PVC复合材料应用研究进展

2022-12-22陈媛媛杨建中欧阳司晨

广州化工 2022年21期

徐伟，陈媛媛，杨建中，欧阳司晨，庞磊

(宜宾天亿新材料科技有限公司，四川宜宾 644600)

聚氯乙烯塑料具有良好的物理性能、耐化学性能和电绝缘性能，而且隔音、防震，原料来源丰富，是目前产量仅次于聚乙烯的第二大通用塑料[1]。聚氯乙烯塑料分为硬质和软质两种。硬质塑料可用作绝缘、隔音、保暖、防震、包装材料和水上救生用品等；软质塑料可作精密仪器的包装衬垫、火车汽车的坐垫以及日常人民生活用品等。

然而硬质聚氯乙烯塑料的冲击性能差、耐热性不佳和可加工性不良，因此，如何发挥其不同方面的优势使其应用于不同领域，是PVC塑料工程化的热门[2]。经过改良的PVC复合材料根据其不同的特性和应用领域主要分为以下几种：高强高模PVC复合材料、隔音减震PVC复合材料、阻燃抑烟PVC复合材料。本文主要介绍这几种PVC复合材料的研究进展。

1 高强高模PVC复合材料应用于抗洪抢险领域

防洪抢险用的材料应具备高强度、高模量、防渗性能好、稳定等特点，才能在防洪抢险中能发挥操作便捷、施工速度快等作用。

高强度塑钢板桩[3]采用强化聚氯乙烯复合材料经特殊工艺一次挤压成型，具有材质轻、隔水性能好、抗老化、耐腐蚀、使用寿命长、可重复使用和可回收利用等特点，是一种环保、便捷的桩基，并且具有施工占地面积小，便于搬运堆放，绿色环保及无污染等优势，在缩短施工工期、减小施工作业面，符合国家倡导“以塑带钢”、“以塑代木”的新材料应用和节能环保政策；塑钢板桩对周边环境影响小，利于保护生态环境。水利部将塑钢板桩列入《2016年水利先进实用技术重点推广指导目录》，已广泛应用于防洪、排涝、防塌方及防泥石流等自然灾害抢险救灾及工程建设。

图1 聚氯乙烯复合材料制成的塑钢板桩

魏刚等[4]研究了基体韧性、纳米CaCO3直接填充于用CPE包覆后填充PVC对复合材料力学性能的影响，并对其微观结构进行了探讨。结果表明，选择合适的树脂有助于获得较高的冲击强度；CPE处理填充体系冲击强度均比未使用CPE处理填充体系的低，但是拉伸强度则恰好相反，包覆2份CaCO3时，所制得复合材料的冲击强度比8份PVC/CPE复合材料的低12%，而拉伸强度比基体的高约8.9%[4]。

武德珍等[5]将纳米CaCO3与CPE等制成母粒，再将母粒与PVC及助剂进行共混，制备了高强超韧的PVC合金，结果表明：纳米CaCO3和CPE是以软壳-硬核的结构分散在PVC基体中，使用较少量的CPE即可达到显著的增韧效果，说明纳米CaCO3和CPE对PVC起到了协同增韧的作用，同时纳米CaCO3的加人还具有补强作用。

李雪健[6]采用球磨法对聚氯乙烯(PVC)和氯化聚乙烯(CPE)进行固相力化学处理，制备得到复合粒子MGC。与PVC/CPE相比，PVC/MGC复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度分别提高了1.39%、92.11%和472.91%。

黄宸等[7]采用PVC糊树脂为基料，固定增塑剂与热稳定剂的添加量，制备了一系列不同CaCO3含量的PVC涂料，研究了CaCO3含量及粒径大小对PVC涂料流变性能和力学性能的影响。结果表明当涂料中CaCO3粒径为6000目、含量为20%时，PVC涂料的黏度最高，塑化后样品的拉伸强度最大，断裂伸长率最大，综合性能最优。

腾业方[8]选用硬脂酸(HSt)与钛酸酯偶联剂分别对芳香酸钙(CaT)表面进行处理；结果表明，CaT表面未处理，当其含量为4份时，PVC的缺口冲击强度由2.9 kJ/m2提高至3.6 kJ/m2，拉伸强度略有上升；CaT表面经3%HSt理后，分散性能变好，具有明显改善效果。当其含量为4份时，PVC的综合性能最好，其拉伸强度由53.5 MPa提高至56.0 MPa，缺口冲击强度由2.9 kJ/m2上升至3.7 kJ/m2。CaT表面经2%钛酸酯偶联剂131处理后，界面结合性能明显变好，当其含量为6份时，PVC的综合性能最好，其拉伸强度由53.5 MPa上升至57.5 MPa左右，缺口冲击强度由2.9 kJ/m2上升至4.05 kJ/m2；扫描电子显微镜发现CaT表面处理后，在PVC中分散更加均匀，界面结合得更好，更大程度发挥了刚性粒子增韧效果。

葛铁军[9]采用乳液聚合法合成具有超韧性能的丙烯酸酯类冲击改性剂AIM，为进一步提高反应效率及产品性能，利用就地增韧原理将AIM、马来酸酐(MAH)、聚氯乙烯(PVC)以及引发剂同时加入密炼机共混，再经平板机压片，制备AIM、MAH与PVC三元共聚物，得到一种新型超韧PVC。其冲击强度为304 kJ/m2，比纯PVC树脂提高5倍左右，大大缩短了塑化时间，提高了加工效率。

朱勇平[10]用合成的三元乙丙橡胶和甲基丙烯酸甲酯及丙烯接枝制得共聚物EPDM-g-MAN，并增韧聚氯乙烯树脂，实验结果表明：三元乙丙橡胶含量为17.5%时，聚氯乙烯与三元乙丙橡胶复合材料的缺口冲击强度可达到92 kJ/m2，而氯化聚乙烯含量为25%时，PVC/CPE复合材料的缺口冲击强度可达到85 kJ/m2。

无机填料改性聚氯乙烯提高材料刚性和韧性，并使得PVC复合材料具有良好的力学性能，是通用塑料工程化应用的方式。因此，研究出一种高效稳定的改性聚氯乙烯材料的方法并进行推广不可或缺。无机填料改性聚氯乙烯制备复合材料，具有降本、提高性能作用。

2 隔音减震聚氯乙烯复合材料应用于高铁、石油化工

聚氯乙烯树脂可通过与其他材料共混制成隔音减震材料，也可以通过发泡制得发泡材料，具有良好的隔音减震效果。

目前市场上防止噪声污染的材料主要分为三类：隔音材料、吸音材料和阻尼降噪材料。目前市场较普遍的是阻尼材料，其功能是防止机械振动，降低机械零件之间相互摩擦磨损，降低噪音。考虑到粘弹性阻尼层厚度可控及其性价比，用于普通减振和中等减振区域更能体现其价值。粘弹性阻尼材料减振降噪技术的大面积推广应用不仅会大大降低减振降噪成本，且符合我国绿色发展的理念，是铁路系统减振降噪最有潜力的技术[11]。

目前阻尼材料多以高分子复合材料为主，因其界面效应、结构效应等在隔音材料领域具有十分重要的地位。通常为了增加材料面密度，常用方式为添加金属粉末，使其达到隔音效果。为了使隔音材料同时具备阻燃性、抗冲性，还向复合材料加入添加剂，满足消防方面的需求。

图2 隔音减震PVC工作原理

臧克南等[12]以聚氯乙烯(PVC)作为塑料组分，以环保丁基再生胶作为橡胶组分，采用动态硫化的方法制备了PVC/丁基再生胶热塑性弹性体阻尼材料。结果表明，使用氯化聚乙烯、氯化聚氯乙烯改性PVC时，氯化聚乙烯的综合改性效果优于氯化聚氯乙烯。当氯化聚乙烯用量为20份，制得的热塑性弹性体综合性能最优。当磁粉等填料用量为120份时，热塑性弹性体的综合性能最佳；动态热机械分析结果表明，在-55～100 ℃时，热塑性弹性体的阻尼因子(tanδ)≥0.3，阻尼温域范围达到155 ℃，阻尼性能良好，尤其是在-9 ℃左右tanδ达到了0.66，阻尼性能最佳。

秦岩等[13]采用聚氯乙烯树脂共混改性制备氯化丁基橡胶，制备了在60～120 ℃温度范围内阻尼性能优良的橡胶。结果表明，在80～120 ℃温度范围内，随着聚氯乙烯含量的增加，橡胶的损耗因子正切值tanδ升高，当PVC含量为90份时，阻尼效果达到最佳值。

郑诗建等[14]在丙烯酸酯中加入聚氯乙烯改性，共混物的损耗因子-温度曲线由一个峰变成了共混物的二个峰，增加了聚合物的阻尼温度范围，使得聚合物从-10～110 ℃温度区间具有良好的阻尼效果。但是，加入过量的聚氯乙烯会导致共混物的机械性能下降，从而导致材料密封性降低，因此聚氯乙烯含量在40～80份时，材料有较好的综合性能。

杨小兵[15]将聚氯乙烯树脂加入PIB橡胶中进行硫化，结果表明：阻尼温度控制在-40～90 ℃的范围内，共混物的阻尼损耗因子都在0.4以上，具有良好机械性能，对聚氯乙烯进行改性拓宽了阻尼材料使用温度范围。

综上可知，恰当运用聚氯乙烯改性制成阻尼材料能够提高产品的综合性能，在制备阻尼材料时，技术人员可以将聚氯乙烯作为优良的改性剂添加到阻尼材料中，制备得到性能优异的产品。

3 阻燃抑烟PVC复合材料应用于建筑结构与船舶

PVC具有耐腐蚀、力学性能好等优点，广泛应用于建材、电线电缆等领域，然而增塑PVC易燃，同时硬质PVC和软质PVC在燃烧过程中会产生大量烟雾。国家相关部门在1995年发布《建筑材料燃烧性能的分级方法》，在标准内规定各种等级材料允许的发烟量，硬质聚氯乙烯化学建材燃烧等级应达到《建筑材料燃烧性能的分级方法》阻燃等级B1。聚氯乙烯在加工过程中添加了大量的增塑剂和其他有害助剂，使其在燃烧过程中产生大量的氯化氢、芳香族挥发物、一氧化碳等有毒烟雾和气体，危害到人们的生命健康及环境。因此，PVC阻燃抑烟是当前行业内待解决的一大难题。

图3 阻燃抑烟地板简介

Han等[16]比较了ZnFe2O4、BiFeO3、LaFO3三种材料分别对PVC的阻燃抑烟性能的影响。研究表明：当BiFeO3的添加量为20份时，材料的阻燃效果最佳，极限氧指数值为31.1%，烟密度等级从91%下降到71.6%，峰值热释放速率值降低到44.8%，生烟总量值降低到54.8%。

Jia等[17]将大豆油与三氯氧磷合成得到含氯磷酸酯，并且用于PVC阻燃剂。大部分聚氯乙烯材料是一种易燃材料，因为在生产过程中加入了大量的塑化剂邻苯二甲酸二辛酯，由于阻燃剂含氯磷酸酯也可以作为塑化剂使用，在PVC中的分散性良好，在加工过程中可以减少塑化剂的使用量，当含氯磷酸酯和邻苯二甲酸二辛酯添加量都为20份时，聚氯乙烯的极限氧指数值为30.1%，并且材料的拉伸强度达到最大值。

Zhang等[18]通过水热法制备硼酸锌与氧化还原石墨烯的复合物，并将制备的复合物与氢氧化镁一起使用，使得聚氯乙烯体系的极限氧指数值达到29.4%，发烟量降低了34%，残炭率相比没有改性的有大幅度提高。结果表明：氧化还原石墨烯能显著增强硼酸锌/石墨烯复合物与氢氧化镁的协同效应，对聚氯乙烯起到良好的阻燃抑烟作用。

近年来随着经济社会发展，高分子材料的需求得到迅猛增长，安全防火标准越来越严格，加上社会及人们的环保意识日趋增强，阻燃抑烟材料正朝着、低毒性、无卤、低发烟量、低成本、高效、多功能化的方向发展[19-20]。目前，聚氯乙烯阻燃抑烟剂的种类繁多，任何品种的阻燃抑烟剂都有自身缺陷，不能达到良好的阻燃抑烟作用。所以深入研究聚氯乙烯阻燃抑烟机理，合成新的化学物质，采取改性、复配、纳米细化等技术手段，增加阻燃剂之间的协同阻燃抑烟作用，并且合成新阻燃抑烟剂，寻找新的阻燃抑烟方法是未来研究的重点，并有很好的前景。