（中國粉體技術網/班建偉）聚氯乙烯(PVC)具有良好的力學性能和電性能?耐腐蝕性?阻燃性等優良綜合性能, 而且價格低廉?原料來源廣泛, 因此廣泛應用于化學建材和其他領域?PVC的主要缺陷是脆性大?熱穩定性差?易分解產生氯化氫(HCl)氣體?無機填料填充改性PVC是PVC常見的改性方法, 文章選擇4種不同形狀的無機填料提高PVC的沖擊性能, 改善其耐熱性能, 力圖獲得易加工?耐熱性好以及綜合性能優良的PVC復合材料?
1 實驗部分
1.1 主要原材料
PVC(SG5電石法制備)、熱穩定劑、活性輕質CaCO3、滑石粉、硅藻土、硫酸鎂晶須:l/d>80、PE蠟?硬脂酸鈣?
1.2 主要設備
高速混合機:SHR-10A ,平板硫化機:25t,開放式雙棍煉膠機:SK-100, 啞鈴型制樣機:XYZ-12,萬能試驗機:DW-100, 上海華光測試儀器有限公司;熱變形-維卡軟化溫度溫度測試儀:RRHDV4,掃描電子顯微鏡:KYKY-2800B?
1.3 試樣制備
1.3.1 試驗配方
PVC(SG5電石法制備):100份;熱穩定劑:4份;聚乙烯蠟:3份;硬脂酸鈣:3份;活性輕質CaCO3 ?滑石粉?硅藻土?硫酸鎂晶須均為變量?
1.3.2 試樣制備
將PVC和加工助劑分別與CaCO3 ?滑石粉?硅藻土和MSW按一定比例在高速混合機中捏合8 min, 出料;將上述混合料在175-180 ℃的開放式雙輥煉膠機上混料7 min, 制成厚度約為3 mm的板, 再裁成小片;然后用25 t平板硫化機于180 ℃?15 MPa模壓15min, 保持壓力冷卻至室溫后取出?最后, 在啞鈴型制樣機上制成標準樣條?
1.4 性能測試與表征
力學性能測試:拉伸性能按照GB/T 1040-2006 測試, 試樣為啞鈴型, 拉伸速率為50 mm/min;缺口沖擊強度按照GB/T1843-1996測試, V形缺口, 試樣尺寸為80 mm ×10 mm ×4 mm,缺口深度2 mm?加工流變性能測試:將200 g混合均勻的PVC粉料加入轉矩流變儀中, 外加5 kg砝碼, 混合器初始溫度為200 ℃, 轉子轉速為50 r/min?掃描電鏡分析(SEM):對沖擊斷面噴金, 然后在掃描電子顯微鏡下觀察沖擊斷面形貌?
2 結果與討論
2.1 無機填料的微觀形態
研究4種不同形狀的無機填料填充改性PVC, 填料形狀如圖1所示, CaCO3 形狀為粒狀, 滑石粉為片狀, 硅藻土為無規則狀,MSW 為針狀?
圖2為無機填料/PVC復合材料沖擊斷面掃描電鏡微照片,填料的份數分別為5 份和20份?由圖可以清楚的看到無機填料在PVC基體中的分布都較均勻?CaCO3?硅藻土和MSW 質量含量為5份和20份時的斷面形貌差不多;而片狀的滑石粉5份時, 均勻分布在PVC基體中, 但達到20份時滑石粉成片粘連,斷面呈現整片快速脫粘的快速斷裂形貌?從下面的沖擊性能證實其沖擊性能明顯降低?
2.2 無機填料用量對PVC復合材料力學性能的影響
圖3 為無機填料用量對PVC復合材料缺口沖擊強度的影響, 由圖3可以看出, 隨著粒狀CaCO3 和針狀MSW 用量的增加, PVC復合材料的缺口沖擊強度呈線性提高趨勢, 且提高幅度較大?當CaCO3 為30份時, PVC復合材料缺口沖擊強度達8.9kJ/m2 ?其增韌機理為:無機粒子的存在產生應力集中效應, 易引發周圍樹脂產生開裂, 吸收一定的變形功;無機粒子的存在使基體樹脂裂紋擴展受鈍化, 最終裂紋終止, 不致發展為破壞性開裂?
MSW0=5份時, 其缺口沖擊強度提高幅度較大, 5 份以后, 提高幅度趨于平緩, 大于15份以后又下降的趨勢?主要是因為針狀MSW 導致基體局部應力狀態改變引起的, 沖擊能耗散的主要途徑是MSW 的拔出?斷裂與基體塑性變形?
無規的硅藻土對PVC復合材料的缺口沖擊強度影響不明顯, 主要是因為硅藻土本身較軟且尺寸較大, 裂紋擴展時沒有起到剛性粒子增韌效果?而片狀的滑石粉加入一方面容易形成應力集中, 另一方面片狀的滑石粉與PVC基體兩相之間的接觸面積較小, 兩相間作用力較弱, 在沖擊受力過程中容易脫粘, 如圖2(d)所示?故其沖擊性能反而下降?
2.3 無機填料用量對PVC復合材料加工性能的影響
圖5為無機填料用量對PVC復合材料平衡扭矩的影響, 由圖5可以看出, 隨著粒狀CaCO3 和片狀滑石粉加入量較小時(5份), PVC復合材料平衡扭矩有所降低, 但隨著加入量的提高, 平衡扭矩開始增大?因為粒徑較小的粉體在低含量時能對PVC樹脂起到潤滑的作用, 降低PVC復合材料熔體的黏度?但隨含量的增加, 無機粒子與PVC基體間的作用力增大, 熔體黏度增加, 平衡扭矩增大?主要是硅藻土表面的孔洞與PVC接觸, 兩相間的摩擦力較大, 使熔體流動困難, 黏度增大?隨著硅藻土用量的增加, PVC復合材料平衡扭矩逐漸升高?同樣, 針狀的MSW 長徑比較大, 隨著MSW 份數的增加, 平衡扭矩也逐漸升高?當加入量達到20份以后, 由于硅藻土和MSW 加入過多,PVC樹脂不能塑化, 平衡扭矩無法測出?
3 結論
1)粒狀CaCO3 和針狀MSW 對PVC復合材料的沖擊性能有利, 起到增韌作用;而無規硅藻土對PVC復合材料的沖擊性能影響不大;片狀滑石粉反而降低了PVC復合材料的沖擊強度?
2)粒狀CaCO3 和無規硅藻土使PVC復合材料的拉伸強度明顯下降, 而片狀滑石粉和針狀MSW 對PVC復合材料的拉伸性能影響較小?
3)少量微細無機粒子(CaCO3 和滑石粉)對加工性能有利,當無機填料加入量達到10份以上時, PVC復合材料的平衡扭矩變大, 流動困難, 加工性能變差?
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