喬曉輝
(廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司,廣東 佛山 528318)
PVC-U管材由于具有質(zhì)輕、強度好、耐酸堿腐蝕、絕緣性和阻燃性優(yōu)良等優(yōu)點,是目前用量非常大的塑料管道品種,應用領域廣泛。PVC-U管材的主要應用領域為建筑排水管、常溫供水管、電工護套管、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,關于PVC-U管材方面的文獻大多是新助劑的應用、生產(chǎn)工藝的改進、配方設計等[1],但很少有關鍵原料選型、搭配方面的文獻報道。PVC-U管材的關鍵原料為PVC樹脂、碳酸鈣、穩(wěn)定劑等。在PVC-U管材的實際生產(chǎn)中,經(jīng)常需要更換不同廠家、不同型號的關鍵原料,因此筆者嘗試通過正交試驗來對關鍵原料進行選型,考察不同關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。
PVC-SG5型樹脂,代號為S1、S2、T,市售;重質(zhì)CaCO3,粒徑為5.5~9.0 μm(1 500~2 500目),代號為B2、V5、Y9,市售;管材用鈣鋅穩(wěn)定劑,代號為E、P、Y,市售。
高速混合機,張家港華星機械有限公司;轉(zhuǎn)矩流變儀、錐形雙螺桿擠出機,德國Brabender公司;萬能材料試驗機,Zwick/Roell Z010,德國Zwick公司;全自動擺錘沖擊試驗機,HIP 25,德國Zwick公司;氣動切片機,JC-1025,江蘇拓達精誠測試儀器有限公司。
試驗配方: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中進行混合,熱混溫度為90 ℃,冷卻后采用擠出機擠出為片材,擠出機轉(zhuǎn)速為15 r/min,扭矩設定為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;取樣后用切片機進行沖裁,制備試樣。
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》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。
選擇試驗配方中的PVC、CaCO3、鈣鋅穩(wěn)定劑為3個因素,因素的水平數(shù)為3個,其因子水平見表1。
表1 正交試驗因子水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test
該正交試驗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,試驗方案及結(jié)果見表2。
表2 正交試驗方案及結(jié)果Table 2 Schemes and results of orthogonal test
2.2.1 正交試驗結(jié)果的處理
對正交試驗結(jié)果進行數(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水平下試驗結(jié)果的平均值;極差R越大,則表明該因素對試驗結(jié)果的影響越大。
表3 處理后的正交試驗結(jié)果Table 3 Results of orthogonal test after data processing
2.2.2 分析與討論
(1)拉伸屈服強度。
拉伸屈服強度是材料抵抗拉伸破壞的能力,表征材料的強度和韌性。由表3可知:對于拉伸屈服強度,PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B2C3, 即5號試驗的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)沖擊強度。
沖擊強度為單位截面破壞時消耗的能量,也表征材料的韌性。從表3可以看出:對于沖擊強度,PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑的最佳搭配為A2B2C3,與拉伸屈服強度的最佳搭配一樣。
(4)彎曲模量。
彎曲模量表征材料在經(jīng)受彎曲負荷作用時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,與拉伸屈服強度和沖擊強度的最佳搭配一樣。
(5)小結(jié)。
從表3可以看出:對于拉伸屈服強度、沖擊強度和彎曲模量,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,試驗得出的最佳搭配為S2、V5和Y。
不管哪項力學性能,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)一的國家標準或行業(yè)標準,而且目前市場上的鈣鋅穩(wěn)定劑大多為復合配方,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、強度、耐熱性, 并可降低成本。試驗配方中CaCO3的用量為20份,處于比較低的水平,此時不同廠家的CaCO3主要是對沖擊性能有一定影響,對其他性能影響不大。
PVC-U管材中的關鍵原料PVC、CaCO3、穩(wěn)定劑中,對力學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。