宋曉玲，黃 東，魏 東

（1.新疆天業(yè)集團(tuán)，新疆 石河子832000；2.新疆石河子中發(fā)化工有限責(zé)任，新疆 石河子832000）

硬質(zhì)聚氯乙烯（PVC-U）管材具有施工方便、輸水阻力小、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)剛度高、防腐效果好、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在新疆節(jié)水灌溉工程輸配水管道方面得到了很好的運(yùn)用，其中，新疆棉花“膜下滴灌”系統(tǒng)中50%以上的器材（設(shè)備）是由硬質(zhì)聚氯乙烯管材構(gòu)成。 2010 年，新疆“膜下滴灌”保有面積達(dá)2 440 萬(wàn)畝（其中，兵團(tuán)為1 040 萬(wàn)畝）位列全國(guó)第一。鑒于中國(guó)人均水資源缺乏的嚴(yán)峻形勢(shì)，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉規(guī)模近年還會(huì)快速增長(zhǎng)， 將為滴灌用硬質(zhì)聚氯乙烯管材提供了前所未有的市場(chǎng)機(jī)遇。隨著PVC 管道在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的推廣與應(yīng)用， 其缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)，主要表現(xiàn)在秋冬季低溫施工的裝卸、安裝過(guò)程中受撞擊易碎； 額定壓力下管路試水試驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)局部開(kāi)裂，表現(xiàn)出韌性較差的特點(diǎn)。

如何確保制品同時(shí)具有剛性和韌性， 這是長(zhǎng)期以來(lái)人們一直研究的課題。 本文介紹一種新開(kāi)發(fā)的具有與聚氯乙烯樹(shù)脂協(xié)同增韌作用的共聚樹(shù)脂來(lái)生產(chǎn)加工聚氯乙烯管材，仍然采用傳統(tǒng)的共混方法，將氯乙烯—丙烯酸丁酯共聚樹(shù)脂（VC-BA）直接投入原配方體系中進(jìn)行混合，擠出成型，由于VC-BA 樹(shù)脂具有內(nèi)增塑和提高低溫沖擊性能的作用， 在成型加工過(guò)程中能有效降低物料的黏度，縮短塑化時(shí)間，提高物料流動(dòng)性， 與原配方相比， 共混體系的加工性、管材制品柔韌性及尺寸穩(wěn)定性能均得到提高。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

主要原材料包括：PVC 樹(shù)脂（SG-5）：新疆石河子中發(fā)化工有限責(zé)任公司；（VC-BA）共聚樹(shù)脂（TYVA-6）：新疆石河子中發(fā)化工有限責(zé)任公司；熱穩(wěn)定劑SMS318：德國(guó)熊牌；潤(rùn)滑劑：江蘇江陰塑料助劑廠；輕質(zhì)CaCO3：地產(chǎn)；炭黑：地產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備

高速混合機(jī)，GH-200H，北京塑料機(jī)械廠；

擠出機(jī)，? 90 平行雙螺桿， 巴頓菲爾震雄塑料設(shè)備有限公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT5000，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，CHARPY XCJ-50， 河北承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；

維卡熱變型儀，CEAST6911，河北承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；

管材靜液壓爆破試驗(yàn)機(jī)，XGY-10，天津格特斯檢測(cè)設(shè)備技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）與聚氯乙烯樹(shù)脂共混物的制備

該配方是在給水用聚氯乙烯（PVC-U）管材原配方組份基礎(chǔ)上直接加入10 份TYVA-6 型VC-BA樹(shù)脂進(jìn)行混合。其他主要原材料及助劑的用量（質(zhì)量份）分別為，PVC 樹(shù)脂（SG-5）100 份；輕鈣10 份（原配方為5）；熱穩(wěn)定劑3 份；潤(rùn)滑劑、炭黑顏料等適量（已通過(guò)轉(zhuǎn)矩流變儀測(cè)試，屬于合理配方范疇）。 按照生產(chǎn)工藝要求， 將經(jīng)過(guò)精確稱(chēng)量的主輔料分別加入到高速混合機(jī)熱混倉(cāng)中， 料溫控制為120 ℃，混料10～12 min 后，排料轉(zhuǎn)入冷混，冷混溫度控制為45 ℃，放料至儲(chǔ)料倉(cāng)。

1.3.2 聚氯乙烯（PVC-U）管材擠出成型加工性能

本實(shí)驗(yàn)樣品采用巴頓菲爾震雄塑料設(shè)備有限公司? 90 平行雙螺桿擠出機(jī)擠出， 以生產(chǎn)? 160×4.0規(guī)格為例進(jìn)行后續(xù)研究測(cè)試實(shí)驗(yàn)。 聚氯乙烯管材擠出機(jī)的溫度控制是加工成型的重要工藝條件， 由于擠出機(jī)結(jié)構(gòu)及型號(hào)工作機(jī)理不盡相同， 模具流道結(jié)構(gòu)、 不同用途PVC 管材產(chǎn)品原輔料配方也存在差異， 因此，PVC 管材企業(yè)對(duì)PVC 管材擠出設(shè)備溫度控制都有相應(yīng)工藝要求。一般PVC 樹(shù)脂擠出機(jī)沿著物料流動(dòng)方向的溫度被設(shè)定成兩頭高中間低的馬鞍型， 以保證擠出過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩平均分配在整個(gè)螺桿上， 并使擠出機(jī)機(jī)頭壓縮段中塑化樹(shù)脂的在保持較高的壓縮比的前提下維持適當(dāng)?shù)牧蠅海?這樣擠出的管材制品塑化效果好、壁厚均勻。

本試驗(yàn)研究聚氯乙烯（PVC-U）管材擠出成型加工工藝采用氣力輸送裝置將混合好的干混料直接加入擠出機(jī)強(qiáng)制加料斗中，在喂料螺桿的作用下，將干混料加入到擠出機(jī)機(jī)頭中。 干混料通過(guò)吸收擠出機(jī)電磁加熱裝置輸出的熱量， 在螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)和擠出機(jī)鋼桶內(nèi)壁的摩擦作用逐漸塑化沿?cái)D出機(jī)身軸線向機(jī)頭移動(dòng)，然后，充分塑化定型。被加工的PVC 共混料經(jīng)歷了從粉狀物、初塑化彈性固體、黏流態(tài)、塑化管材制品的一系列過(guò)程。

1.3.3 聚氯乙烯（PVC-U）管材產(chǎn)品物理性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度測(cè)試按GB/T1040—1992 要求將板材切成啞鈴形樣條， 用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試； 沖擊試驗(yàn)、爆破壓力、維卡軟化點(diǎn)等指標(biāo)根據(jù)GB/T10002.1《給水用聚錄乙烯（PVC-U）管材》檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分別將生產(chǎn)的? 160×4.0 給水管按不同檢測(cè)指標(biāo)要求切割成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試。

2 結(jié)果討論

2.1 氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）的增韌機(jī)理

氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）共聚樹(shù)脂是一種丙烯酸丁酯與氯乙烯接枝共聚物， 屬于一種彈性體對(duì)氯乙烯的化學(xué)改性樹(shù)脂。 由于丙烯酸丁酯醇碳鏈較長(zhǎng)，共聚物的軟化溫度降低，柔軟性提高，屬于軟性彈性功能團(tuán)，它賦予共聚樹(shù)脂很高的抗沖擊性能。此外，（VC-BA）共聚樹(shù)脂對(duì)PVC 樹(shù)脂具有明顯的內(nèi)增塑性能，并兼具優(yōu)良的耐老化性和持久柔順性，可有效提高制品的加工流動(dòng)性和抗沖擊性能， 使制品表面光澤、耐候性、尺寸穩(wěn)定性明顯改善。所以，作為一種硬質(zhì)聚氯乙烯管材改性材料，（VC-BA）共聚樹(shù)脂在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[2]。

2.2 擠出加工與塑化性能

原配方與改性配方的擠出工藝控制條件見(jiàn)表1。

擠出機(jī)各段的溫度控制對(duì)PVC 塑料管材的成型及制品的內(nèi)在質(zhì)量起著重要的作用。 表1 數(shù)據(jù)顯示， 在擠出機(jī)各溫區(qū)溫度設(shè)定值和螺桿轉(zhuǎn)速相同的情況下，新添加了10 份（VC-BA）共聚樹(shù)脂和5 份填料配方與原配方的控制工藝相比， 主機(jī)扭矩和熔融壓力明顯下降，共混料的熔融溫度也下降了5 ℃。表明（VC-BA）共聚樹(shù)脂與PVC 樹(shù)脂具有良好的相容性，加速了PVC 粒子的破碎進(jìn)程，在增加了無(wú)機(jī)填料的情況下，能使PVC 共混物料黏度降低，內(nèi)增塑作用比較明顯；由于機(jī)頭內(nèi)的PVC 共混料熔融壓力的下降， 可以適度提高喂料電機(jī)轉(zhuǎn)速， 增加喂料量，牽引速度由1.70 m/min 提高至1.78 m/min，擠出效率提高了4.7%。 另外，縮短了物料在擠出機(jī)內(nèi)受熱時(shí)間，減少了其受熱老化概率，避免了管材塑化過(guò)度情況的發(fā)生。在加工成型過(guò)程中，擠出機(jī)鋼桶的抽真空操作也是一項(xiàng)關(guān)鍵控制指標(biāo)，真空度偏低，影響物料中夾雜的空氣排放， 易造成管材中夾帶氣泡和表面粗糙，影響產(chǎn)品的外觀和物理性能。 反之，物料將會(huì)被吸出堵塞真空裝置。

表1 原配方與氯乙烯-丙烯酸丁酯（VC-BA）改性配方的擠出工藝控制條件

2.3 塑化產(chǎn)品的物理性能

采用原配方與改性配方生產(chǎn)的PVC 樹(shù)脂的性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

從表2 測(cè)定的數(shù)據(jù)看出，（VC-BA）共聚樹(shù)脂改性配方所制得材料各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均得到了不同程度提高，產(chǎn)品合格率達(dá)到了100%。 因?yàn)椋╒C-BA）共聚樹(shù)脂與輕質(zhì)碳酸鈣在混料工藝的投料順序上先于PVC 主料完成了一道預(yù)混工序，可以產(chǎn)生一定數(shù)量結(jié)構(gòu)規(guī)整的CaCO3/（VC-BA） 共聚樹(shù)脂核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粒子[2]，能以化學(xué)鍵牢固地與聚氯乙烯鍵合，使塑化后的PVC 材質(zhì)更均一，強(qiáng)度增加。另外，（VC-BA）共聚樹(shù)脂中的彈性體粒子以顆粒狀均勻地分散于基體連續(xù)相中，形成宏觀均相、微觀分相（海-島相）結(jié)構(gòu)[3]。 彈性體粒子充當(dāng)應(yīng)力集中體，誘發(fā)基體產(chǎn)生大量的剪切帶和銀紋。 大量剪切帶和銀紋的產(chǎn)生和發(fā)展消耗了大量的能量， 從而使材料的沖擊強(qiáng)度大幅度提高。粒子又可終止銀紋和剪切帶的發(fā)展，使其不致發(fā)展成為破壞性的裂紋， 較好地詮釋了彈性體對(duì)PVC 樹(shù)脂增韌機(jī)理。

表2 兩種配方生產(chǎn)的材料的性能測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

（1）（VC-BA） 共聚樹(shù)脂與PVC 配方體系共混時(shí)，相容性好，使無(wú)機(jī)項(xiàng)分散更均勻，在加工過(guò)程中，物料塑化時(shí)間短，擠出穩(wěn)定，流動(dòng)性好。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中， 可以在擠出機(jī)主機(jī)電機(jī)額定輸出功率范圍內(nèi)，適當(dāng)提高擠出機(jī)喂料螺桿和擠出螺桿轉(zhuǎn)速，提高牽引速度，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)與增效。

（2）在原配方基礎(chǔ)上新增5 份輕質(zhì)碳酸鈣，扣除（VC-BA）共聚樹(shù)脂配方成本增加因素，每噸給水管共混料配方成本可降低150 元左右。 若考慮能耗降低及生產(chǎn)效率的提高等產(chǎn)生的間接效益， 產(chǎn)品的成本的降低幅度更大。

（3）PVC-U 給水管材韌性和剛性的提高對(duì)冬春季節(jié)安裝施工意義重大，可有效避免由于PVC 材料低溫脆性缺陷形成的工程隱患，降低使用維護(hù)成本。（VC-BA）共聚樹(shù)脂增韌改性滴灌用PVC-U 給水管材產(chǎn)品質(zhì)量的提升有助于企業(yè)產(chǎn)品推廣與應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)西部干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水滴灌技術(shù)的發(fā)展也具有較好的推動(dòng)作用。

［1］周俊華.氯乙烯-丙烯酸酯共聚樹(shù)脂生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展.聚氯乙烯，2007，（5）：4-5.

［2］邢勝男，等.聚氯乙烯增韌改性劑的合成及共混改性研究.塑料工業(yè)，2006，34（3）：57-58.

［3］熊 英，陳光順，郭少云.聚氯乙烯增韌改性研究進(jìn)展.聚氯乙烯，2004，（2）：1-6.