg：＜0.01%；Ca：1.26%；Al：0.44%）以及硅元素含量（1.57%）更高，证明可以证明样品2中无机物的含量更多，其中Si以及Ca这两种元素可能对应二氧化硅（SiO2）以及碳酸钙（CaCO3）。

2.2 红外谱图

图1 红外光谱图：A-样品1，B-样品2

在样品1的红外谱图中，2960~2850cm-1对应饱和C-H伸缩振动吸收峰，1735cm-1为C=O伸缩振动吸收峰，1380cm-1为-CH3的变形振动吸收峰，1246.3cm-1以及1146.69cm-1为C-O-C伸缩振动吸收峰，这些归属聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的特征峰[4]。

在样品2的红外光谱图中，3449cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰，2960~2850cm-1为饱和C-H伸缩振动吸收峰。1727cm-1为是C=O伸缩振动吸收峰，1242cm-1以及1160cm-1为C-O-C伸缩振动吸收峰，这些归属PMMA特征峰。1064cm-1对应CO32-中C-O对称伸缩振动吸收峰，878cm-1以及840cm-1对应CO32-的面内弯曲振动吸收峰，这些归属CaCO3的特征峰[5-6]。1019cm-1对应Si-O-Si不对称伸缩振动吸收峰，500cm-1~450cm-1范围的吸收峰对应Si-O-Si弯曲振动吸收峰，这归属SiO2特征峰[7]。

2.3 差示扫描量热测试（DSC）

从图2（A）中可以看出，-45.87℃附近的台阶归属聚丙烯酸丁酯（PBA）的玻璃化转变过程，而FT-IR的结果显示样品1中含有PMMA组分，结合相关资料[8]可以推断，样品1中的ACR粒子壳层比较薄，PMMA组分含量较低，在DSC测试中不容易检出对应的玻璃化转变过程。从图2（B）中可以看出，在-43.17℃处出现的台阶为样品2中PBA组分的玻璃化转变过程。另外，在83.92℃出现熔融峰对应甲基丙烯酸甲酯（MMA）与丙烯酸丁酯（BA）的共聚物（过渡层）受热熔融过程，而127.42℃的熔融峰可能对应PMMA交联层[8]，有利于提高壳层硬度。

图2 DSC谱图：A-样品1，B-样品2

2.4 转矩流变试验

（1）基础数据分析。

不同份数抗冲助剂的材料体系的转矩流变曲线如图3所示，塑化性能指标数据如表1所示，随后采用线性拟合的方式对其进行处理得到对应指标数据组的拟合直线斜率，其中样品2的三个指标对应的斜率（塑化扭矩：1.248；塑化时间：-0.264；平衡扭矩：0.481）绝对值都比样品1的三个指标对应的斜率（塑化扭矩：0.615；塑化时间：-0.178；平衡扭矩：0.364）大，证明样品2的三个指标的数据变化速度更快，样品2对同一PVC材料体系的塑化加速效果更明显，同时熔体粘度提升速度更快。这是因为样品2的ACR粒子PMMA壳层更厚更硬，一方面有利于加快树脂颗粒破碎速度以及传播热量与剪切力[9]，加快体系塑化速度，另一方面还会增加ACR粒子PMMA链段与PVC分子链的缠结程度，提高熔体流动难度，降低熔体加工流动性，因子会导致平衡扭矩更高。

图3 不同分量抗冲改性剂对应的转矩流变曲线图：A-样品1，B-样品2

表1 不同份量抗冲改性剂对应体系的塑化性能指标数据

（2）塑化速度综合评价。为了综合评价体系的塑化速度，本文不仅引入熔融因数fusion factor，简称F）对数据进行处理[10]，同时提出另一个全新的指标也用于评价体系的塑化速度。

通过王文治等人的研究可知，塑化扭矩与最小扭矩的差值越小，材料体系的凝胶度越高[11]，塑化时间也随之缩短，也就是塑化速度越快，因此可知“塑化扭矩与最小扭矩的差值”和“塑化时间”这两个参数都与体系的塑化速度成反比。因此，本文提出一个新的指标-“塑化速度因子（plasticizing rate factor，简称F1）”，并将其用于评价材料体系的塑化速度，其计算公式为F1=1/[(Tb-Ta)·t]，其中Ta为最小扭矩（Nm），Tb为塑化扭矩（Nm），t为塑化时间（min）。上述两个指标的计算结果如表2所示。

表2 熔融因数与塑化速度因子计算结果

通过表2的数据可以看出，无论采用哪个方法对体系塑化速度进行评价，在同样添加份数的条件下，样品2的数值都比样品1大，这表明样品2对体系的塑化加速效果更明显。这也是因为样品2中ACR粒子表面PMMA层更厚更硬，并且含有更多的碳酸钙以及二氧化硅等无机物，这些因素对于加快PVC树脂颗粒破碎并促进体系塑化是有利的[12]。

3 结语

通过XRF、FT-IR以及DSC的结果可知，样品1以及样品2均含有核壳两相结构的典型ACR粒子，其中样品1的ACR粒子表面的PMMA层比较薄，而样品2的ACR粒子壳层厚度更大且发生交联，硬度更高。另外，样品2中含有更多包括碳酸钙和二氧化硅在内的无机物。通过分析转矩流变试验的数据可知，由于ACR粒子壳层更厚更硬，同时含有较多无机物，导致样品2对体系的塑化加速效果更明显，同时熔体粘度更高，流动性稍差。