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        納米粒子增韌改性聚氯乙烯的研究進展

        2020-07-04 02:55:48刁潤麗李峰
        現(xiàn)代鹽化工 2020年3期
        關(guān)鍵詞:增韌聚氯乙烯改性

        刁潤麗 李峰

        摘 ? 要:聚氯乙烯(PVC)具有性能優(yōu)異、原料來源廣泛、價格低廉等優(yōu)點,但其硬而脆的性能嚴重影響其在生產(chǎn)過程中的使用,所以,急需對其進行增韌改性。綜述了聚氯乙烯增韌改性的現(xiàn)狀、納米粒子增韌改性聚氯乙烯(PVC)的作用機理及方法,指出了增韌過程中存在的問題,并對納米粒子增韌改性聚氯乙烯的前景進行了展望。

        關(guān)鍵詞:納米粒子;聚氯乙烯(PVC);增韌;改性

        聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)是最早工業(yè)化、產(chǎn)量略低于聚乙烯的通用塑料,具有耐磨、耐腐蝕、阻燃、絕緣等優(yōu)異性能,且原材料來源廣泛、價格較低,因此,被廣泛應(yīng)用于管材、薄膜、防腐材料、絕緣材料、建筑材料等領(lǐng)域[1-2]。但熱穩(wěn)定性不高,質(zhì)地硬而脆,抗沖擊能力低,耐老化性差,限制了PVC在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此,需要對PVC進行增韌改性,這也一直是PVC領(lǐng)域的研究熱點和重點[3-4]。

        PVC的增韌改性一般分為化學改性和物理改性兩種?;瘜W改性的成本高,過程復雜,設(shè)備要求嚴格,因而應(yīng)用受到限制。目前,主要采用物理方法對其進行改性。物理改性主要是通過機械共混的方法將改性劑和PVC進行共混,可在簡單的生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用。物理改性主要分為彈性體增韌改性和剛性粒子增韌改性。彈性體改性只能提高韌性,成本也高[5-6]。剛性粒子增韌在增加韌性的同時,不降低剛度、模量,主要分為有機剛性粒子增韌和無機剛性粒子增韌。有機剛性粒子價格較高,所以,無機剛性粒子應(yīng)用更為廣泛,其納米粒子性能更優(yōu)越[7]。

        1 ? ?聚氯乙烯增韌改性機理

        化學改性主要是通過接枝、共聚的方法改變PVC的分子結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)增韌增強,因其工藝復雜而應(yīng)用很少[8]。物理改性靠引入的改性劑和基體之間形成相界面,受力時,界面塑性形變、吸收大量的能量而改性。該方法簡單、應(yīng)用廣泛,主要有彈性體改性、有機剛性粒子改性和無機剛性粒子改性3種。

        1.1 ?彈性體機理

        彈性體包裹聚氯乙烯粒子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可有效吸收材料受到的沖擊力,并且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)破裂以后也可吸收部分沖擊力,提高了聚氯乙烯的韌性,從而達到增韌改性的目的[9]。

        1.2 ?有機剛性粒子機理

        聚氯乙烯分散相界面與基體黏合時,分散相粒子被靜壓力拉長,轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性粒子,材料的韌性因此而增強。剛性粒子拉伸時,其附近的基體產(chǎn)生反作用,也可吸收部分沖擊力,使聚氯乙烯的抗沖擊強度得到提高。

        1.3 ?無機剛性粒子機理

        在無機剛性粒子與聚氯乙烯基體黏合時,因為兩者的相容性較差,所以界面明顯、應(yīng)力集中,出現(xiàn)大量銀紋。當有外力沖擊時,材料界面容易因脫離而形成微小的空穴,這些空穴可以吸收能量。有沖擊力時,銀紋也會吸收能量,導致其鈍化,這些都能使材料的韌性得到提高。

        2 ? ?納米粒子增韌改性PVC

        納米粒子的粒徑為l~100 nm,具有獨特的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。將其應(yīng)用于PVC改性,除了使聚氯乙烯的韌性增強外,還表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能[10]。在PVC基體上分散一定量的無機納米粒子,當外力沖擊時,PVC基體因納米粒子的應(yīng)力集中效應(yīng)而產(chǎn)生塑性形變,隨之產(chǎn)生無數(shù)微小的空穴和空洞,在這一過程中能量被消耗,基體從脆性轉(zhuǎn)變到韌性[11-12]。

        2.1 ?納米CaCO3增韌改性PVC

        用于PVC材料增韌改性的無機納米粒子很多,其中,納米CaCO3由于原料易得、價格低廉、性能優(yōu)異且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點,應(yīng)用最為廣泛。用納米CaCO3增韌PVC,提高了材料的強度和韌性,還呈現(xiàn)出較好的耐熱性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。但是,納米粒子本身也存在缺陷,其表面能較高、比表面積較大,因此,在實際應(yīng)用過程中一般需要先對納米CaCO3進行表面改性。將一些彈性體,如氯化聚乙烯(Chlorinated Polyethylene,CPE)等與納米碳酸鈣粒結(jié)合為母粒,再與聚氯乙烯發(fā)生作用,可以取得更好的增韌效果。吳志超等[13]分別用改性前后的納米CaCO3對PVC進行增韌改性研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)未改性的納米CaCO3表面能較高,增韌作用不明顯;表面改性后的納米CaCO3粒子使PVC復合材料的抗沖擊強度大幅度提高。

        2.2 ?納米SiO2增韌改性PVC

        納米二氧化硅具有粒度小、防水、透光性好等優(yōu)良性能,對聚氯乙烯進行增韌改性,除了提高材料的強度和韌性外,還能使材料的致密性、防水性、流變性、透明度得到改善。NADEEM等[14]用溶膠-凝膠法且添加了納米SiO2對PVC進行增韌改性,并用未改性的PVC材料作比較,結(jié)果表明,材料用SiO2改性后其韌性和拉伸強度明顯提高,當SiO2的添加量為2.5%時,材料的耐熱溫度達到了250 ℃,拉伸強度由5.22 MPa提高到121.54 MPa。研究發(fā)現(xiàn),納米SiO2經(jīng)過超聲、振磨等表面處理后再對聚氯乙烯進行增韌改性,可以使其在基體中分散得更加均勻,結(jié)果材料的強度和韌性也大大提高。對納米SiO2表面進行6 h的振磨后再混合增韌,PVC材料的增韌效果最佳。

        2.3 ?納米黏土增韌改性PVC

        用納米黏土增韌改性PVC,只添加少量納米黏土,材料的韌性、強度和剛度就能明顯提高,熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性也得到改善。MAHMOOD等[15]通過熔融混合制備了有機黏土增強PVC/丙烯腈-丁二烯-苯乙?。ˋcrylonitrile-Butadiene-Styrene,ABS)基體,并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態(tài)、力學性能和流變學的影響。結(jié)果表明,PVC/ABS共混物的韌性因納米黏土的加入而顯著提高,當加入量為5%時,共混物的力學性能最佳。

        3 ? ?結(jié)語

        納米粒子由于其優(yōu)良的性能,在聚氯乙烯的增韌改性中有諸多優(yōu)勢,發(fā)展前景良好。納米粒子增韌改性聚氯乙烯的技術(shù)目前已取得了突破性進展,也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益,但是仍有一些問題有待進一步研究。

        (1)納米原材料存在價格高、技術(shù)難度大等缺點,所以,開發(fā)新型低價的納米增韌增強劑,獲得更好的增韌效果并最終實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),是一個極其重要的方向和目標。

        (2)納米粒子增韌PVC的機理研究雖然較多,但目前大多仍局限于定性分析,所以,仍需進一步深入研究,降低成本、簡化工藝,并爭取盡早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),從而推動PVC產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)、快速發(fā)展。

        (3)對于PVC納米復合材料,還需找到更好的表面改性技術(shù),提高納米粒子與PVC的相容性,使這一新材料能夠真正發(fā)揮作用。

        [參考文獻]

        [1]楊成德.納米級(活性)碳酸鈣在PVC-U管材中應(yīng)用研究[J].塑料制造,2015(9):76-82.

        [2]楊 莎,齊暑華,程 博,等.納米粒子增韌聚氯乙烯的研究[J].中國塑料,2013,27(11):1-7.

        [3]吳志超,欒英豪,陳雪梅.納米CaCO3表面改性及其對PVC復合材料性能的影響[J].塑料科技,2015,43(2):69-73.

        [4]周朋朋,欒英豪,馬新勝.納米碳酸鈣表面改性劑的合成及其應(yīng)用于PVC的研究[J].塑料工業(yè),2013,41(9):39-43.

        [5]周朋朋.納米碳酸鈣的表面改性及其應(yīng)用于PVC的研究[D].上海:華東理工大學,2014.

        [6]吳志超.納米CaCO3的表面改性及其在PVC中的應(yīng)用[D].上海:華東理工大學,2015.

        [7]王小利,杜長森,周 華,等.納米碳酸鈣的制備、改性與應(yīng)用[J].安徽化工,2012,38(2):7-10.

        [8]孫華偉,羅 筑,于 杰,等.聚氯乙烯增韌改性研究新進展[J].聚氯乙烯,2010,38(7):1-6.

        [9]陳潤嬌.聚氯乙烯增韌改性研究進展[J].化工管理,2014(12):79.

        [10]周朋朋,欒英豪,馬新勝.納米碳酸鈣的改性劑應(yīng)用于聚氯乙烯的研究[J].塑料工業(yè),2014,42(4):89-93.

        [11]劉玉星,朱明娟.聚氯乙烯低溫增韌改性研究進展[J].廣東化工,2017,44(3):113-114.

        [12]張 磊,馬學蓮,王志榮.改性納米碳酸鈣在PVC行業(yè)中的應(yīng)用[J].聚氯乙烯,2015,43(3):5-7,13.

        [13]吳志超,欒英豪,陳雪梅.酰胺類改性劑對nano-CaCO3的表面改性及其在PVC中的應(yīng)用[J].塑料科技,2015,43(5):85-89.

        [14]NADEEM U,AHMAD Z,ZULFIQAR S,et al.Co-poly(vinyl chloride-vinyl acetate-vinyl alcohol)-silica nanocomposites from sol-gel process: Morphological, mechanical, and thermal investigations.[J].Journal of Applied Polymer Science,2012,126(6):1 814-1 821.

        [15]MAHMOOD H,ABDOLHOSEIN F,HOMEYRA S,et al. Effcets of nanoclay on mor-phology, rheological, and mechanical properties of Polyvinyl Chloride/Acrylonitrile-butadiene-styrene[J].Polymer Plastics Technology and Engineering,2012,51(4):413-418.

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