环境温度对PVC低发泡板性能的影响

＊刘洁 张丽丽 邹鹏飞 杨康 马雪娇 田北平

（四川轻化工大学土木工程学院 四川 643000）

聚氯乙烯（Polyvinyl chloride），英文简称PVC，是一种热塑性聚合物，具有优良的性能，如耐燃烧、耐腐蚀、良好的机械性能和低价格，被大量用于薄膜、板材、管道、汽车部件和电缆材料[1-2]。然而，PVC的热稳定性限制了它的广泛使用。有研究表明：PVC的低热稳定性与PVC本身的不稳定结构片段有关，如相邻的C-Cl和C-H键或聚合物链的缺 陷[3]，这导致了PVC的变色，并且发生氧化反应，导致大分子链的裂解并影响PVC的机械性能[4]。

PVC低发泡复合板材是以PVC树脂为主要材料，辅以其他添加剂，包括稳定剂、润滑剂、增塑剂、填充剂、着色剂、改性剂等多种其他助剂进行共混，然后经过塑化而成，PVC低发泡复合板材具有质量轻、强度高、抗腐蚀能力强、优良的耐磨性、价格便宜等优点，而备受青睐，市场前景广阔，应用也越来越广泛[5]。PVC低发泡复合板材具有塑料的特性因此实际应用中环境因素对板材的性能是一个值得探讨的问题。吴春渝等[6]通过研究发现竹塑复合材料尺寸会受到温度的影响。

本文讨论了PVC低发泡复合板材在不同温度处理条件下，不同处理时间后的尺寸稳定性和力学性能。

1.试验部分

(1)原料

实验所使用的PVC树脂为实验室自制，发泡剂为偶氮二甲酰胺，发泡调节剂为发泡调节剂HF-100。

(2)仪器测试设备

电热恒温鼓风干燥箱：101-2A型，济南创日新仪器设备有限公司；

数显游标卡尺：量程150mm，德国MAHR马尔数显卡尺；

扫描电子显微镜（SEM）：VEGA3SBU型；

微机控制电子万能试验机：SANS-CMT4104型。

(3)测试方法

①工作性能

按照GB/T11982.1-2005进行，测试在不同温度下（-15℃、20℃、40℃）对同一方向的尺寸变化率，样品尺寸分别为360mm×360mm×10mm、240mm×240mm×10mm，每种处理温度测试3个样品，取平均值。

②力学性能

弯曲性能试验依据标准《塑料弯曲性能的测定》（GB/T 9341-2008）中规定的方法进行制样测定，样品尺寸80mm× 10mm×4mm，跨距64mm，加载速率2mm/min；拉伸性能实验方法按照《塑料拉伸性能的测定》（GB/T 1040.4-2006）中规定的方法通过哑铃制样机对复合材料进行制样测定，每次试验测试5组数据，最终结果取其平均值。

③断面微观形貌表征

对试验进行弯曲强度测试后，选取1个弯曲断面对其断面进行微观形貌表征。

2.结果与讨论

(1)尺寸稳定性

将制得的PVC低发泡板试件，通过电热恒温鼓风干燥箱对试件进行加热，加热温度分别为20℃、40℃，通过实验冰箱对试件进行冷藏，冷藏温度为-15℃，每隔24h分别用游标卡尺测量试件纵向、横向，用螺旋测仪测量厚度方向一次，每次测量结束后做好标记保证每次测量点都在同一个位置。

①同一尺寸试件在不同方向的尺寸变化率

图1～图2是处理时间为120h，不同处理温度下PVC低发泡板的横向和纵向、厚度尺寸变化率。研究发现PVC低发泡板在同一尺寸下，不同温度条件下尺寸均有变化，在20℃状态下，横向与纵向尺寸变化略有膨胀，但可忽略不计，厚度方向尺寸无变化；在加热40℃状态下，各方向尺寸均有收缩，在第96～120h后趋于稳定，其中纵向收缩变化率＞横向收缩变化率＞厚度收缩变化率，这是由于PVC低发泡板通过加热挤出→成型冷却→出料牵引→切割下线的制备过程，材料内部的PVC分子序列从有序变为无序[7-8]，制备过程中板材切割下线是沿纵向切割，因此在纵向产生内向应力，导致加热后尺寸变化率较大。而热处理后消除了部分内应力，导致加热尺寸变化率减小[9]，即试验结果显示尺寸有收缩现象。

图1 PVC低发泡板（360mm×360mm）在不同温度（-15℃、20℃、40℃）各方向尺寸随时间变化

图2 PVC低发泡板（240mm×240mm）在不同温度（-15℃、20℃、40℃）下各方向尺寸随时间变化

在-15℃冷藏状态下，各方向均有收缩，这主要是低温将PVC低发泡板材的分子“冷冻”，并让其保持“静止”状态，内应力对板材有一定的压缩比，所以导致板材横向、纵向、厚度略微减小。

通过对比两种不同尺寸在同一温度下的尺寸稳定性发现，在20℃时，两个尺寸各方向的尺寸变化基本保持一致，即厚度无变化，横向尺寸变化率0%～0.03%，纵向尺寸变化率0%～0.02%，由于实验地点在一楼，地处四川潮湿环境，因此水分子也会在室内环境中被板材内部吸入，即有吸水膨胀的现象；在40℃时，240mm与360mm的样品在厚度方向呈收缩趋势，平均变化率-0.2%，240mm与360mm的样品纵向尺寸变化率分别平均为-0.11%和-0.107%，总体差异不大，240mm与360mm的样品在横向尺寸变化情况与纵向保持一致，在-15℃冷藏状态下，各尺寸各方向均收缩。在实际应用中，特别是在夏季高温，板材的尺寸效应对板材尺寸收缩的影响不大。

(2)力学性能

在20℃时，试样的拉伸强度最大，随着温度的升高或减小，拉伸强度也在减小，当温度降至-15℃，对于试样测试结果而言表现出强度降低，模量增大。对于界面相互作用，温度的降低，PVC的收缩比使界面摩擦力得到增强[10]，在-15℃时，温度的下降导致水分子在PVC低发泡板中由液态变为固态，使界面之间的结合增强[11]。由于PVC低发泡板制备过程中加热挤出后冷却成型，在挤出过程中PVC有向外分布的趋势，而低温时致使外部的PVC收缩，也因此板材良好的密实性让其有较好的力学性能。在40℃时，PVC低发泡板的拉伸强度与拉伸模量较20℃时整体降低，这是因为板材中原来的PVC并未分布均匀，温度升高导致的热膨胀更增加了PVC低发泡板的应力集中点[12]。以上分析说明温度对PVC低发泡板拉伸性能有较大影响，实际应用时需考虑环境温度。

与拉伸强度类似，由图3(a)可知，当温度分别由20℃降至-15℃和升高至40℃时，弯曲强度和弯曲模量整体降低，复合材料的整体均匀性对材料是弯曲模量有影响的[13]，从图4(b)可知，室温状态下的扫描电镜断裂面更加平整，光滑断面所占面积多，图4(a)中电镜图片显示试样各处均有大大小的“空穴”，同样图4(c)的扫描电镜出现了很多褶皱，这也说明了温度在-15℃和40℃是试样弯曲模量降低，是因为两种温度状态时光滑断面所在面积减少。

图3 各温度下弯曲强度/拉伸强度与弯曲模量/拉伸模量

图4 试样弯曲断面扫描电镜

另一方面，PVC低发泡板所添加的发泡剂为偶氮二甲酰胺，温度的升高，使得复合发泡板材中的气泡聚集现象加剧，板材内部出现坍塌现象，如图5(c)所示，偶氮二甲酰胺导致反应释放出的热量破坏了板材内部结构，使聚合物的熔体黏度急剧下降，聚合物因局部过热而降解，导致板材的力学性能下降[14]。

3.结论

（1）试验中各温度对板材尺寸稳定性的影响结果显示：20℃下三个方向的尺寸保持不变；在加热40℃状态下，各方向尺寸均有收缩，在第96～120h后趋于稳定，其中纵向收缩变化率＞横向收缩变化率＞厚度收缩变化率；在-15℃冷藏状态下，各方向也均有收缩。

（2）通过对比两种不同尺寸在同一温度下的尺寸稳定性发现，在实际应用中，特别是在夏季高温下，板材的尺寸效应对板材尺寸收缩的影响不大。

（3）力学性能中，温度对PVC低发泡板拉伸、弯曲性能有较大影响，实际应用时需考虑环境温度。