UPVC的塑化性能分析研究

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2015-01-20 14:47:58點(diǎn)擊率：

　　HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀中的密煉機(jī)測量單元是大型生產(chǎn)用密煉機(jī)的微縮復(fù)制品,其設(shè)計(jì)的目的是造成高度湍流、高度剪切,使聚合物熔體混合物中的多相組分得以很好混合。是一種通過模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行試驗(yàn)的測試方法,可以測試各種聚合物的混合、熔融、塑化和交聯(lián)反應(yīng)。HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀塑化曲線上的各點(diǎn)與擠出機(jī)螺桿的各段有緊密的聯(lián)系,塑化扭矩對應(yīng)擠出機(jī)螺桿的壓縮段末端均化段開始的位置。這樣可以通過對加工扭矩、能耗、溫升等信息的分析,將該儀器所得的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行類比處理,便可對試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬優(yōu)化,從而指導(dǎo)科研和生產(chǎn)等工作[1]。

　　1　試驗(yàn)部分

　　1·1　試驗(yàn)主要原料

　　PVC樹脂粉:聚合度600~1000,中國石化齊魯分公司;PVC樹脂粉:W-500,上海氯堿廠;雄獅牌復(fù)合鉛穩(wěn)定劑:南京金陵化工廠; CPE: 13 型,外購;內(nèi)外潤滑劑:單干酯、PE蠟,外購;加工助劑:ACR401,淄博塑料助劑廠;輕質(zhì)活性碳酸鈣:張店富源重鈣廠。

　　1·2　試驗(yàn)設(shè)備

　　PVC專用混合機(jī)組: SRL-20/2 ,張家港市萬塑機(jī)械有限公司;轉(zhuǎn)矩流變儀HAAKE,德國HAAKE公司。

　　1·3　試驗(yàn)配方(見表1)

　　1·4　試驗(yàn)方法

　　(1)混料:按比例稱量各種物料,投入高速混合機(jī)中,升高溫度至110℃左右,混合時間約10min,低速混合物料冷卻至40~50℃后出料待用。

　　(2)塑化性能:采用HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀測試,溫度180℃,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速40 r/min,加料量67 g。

　　2　結(jié)果與討論

　　2·1　UPVC典型塑化曲線解析

　　PVC樹脂及其混合物在加工成制品的過程中,各個階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)如何變化,可在動態(tài)轉(zhuǎn)矩流變儀上進(jìn)行試驗(yàn),并對其宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,圖1為典型UPVC塑化性能曲線。

　　(1)圖1中A點(diǎn)的高、低、寬、窄在塑化條件一定時,取決于干混料的表觀密度、加料量、加料時間(物料的壓實(shí)速度)等。該點(diǎn)為塑化曲線的起點(diǎn),對后面的數(shù)據(jù)會造成較大的影響,因此試驗(yàn)者應(yīng)盡可能的控制加料時間,恒定物料的壓實(shí)速度,可減小試驗(yàn)誤差。

　　(2)在熱和剪切力的作用下,宏觀樹脂顆粒不斷被破碎成亞顆粒、聚集體、初級粒子等,孔隙內(nèi)的空氣不斷被排除,堆積密度逐漸增大,但樹脂的顆粒并沒有塑化,仍保持流動性良好的玻璃態(tài)固體顆粒,所以運(yùn)動阻力越來越小。扭矩達(dá)到一定值后,摩擦熱和混合器的傳導(dǎo)熱使物料溫度逐漸升高,部分粒子開始變軟,樹脂粒子由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變,粘度增大,也就是大分子鏈?zhǔn)芰ψ冃魏蠡貜椓υ黾?使運(yùn)動阻力增大,扭矩增大,在此之前出現(xiàn)在圖1曲線上的點(diǎn)B點(diǎn)。該點(diǎn)對應(yīng) 小扭矩時間,其快慢取決于粒子的內(nèi)部凝聚力大小及粒子間摩擦力的強(qiáng)弱(也就是樹脂混合物的潤滑性的大小)[2, 3]。

　　(3)C點(diǎn)對應(yīng)塑化扭矩、塑化溫度。它所對應(yīng)的時間減去加料峰A點(diǎn)所對應(yīng)的時間稱之為塑化時間。它們是影響樹脂混合物塑化及加工性能的重要因素。

　　塑化扭矩的產(chǎn)生是由于高彈態(tài)及粘流態(tài)樹脂在剪切力作用下,阻礙轉(zhuǎn)動形變而產(chǎn)生的力矩。它的大小反映可塑性樹脂混合物形變的難易程度,即加工難易程度,可作為加工設(shè)備所需要的傳動功率大小的依據(jù)。而塑化時間則是衡量配方性能的重要指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中塑化時間過長,物料到達(dá)擠出機(jī)的均化段時,不能形成均勻的熔體,會出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)品質(zhì)量問題;塑化時間太短,物料迅速熔融,不易輸送,并且由于長時間受到高剪切作用,容易出現(xiàn)熔體破裂及PVC樹脂降解現(xiàn)象。

　　(4)達(dá)到大扭矩后物料的溫度繼續(xù)升高,在熱和剪切力的作用下,高彈態(tài)不斷的變成粘流態(tài)。高彈態(tài)粒子的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于粘流態(tài),隨著高彈態(tài)樹脂粒子所占比例的減少,粘度逐漸的下降,塑化性能曲線上的扭矩開始下降。當(dāng)物料變?yōu)榫鶆虻恼沉鲬B(tài)物質(zhì)時,即所謂的物料100%的塑化,其粘度是一定值,此時扭矩也不再變化,達(dá)到平衡扭矩D點(diǎn)。平衡轉(zhuǎn)矩可以反映設(shè)備生產(chǎn)時的功率消耗情況。

　　(5)E點(diǎn)對應(yīng)的時間表示物料的動態(tài)熱穩(wěn)定時間。PVC的熱分解是以脫除HCl形成眾多的共軛雙鍵為主的反應(yīng)。在熱老化的后期,在熱、剪切力(或有氧共存)時共軛雙鍵極容易交聯(lián)形成更大的分子,使粘度急劇的增大,所以熱分解時扭矩急劇的增加。時間長短反映物料的熱穩(wěn)定性能和物料允許加工的長時間。

　　2·2　UPVC塑化性能的影響因素

　　2·2·1　PVC樹脂的平均聚合度

　　PVC樹脂的平均聚合度即相對分子質(zhì)量的大小對物料塑化性能有著決定性的影響。根據(jù)Gibbs-Helmhole方程T=ΔH/ΔS,大分子間的作用力以范德華力為主。PVC樹脂的相對分子質(zhì)量越大,分子間的作用力越大,ΔH就越大,所需加工熔融溫度就越高,加工較困難。圖2為不同聚合度(聚合度從600左右到1000左右)PVC樹脂配混料對塑化性能的影響。從圖2的塑化曲線可以看出,在配方和塑化工藝相同的條件下,隨著PVC樹脂平均聚合度的增加,物料的塑化時間逐漸延長,平衡扭矩逐漸增大。

　　2·2·2　內(nèi)外潤滑劑

　　潤滑劑一方面擔(dān)負(fù)著減小塑化物內(nèi)部分子間相互摩擦的功能,另一方面又擔(dān)負(fù)著減小塑化物與擠出機(jī)筒和螺桿表面的摩擦作用。如果潤滑劑配合不得當(dāng),就會出現(xiàn)凝膠化不足或凝膠化過頭的問題,將會給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重的質(zhì)量問題[4]。從圖3中可以看出,隨著內(nèi)潤滑劑的增多, 小扭矩、塑化扭矩增大,塑化時間縮短。隨著外潤滑劑的增多, 小扭矩、平衡扭矩減小,塑化時間延長。內(nèi)潤滑劑消弱了聚合物熔體內(nèi)部分子間的相互摩擦,降低了內(nèi)生熱和改善了流動性;外潤滑劑通常附著在樹脂微粒表面、熔體表面、加工機(jī)械表面和磨具表面,形成一層潤滑劑的分子層。這樣由于潤滑劑分子層的存在,結(jié)果降低了熔融前樹脂粒子間、樹脂粒子與加工機(jī)械表面之間的摩擦,延遲了塑化時間,降低了扭矩。

　　2·2·3　抗沖改性劑CPE

　　CPE用量對UPVC塑化性能的影響已有報道[5],在UPVC配方體系中, CPE在較低添加量時,起著外潤滑作用,延遲塑化時間;隨著CPE加入量的增加, CPE與PVC之間作用加強(qiáng),塑化溫度逐漸降低,塑化時間縮短,表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的促塑化作用;添加CPE(15份以內(nèi))配方的大塑化扭矩和塑化平衡扭矩都增加,但增加幅度不大。CPE由PE經(jīng)過氯化而得,作為抗沖改性劑的CPE氯含量為36%左右,由于各個生產(chǎn)廠家所用原料、生產(chǎn)工藝和后處理工藝的不同,造成CPE的質(zhì)量、性能有較大的差異。圖4為不同廠家的CPE對UPVC塑化性能的影響。從圖4中可以看出,不同廠家CPE對UPVC塑化性能有較大的影響,在選用不同廠家的CPE時,配方上要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　2·2·4　加工助劑ACR

　　加工助劑的主要作用一方面是促進(jìn)塑化,另一方面是提高制品的熔體強(qiáng)度。傳統(tǒng)的加工助劑如果要滿足塑化快的需求,其熔體強(qiáng)度必然下降;如果要滿足其提高熔體強(qiáng)度的需求,則其塑化速度必然降低,這是傳統(tǒng)的加工助劑難以解決的一個難題。ACR類加工助劑是以甲基丙烯酸甲酯(MMA)與丙烯酸酯為主要成分的丙烯酸酯共聚物,在促進(jìn)物料塑化的同時,也提高了熔體強(qiáng)度。從圖5中可以看出,隨著ACR用量的增加,物料的塑化時間縮短,塑化扭矩和平衡扭矩增大,用量增大差距減小。

　　3·結(jié)論

　　(1)PVC樹脂的平均聚合度對UPVC塑化性能影響較大,隨著PVC樹脂平均聚合度的增加,物料的塑化時間逐漸延長,平衡扭矩逐漸增大。

　　(2)內(nèi)潤滑劑可縮短塑化時間,增大小扭矩、塑化扭矩、平衡扭矩;外潤滑劑則反之。

　　(3)不同廠家的CPE對UPVC的塑化性能影響較大,在選用時,配方上要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　(4)ACR類加工助劑,可縮短物料塑化時間,增大塑化扭矩和平衡扭矩,增大熔體的粘度。

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