PVC/VC-BA/有機(jī)膨潤土熔融插層復(fù)合材料制備及性能的研究

新疆中發(fā)化工有限責(zé)任公司 （石河子 832000） 賀盛喜

聚氯乙烯（PVC）是世界上用量最多的通用樹脂之一，其制品因具有強(qiáng)度高、耐油、耐化學(xué)藥品且價(jià)格低廉等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用，但因其沖擊性能低、耐低溫性不良等缺點(diǎn)而使其應(yīng)用受到了限制，為了提高和改善PVC的性能，將對其進(jìn)行改性。隨著納米技術(shù)的興起和發(fā)展，利用納米粒子具有表面積大、表面原子處于高度活化狀態(tài)及其與聚合物界面強(qiáng)的相互作用等性質(zhì)，研制聚合物/納米粒子熔融插層復(fù)合材料已成為新的研究熱點(diǎn)。膨潤土具有層狀的結(jié)構(gòu)，各相鄰的片層間具有較大的初始間距，以及可交換的層間陽離子，可利用離子交換的方式將其層間距擴(kuò)大到允許聚合物分子鏈插入的程度，容納旋轉(zhuǎn)半徑為幾十納米的聚合物分子鏈，從而可制備性能優(yōu)異的插層納米復(fù)合材料。文中以氯乙烯/丙烯酸丁酯（VC/BA）共聚樹脂和有機(jī)膨潤土經(jīng)過熔融插層制成（VC/BA）/有機(jī)膨潤土復(fù)合母粒，再與PVC進(jìn)行共混，通過二級分散以進(jìn)一步提高納米粒子在聚氯乙烯基體中的均勻分散程度，利用有機(jī)膨潤土和VC/BA共聚樹脂，共同對PVC進(jìn)行改性，研制性能優(yōu)越的PVC/（VC/BA）/有機(jī)膨潤土熔融插層復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

有機(jī)膨潤土，實(shí)驗(yàn)室自制；PVC，SG-5型，石河子中發(fā)化工有限責(zé)任公司；氯乙烯-丙烯酸丁酯共聚樹脂（VC-BA），石河子中發(fā)化工有限責(zé)任公司；助劑，CPE（氯化聚乙烯），工業(yè)級；ACR-401（聚丙烯酸酯），工業(yè)級；復(fù)合鉛鹽，工業(yè)級。均為市售。

1.2 主要設(shè)備儀器

高速混合機(jī)，GH-10，北京塑機(jī)廠；萬能制樣機(jī)，ZHY-W，河北承德實(shí)驗(yàn)機(jī)廠；塑煉機(jī)X（S）K-160型；平板硫化機(jī)XLB-D/Q400×400型，上海第一橡膠機(jī)械廠；電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，WDW-100型；維卡軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)，深圳新三思材料檢測有限公司，ZWK-300型；簡支梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；XJJ-5J；掃描電子顯微鏡，日本電子公司，JSM-6490LV。

1.3 共混成型工藝

PVC/VC-BA/有機(jī)膨潤土熔融插層復(fù)合體系成型工藝分為一次成型和二次成型工藝。有機(jī)膨潤土熔融插層一次分散成型工藝為：PVC樹脂、有機(jī)膨潤土、VC-BA共聚物和其他助劑，經(jīng)過捏合、混煉、壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。有機(jī)膨潤土熔融插層二次分散成型工藝：有機(jī)膨潤土、VC-BA共聚物經(jīng)捏合、混煉為（VC-BA）/有機(jī)膨潤土復(fù)合母粒，再同PVC樹脂與其他各種助劑進(jìn)行捏合、混煉、壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.4 分析測試

SEM分析：將沖斷后的樣條表面噴金，在掃描電鏡下觀察其斷面形貌。

復(fù)合材料性能測試：按GB/T8804.2-2003標(biāo)準(zhǔn)，測試復(fù)合材料斷裂拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率；按GB/T8802-2001標(biāo)準(zhǔn)，測試復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)；按GB/T8814-1998標(biāo)準(zhǔn)，用簡支梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)測試其抗沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同成型工藝對材料力學(xué)性能的影響

表1 不同成型工藝對材料力學(xué)性能的影響

表1是完全相同的二組配方分別按不同工藝所制的復(fù)合材料的力學(xué)性能，從表中可知與純PVC相比，一次分散成型的復(fù)合材料的斷裂伸長率增加、拉伸強(qiáng)度下降，抗沖擊強(qiáng)度有少量提高，而二次分散成型的斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度均有大幅度的提高，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次分散成型的。這是由于：在外力作用下，片狀的膨潤土粒子有可能沿拉伸方向彼此滑移并且取向，因而有利于復(fù)合材料拉伸柔韌性的提高及抗沖擊韌性的提高。二次分散成型工藝和一次分散成型工藝相比，由于增加一道成型工藝，勢必有利于高分子材料插層到有機(jī)膨潤土中，在外力作用下，形成了納米粒子，從而降低分散相粒子的尺寸，減小應(yīng)力集中，使得二次分散成型的拉伸強(qiáng)度高于一次分散成型的拉伸強(qiáng)度；又由于膨潤土是片狀結(jié)構(gòu)，隨著加工的進(jìn)行，納米粒子數(shù)量就越多，粒子之間的距離就越近，不同粒子之間產(chǎn)生的銀紋之間的干擾就越大，這樣易誘發(fā)基體產(chǎn)生剪切屈服和塑性流動(dòng)，所以二次分散成型的斷裂伸長率高于一次分散成型的。同樣道理，隨著有機(jī)膨潤土熔融插層程度的增加，分散相粒子越小、數(shù)量越多，復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時(shí)，引發(fā)的銀紋就越多，能吸收更多的沖擊能量，并更易誘導(dǎo)基體發(fā)生屈服形變，使復(fù)合材料的斷裂機(jī)理由銀紋方式向剪切方式轉(zhuǎn)變，吸收更多沖擊能量，因此二次分散體系的沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次分散體系的。由此可見二次分散成型工藝更有利于PVC性能的改善。

2.2 PVC/VC-BA/有機(jī)膨潤土不同配比的熔融插層復(fù)合母粒對材料力學(xué)性能的影響

表2 VC- BA、膨潤土用量對材料力學(xué)性能的影響（PVC質(zhì)量計(jì)為100%）

由表2看出，由VC-BA和有機(jī)膨潤土所組成的復(fù)合母粒對PVC進(jìn)行改性時(shí)，隨復(fù)合母粒用量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度逐漸上升，當(dāng)PVC與母粒質(zhì)量比為100∶8，目粒中VC-BA與有機(jī)膨潤土的質(zhì)量比為5：3時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度為58.4MPa，此時(shí)材料的沖擊強(qiáng)度也大幅度提高，抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到18.7kJ/m2。復(fù)合母粒中隨VC-BA用量的增加，材料的抗沖擊強(qiáng)度逐漸升高，而拉伸強(qiáng)度也逐漸增大，在5%左右出現(xiàn)最大值；隨有機(jī)膨潤土用量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度逐漸升高，在3%左右出現(xiàn)最大值，之后又逐漸下降，但材料的拉伸強(qiáng)度均高于純PVC，材料的沖擊強(qiáng)度隨著有機(jī)膨潤土用量增加而有所改善，在3%左右出現(xiàn)最大值，之后又逐漸下降。這是由于因?yàn)椴鍖佑谟袡C(jī)土層片之間的PVC分子鏈，由于與有機(jī)土層片之間的偶極相互作用和空間受限作用，活動(dòng)能力受限，從而引起拉伸強(qiáng)度增大；同時(shí)由于納米粒子的集中能有效地引發(fā)銀紋、阻止銀紋和誘導(dǎo)基體產(chǎn)生剪切屈服吸收更多的沖擊能；在外力作用下，片狀的膨潤土粒子有可能沿拉伸方向彼此滑移并且取向，共聚樹脂中丙烯酸丁酯的柔軟性，因此材料的斷裂伸長率能得到很大的提高。這說明母粒中VC-BA和有機(jī)膨潤土在PVC基體中起到了協(xié)同增韌的作用。材料的維卡軟化點(diǎn)變化不大，在當(dāng)PVC與母粒質(zhì)量比為100∶9時(shí)，達(dá)到最大值，而超過這一比例時(shí)，材料的維卡軟化點(diǎn)又有所降低。

2.3 PVC/VC-BA/有機(jī)膨潤土復(fù)合材料的SEM分析

從圖1中看出一次工藝成型的材料的斷面形貌，斷面整齊、均勻，有明顯的顆粒孔狀，為脆性斷裂特征；而圖2為二次工藝成型的材料的沖擊斷面形貌，其斷面呈拋物線韌窩，有拉伸狀，顯示出明顯的韌性斷裂特征。

3 結(jié)語

將VC-BA和有機(jī)膨潤土先制成熔融插層復(fù)合母粒，再與PVC樹脂進(jìn)行共混的二次分散成型工藝，有利于有機(jī)膨潤土納米片狀粒子在基體中的分散，所制材料的力學(xué)性能明顯高于將三者直接進(jìn)行共混的一次性分散成型的工藝，當(dāng)復(fù)合母粒中VC-BA和有機(jī)膨潤土的質(zhì)量比為5∶3時(shí)，材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳；復(fù)合母粒中的有機(jī)膨潤土對材料具有補(bǔ)強(qiáng)作用，有機(jī)膨潤土和VC-BA能協(xié)同增韌PVC，大幅度提高材料的抗沖擊性能。

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