PVC-U管材共混料的正交試驗(yàn)

喬曉輝

(廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528318)

PVC-U管材由于具有質(zhì)輕、強(qiáng)度好、耐酸堿腐蝕、絕緣性和阻燃性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是目前用量非常大的塑料管道品種，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。PVC-U管材的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榻ㄖ潘?、常溫供水管、電工護(hù)套管、消防用管、戶外建筑落雨管、市政供水管、農(nóng)業(yè)用管、化工防腐管、礦山輸送管等。目前，關(guān)于PVC-U管材方面的文獻(xiàn)大多是新助劑的應(yīng)用、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、配方設(shè)計(jì)等[1]，但很少有關(guān)鍵原料選型、搭配方面的文獻(xiàn)報(bào)道。PVC-U管材的關(guān)鍵原料為PVC樹脂、碳酸鈣、穩(wěn)定劑等。在PVC-U管材的實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要更換不同廠家、不同型號(hào)的關(guān)鍵原料，因此筆者嘗試通過正交試驗(yàn)來對關(guān)鍵原料進(jìn)行選型，考察不同關(guān)鍵原料的組合對共混料性能的影響，從而優(yōu)選出最佳搭配。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PVC-SG5型樹脂，代號(hào)為S1、S2、T，市售；重質(zhì)CaCO3，粒徑為5.5～9.0 μm(1 500～2 500目)，代號(hào)為B2、V5、Y9，市售；管材用鈣鋅穩(wěn)定劑，代號(hào)為E、P、Y，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

高速混合機(jī)，張家港華星機(jī)械有限公司；轉(zhuǎn)矩流變儀、錐形雙螺桿擠出機(jī)，德國Brabender公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)，Zwick/Roell Z010，德國Zwick公司；全自動(dòng)擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，HIP 25，德國Zwick公司；氣動(dòng)切片機(jī)，JC-1025，江蘇拓達(dá)精誠測試儀器有限公司。

1.3 試樣制備

試驗(yàn)配方：PVC樹脂，100份；CaCO3，20份；鈣鋅穩(wěn)定劑，3.0份；鈦白粉，2.0份；加工改性劑，0.5份；潤滑劑，0.6份。

按配方稱量原料后加入高速混合機(jī)中進(jìn)行混合，熱混溫度為90 ℃，冷卻后采用擠出機(jī)擠出為片材，擠出機(jī)轉(zhuǎn)速為15 r/min，扭矩設(shè)定為10.0 N·m，分段溫度1～6段分別為180、175、170、167、162、190 ℃，牽引速度為250 mm/min；取樣后用切片機(jī)進(jìn)行沖裁，制備試樣。

1.4 性能測試

拉伸性能按照GB/T 8804.3—2004《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定》測試，I型樣條，拉伸速率為5 mm/min。

沖擊性能按照GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分:非儀器化沖擊試驗(yàn)》測試，A型缺口。

彎曲性能按照GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》測試，I型試樣，彎曲速率為2 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選擇試驗(yàn)配方中的PVC、CaCO3、鈣鋅穩(wěn)定劑為3個(gè)因素，因素的水平數(shù)為3個(gè)，其因子水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因子水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

該正交試驗(yàn)方案未考慮因素之間的交互作用，選用3因素3水平的正交表L9(33)，考察添加不同原料得到的共混料的拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Schemes and results of orthogonal test

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的處理和分析

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果的處理

對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到的結(jié)果見表3。表3中K1、K2、K3分別為1、2、3水平下試驗(yàn)結(jié)果的平均值；極差R越大，則表明該因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。

表3 處理后的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal test after data processing

2.2.2 分析與討論

(1)拉伸屈服強(qiáng)度。

拉伸屈服強(qiáng)度是材料抵抗拉伸破壞的能力，表征材料的強(qiáng)度和韌性。由表3可知：對于拉伸屈服強(qiáng)度，PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B2C3, 即5號(hào)試驗(yàn)的S2、V5和Y。

(2)斷裂伸長率。

斷裂伸長率主要表征材料的柔性。PVC-U管材為硬質(zhì)材料，分子鏈柔性差，斷裂伸長率一般都較低。從表3可以看出：對于斷裂伸長率，PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B1C3，即S2、B2和Y。

(3)沖擊強(qiáng)度。

沖擊強(qiáng)度為單位截面破壞時(shí)消耗的能量，也表征材料的韌性。從表3可以看出：對于沖擊強(qiáng)度，PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B2C3，與拉伸屈服強(qiáng)度的最佳搭配一樣。

(4)彎曲模量。

彎曲模量表征材料在經(jīng)受彎曲負(fù)荷作用時(shí)抵抗彎曲變形的能力。從表3可以看出：對于彎曲模量，PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B2C3，與拉伸屈服強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的最佳搭配一樣。

(5)小結(jié)。

從表3可以看出：對于拉伸屈服強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲模量，對共混料影響最大的因素是穩(wěn)定劑，其次是PVC樹脂，影響最小的是CaCO3；對于沖擊強(qiáng)度，對共混料影響最大的因素是穩(wěn)定劑，其次是CaCO3，影響最小的是PVC樹脂。綜合考慮，試驗(yàn)得出的最佳搭配為S2、V5和Y。

2.3 分析與討論

不管哪項(xiàng)力學(xué)性能，鈣鋅穩(wěn)定劑均是最大的影響因素，主要原因是目前行業(yè)中鈣鋅鈣鋅穩(wěn)定劑還沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且目前市場上的鈣鋅穩(wěn)定劑大多為復(fù)合配方，其中添加了潤滑劑、改性劑等組分，不同廠家、不同型號(hào)的穩(wěn)定劑配方差異較大，在擠出加工中對共混料的加工性能、熱穩(wěn)定性能都存在不同程度的影響。因此，PVC-U管材生產(chǎn)廠家在替換穩(wěn)定劑后，需要對配方、生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，才能生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

相對而言，目前PVC樹脂的生產(chǎn)工藝、裝置已比較成熟，而且對于通用PVC-U管材來說，其對樹脂性能的要求不高，不同生產(chǎn)廠家的SG5型PVC樹脂優(yōu)等品基本都可以滿足要求，因此PVC樹脂對共混料力學(xué)性能的影響相對較小。

在PVC-U管材配方中，加入CaCO3可以提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度、耐熱性, 并可降低成本。試驗(yàn)配方中CaCO3的用量為20份，處于比較低的水平，此時(shí)不同廠家的CaCO3主要是對沖擊性能有一定影響，對其他性能影響不大。

3 結(jié)論

PVC-U管材中的關(guān)鍵原料PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑中，對力學(xué)性能影響最大的為穩(wěn)定劑，其次為PVC樹脂，影響最小的為CaCO3。

綜合考慮拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率、沖擊性能、彎曲性能，PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為S2、B2和Y。