CPVC/ASA 二元共混体系性能研究

王艳芳,滕谋勇,徐保良

(聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059)

CPVC/ASA 二元共混体系性能研究

王艳芳,滕谋勇＊,徐保良

(聊城大学材料科学与工程学院,山东聊城252059)

研究了氯化聚氯乙烯/丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(CPVC/ASA)共混体系的力学性能、耐热性能、流变性能和微观结构。结果表明,随着ASA含量的增加,CPVC/ASA共混体系的拉伸强度和耐热性能下降,而悬臂梁缺口冲击强度较CPVC有较大提高;塑炼过程中,CPVC/ASA共混体系熔体的平衡扭矩大大降低,稳定性增强;当ASA含量为30份时共混体系各项性能最佳,冲击强度为11.18 kJ/m2,拉伸强度为48.64 MPa,维卡软化点为105.4℃,平衡扭矩为21.4 N·m,较纯CPVC的平衡扭矩降低了7 N·m。

氯化聚氯乙烯;丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物;共混体系;力学性能;流变性能;耐热性能;微观结构

0 前言

CPVC是聚氯乙烯(PVC)经氯化反应而制得的,其氯含量理论上由原PVC的56.8%提高到73.2%,由于氯化不完全,合成的CPVC树脂的氯含量在61%～68%之间。由于分子中含有较多的氯原子,使得CPVC树脂的玻璃化转变温度(Tg)、热变形温度均较高,因而耐热性和最高使用温度明显高于PVC[1]。但随着CPVC中氯含量的提高,分子链间的极性增强,形成的大分子链间作用力增大,致使CPVC的脆性增大、热稳定性下降、熔融黏度大、在加工过程中存在加工成型温度范围窄、加工成型困难、制品的抗冲击性能差,使其应用受到了极大限制[2-3]。自从CPVC工业化生产以来,人们一直在寻找降低其熔体黏度,提高其冲击性能并保持高耐热性的有效途径。与聚合物的共混[4-9]、无机材料填充、复合以及接枝改性[10-11]等方法的研究和开发,有力地促进了CPVC的高性能化,扩大了其应用领域。在CPVC中加入氯化聚乙烯(CPE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)、抗冲型丙烯酸酯橡胶(ACR)等改性剂可提高CPVC的耐冲击性[12]。

ASA树脂的力学性能、加工性能、电绝缘性、耐化学腐蚀性与ABS相似。与ABS相比,由于引入不含双键的丙烯酸酯橡胶,其耐候性有了本质的改善,可直接用于生产PVC共挤出门窗型材、汽车、电子电气、日用品和户外体育器材等产品或者零配件。ASA与多种工程塑料具有较好的相容性,可与多种塑料进行共混,得到性能优异的合金材料[13-14]。ASA树脂由德国巴斯夫公司首先开发成功,并于1962年实现工业化生产,近年来开始进入我国市场,由于其价格昂贵,一直未能普遍使用,相关的研究也不多。

本文采用CPVC与耐热级ASA共混的方法,研究共混体系的力学性能及耐热性能,并综合考虑其加工性能及其他性能,探索CPVC/ASA共混体系的最佳共混比,旨在获得耐热性能和力学性能优良,又易于加工成型的共混改性材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

CPVC,H829,日本钟渊化学公司;

ASA,PW-978B(耐热),中国台湾奇美实业有限公司;

有机锡,T181,美国罗门哈斯公司;

聚乙烯蜡(PE蜡)、单甘脂、氧化聚乙烯蜡(OPE)、二氧化钛(TiO2),市售。

1.2 主要设备及仪器

电热恒温鼓风干燥箱,HG-9245A,上海一恒科学仪器有限公司;

高速混合机,SHR-10A,江苏白熊机械有限公司;开放式塑炼机,XSK-160,常州市东南橡胶机械厂;微机控制电子万能试验机,CMT5150,深圳新三思材料检测有限公司;平板硫化机,SLB-25,河北任县神工通用机械厂;哑铃形制样机,XFX,承德试验机有限责任公司;缺口制样机,XQS-V,承德试验机有限责任公司;悬臂梁冲击试验机,XJU-2.75,承德试验机有限责任公司;

转矩流变仪,PolyDriver,德国Haake公司;

扫描电子显微镜(SEM),JSM6380LV,日本电子公司;

热变形维卡软化点温度测定仪,XWB-3000,承德试验机有限责任公司。

1.3 样品制备

实验的基本配方为:100份CPVC,2份稳定剂有机锡,4份润滑剂(PE蜡、单甘酯、OPE),3份填充剂TiO2,抗冲改性剂ASA的含量分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50份;

按“CPVC+稳定剂+润滑剂+填充剂→高速混合机高速混合→称基料并按比例加入ASA→塑炼开片→压片→裁样,按标准制备样条→性能测试”的工艺制备样品;高速混合时物料混合温度升到100℃,混料7～8 min;塑炼开片时将开放式塑炼机前辊升温至180℃,后辊升温至170℃,打三角包,开炼约5 min;压片时使用20 mm×20 mm×3 mm模具,模板温度180℃,预热时间4 min,压力15 MPa,保压4 min;将样品制成标准样条,用于性能测试。

1.4 性能测试与结构表征

按GB/T 1843-1996测试样品的悬臂梁缺口冲击性能,1 J摆锤,A型缺口;

按GB/T 1040-1992测试样品的拉伸性能,拉伸速度为5 mm/min;

按照GB/T 1633-1979测试样品的维卡软化点,升温速率50℃/h,5 kg压力;

流变性能测试:温度180℃,转子转速为60 r/min,加料量为70 g;

通过SEM观察样品的表层形貌,液氮脆断冲击试样,断面喷金处理后,观察其微观结构,加速电压为30 kV,放大1000倍。

2 结果与讨论

2.1 力学性能研究

2.1.1 ASA用量对体系拉伸强度和冲击强度的影响

从图1可以看出,随着ASA含量的增加,共混体系的拉伸强度直线下降,而冲击强度逐步上升。当ASA含量在10～30份之间时,CPVC/ASA共混体系的冲击强度增大较快,当ASA含量超过30份后,共混体系冲击强度变化缓慢,接近并低于纯ASA的冲击强度13 kJ/m2。共混体系的拉伸强度在ASA含量为10～25份时降低幅度较大,之后下降趋势趋缓。实验结果表明,ASA树脂能够显著提高CPVC的冲击强度,其冲击强度由纯CPVC的4.73 kJ/m2增大到12.56 kJ/m2,增加了165%,其原因在于ASA的化学结构含有双键,具有弹性体的特征,能够吸收外来能量而提高抗冲击性能[7]。共混体系拉伸强度下降的原因在于ASA本身拉伸强度极小,约为24 MPa,所以随着ASA含量的增加,共混体系的拉伸强度降低,且降低的幅度有减缓的趋势。

图1 ASA含量对CPVC/ASA共混体系拉伸强度和冲击强度的影响Fig.1Effect of ASA contents on tensile strength and impact strength of CPVC/ASA blends

2.1.2 CPVC/ASA共混体系耐热性能的研究

CPVC的维卡软化点较PVC提高了20～40℃,是较理想的耐热材料,可广泛应用于给、排水系统,隔热、密封系统和通风采暖系统等。虽然ASA的加入可提高共混体系的冲击性能,但势必要降低CPVC的耐热性能[15]。

从图2可以看出,随着ASA含量的增加,CPVC/ASA共混体系的耐热性能下降。在ASA含量为10～25份时降幅较大。当ASA含量为30份时,共混体系的维卡软化点下降到105.4℃。共混体系的维卡软化点下降是由于ASA对CPVC大分子链之间作用力的削弱,使材料的内聚能下降,共混体系的耐热性能随ASA含量的增加而逐渐变差造成的。

图2 ASA含量对CPVC/ASA共混体系维卡软化点的影响Fig.2Effect of ASA contents on Vicat softening pointof CPVC/ASA blends

2.2 流变性能分析

转矩流变仪是一种多功能双转子测量仪。它所使用的各种混合器测量头是大型生产用混合器的微缩复制品[16],是一种通过模拟实际生产工艺进行试验的测试方法,可以测试各种聚合物的混合、熔融、塑化和交联反应[17]。Haake转矩流变仪塑化曲线上的各点与挤出机螺杆的各段有紧密的联系,通过对加工扭矩、能耗、温升等信息的分析,将所得的数据类比,便可模拟优化试验条件,从而进行配方设计和工艺条件的选择。

图3 ASA含量对CPVC/ASA共混体系平衡扭矩的影响Fig.3Effect of ASA contents on torque balance of CPVC/ASA blends

从图3可以看出,纯CPVC的平衡扭矩最大,加入ASA后共混体系的平衡扭矩显著降低,且ASA含量越大平衡扭矩降低越多。这是由于ASA与CPVC共混时,很快便能均匀分散于CPVC基体中,降低了树脂颗粒间的黏附能力和接触面积,从而削弱了大分子间的相互作用力,增大了分子相对移动能力,使流动阻力减小,所以扭矩减小。添加30份ASA时共混体系的平衡扭矩较纯CPVC降低了6～8 N·m。此外,纯CPVC树脂的稳定性差,助剂与树脂的相容性不好,在图形上的反映是平衡扭矩值不平稳,上下波动。随着ASA含量的增多,共混体系的相容性逐渐变好,提高了共混体系的稳定性,这对加工是非常有利的。

2.3 SEM分析

通过SEM能够直接观察样品的表层形貌,从而对性能进行分析。选取CPVC/ASA共混体系的冲击试样断面,观察其微观结构。从图4可以看出,随着ASA含量的增加,体系中的颗粒大小和分散趋于均匀,颗粒脱落和空洞现象也有明显改善,共混体系的断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂。图4(a)、(b)为脆性断裂,观察到其冲击试样断面都有明显的空洞,这是一些颗粒从体系中脱落后所留下的;同时还可以看到颗粒大小和分散不均匀现象,表明冲击性能不好,这与前面的力学性能实验结果(冲击强度低)相吻合。图4(c)中出现丝状物,并伴随有不太明显的韧窝,脆性断裂向韧性断裂转变。图4(d)中,ASA能更好地分散在CPVC中,且出现明显韧窝,为典型的韧性断裂,冲击强度也大大提高。图4(e)较之其他都有大幅改善,整个体系的分散较为均匀,无明显缺陷,韧窝明显且随处可见,具有较好的抗冲击性能。图4(f)为纯ASA的SEM照片,其表面均匀且有明显韧窝,可见其具有较强的抗冲击性能。

3 结论

(1)在CPVC中加入ASA树脂,随着ASA含量的增加,CPVC/ASA共混体系的拉伸强度和维卡软化点下降,而悬臂梁缺口冲击强度较CPVC有较大提高;

图4 CPVC/ASA共混体系的SEM照片Fig.4SEM micrographs for CPVC/ASA blends

(2)塑炼过程中,CPVC/ASA共混体系熔体的平衡扭矩降低,热稳定性增强;

(3)综合各性能考虑,CPVC/ASA共混体系中,当ASA含量为30份时为最佳含量,此时共混体系的冲击强度为11.18 kJ/m2,拉伸强度为48.64 MPa,维卡软化点为105.4℃,平衡扭矩为21.4 N·m,较纯CPVC的平衡扭矩降低了7 N·m。

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Research on the Properties of CPVC/ASA Blends

WAN G Yanfang,TEN G Mouyong＊,XU Baoliang

(Department of Material Science and Engineering,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

The mechanical and rheological properties,heat resistance,and microscopic structure of CPVC/ASA blends were studied.With increasing ASA contents,the tensile strength and heat resistance of the blends decreased,however,the cantilever notched impact strength increased,in addition reduced the balance torque in the plasticizing testing.At an ASA content of 30 phr,the impact strength was 11.18 kJ/m2,the tensile strength was 48.64 MPa,Vicat softening point was 105.4℃,balance torque was 21.4 N·m,which was 7 N·m lower than that of neat CPVC.

chlorinated poly(vinyl chloride);acrylonitrile-styrene-acrylate copolymer;blend;mechanical property;rheological behavior;heat resistance;microscopic structure

TQ325.3

B

1001-9278(2011)02-0043-04

2010-10-19

＊联系人,tengmouyong@lcu.edu.cn