黃海亮，鐘柳

(廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 順德 528318)

0 引言

作為世界五大通用塑料之一，聚氯乙烯(PVC)以其強(qiáng)度高以及成本低的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于管道、型材、電纜通訊、卷材以及板材等諸多領(lǐng)域[1-5]。其中，在塑料管道市場(chǎng)中，硬聚氯乙烯(PVC-U)管道憑借其自重輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高以及安全方便等優(yōu)點(diǎn)受到了工程界的一致好評(píng)，在市場(chǎng)占據(jù)重要地位。

與聚乙烯(PE)等聚烯烴管道的材料體系相比，PVC-U管材的材料體系組分更多，需要加入多種助劑才能保證最終產(chǎn)品穩(wěn)定成型且性能滿足要求，其中針對(duì)PVC材料本身韌性不如聚烯烴材料的特性，需要在體系中加入抗沖助劑[6]，才能保證PVC-U管材的性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。除此以外，PVC材料體系還需要加入熱穩(wěn)定劑、抗老化助劑、加工助劑以及潤(rùn)滑助劑等[7]。

上述助劑本身也是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，里面含有多種組分。而在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)程中，雖然參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致成品組分出現(xiàn)波動(dòng)是難以避免的事情，但一般在可控范圍內(nèi)。因?yàn)槿绻善返慕M分波動(dòng)幅度過(guò)大，容易對(duì)下游的PVC管道的生產(chǎn)以及產(chǎn)品性能造成影響。因此，為了保證PVC管道的穩(wěn)定生產(chǎn)且產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)，對(duì)不同批次助劑的組成以及塑化性能進(jìn)行研究是非常重要的[8-9]。下面將對(duì)同一牌號(hào)四個(gè)不同批次的PVC管道用抗沖助劑的組成以及塑化性能的差異性進(jìn)行研究。

1 原料及設(shè)備

1.1 原料

聚氯乙烯樹(shù)脂粉、鈣鋅熱穩(wěn)定劑、碳酸鈣、鈦白粉、單甘酯、聚乙烯蠟、加工助劑(聚丙烯酸酯)以及同一牌號(hào)不同批次的抗沖助劑(分別為樣品1、樣品2、樣品3以及樣品4)，以上均為市售工業(yè)級(jí)原料。

1.2 儀器

儀器設(shè)備如表1所示。

表1 儀器設(shè)備

2 測(cè)試方法

2.1 X射線熒光光譜儀（XRF）

采用X射線熒光光譜儀對(duì)四個(gè)樣品的元素含量進(jìn)行檢測(cè)，選擇直徑32 mm的帶蓋樣品杯，將樣品均勻鋪滿樣品杯底部，并將樣品杯密封后置于儀器規(guī)定位置，蓋上儀器蓋子，打開(kāi)SPXEUserDig專用操作軟件，選用FP-power(F)方法進(jìn)行分析。

2.2 傅里葉變換紅外光譜儀

采用溴化鉀壓片法制備樣品，并將其置于儀器中進(jìn)行測(cè)試，波數(shù)范圍為4000～500 cm-1。壓片具體步驟如下：稱取150 mg的溴化鉀，研磨2 min后烘干，加入10 mg的樣品后繼續(xù)研磨10 min，最后壓成測(cè)試所需的片狀。

2.3 灰分

用坩堝稱量1 g的樣品，置于馬弗爐中900 ℃高溫煅燒3 h后稱量剩下灰分的質(zhì)量。重復(fù)一次后取兩次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。

2.4 轉(zhuǎn)矩流變測(cè)試

稱量PVC樹(shù)脂粉100份、碳酸鈣15份、熱穩(wěn)定劑3.5份、鈦白粉2份、單甘酯0.4份、聚乙烯蠟0.5份、加工助劑0.2份以及抗沖助劑8份并在高速攪拌機(jī)中攪拌2 min，隨后稱取72～84 g粉體加入轉(zhuǎn)矩流變儀中，在182 ℃以及25 r/min的條件下開(kāi)始試驗(yàn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定時(shí)間后停止試驗(yàn)并清理設(shè)備。

水資源司在網(wǎng)站開(kāi)辟試點(diǎn)工作專欄，報(bào)道試點(diǎn)工作動(dòng)態(tài)和各試點(diǎn)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)做法，建立了試點(diǎn)工作聯(lián)系人和信息上報(bào)制度。試點(diǎn)工作開(kāi)展以來(lái)，被《人民日?qǐng)?bào)》（海外版）、《中國(guó)水利報(bào)》、《水利部?jī)?yōu)秀調(diào)研報(bào)告集》、《水資源工作信息》、水利部門戶網(wǎng)等報(bào)刊網(wǎng)站收錄信息及文章50余條 （篇），部分信息經(jīng)新華網(wǎng)、新浪網(wǎng)等轉(zhuǎn)載，擴(kuò)大了試點(diǎn)工作的社會(huì)影響力，發(fā)揮了試點(diǎn)的示范作用。

3 分析

3.1 X射線熒光光譜（XRF）測(cè)試

不同樣品對(duì)應(yīng)XRF測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，樣品1與其他三個(gè)樣品存在明顯區(qū)別，其中氯元素含量是四個(gè)樣品中最少的，鋁以及硅這兩種元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其余三個(gè)樣品，而鈣元素則遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他三個(gè)樣品，硫元素以及鐵元素的含量也略低于其他三個(gè)樣品。從表2的結(jié)果可以看出，樣品1中的鈣鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他三個(gè)樣品。

表2 不同樣品對(duì)應(yīng)XRF測(cè)試結(jié)果

3.2 紅外光譜（FT-IR）

不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 不同樣品的傅里葉變換紅外光譜圖

(1)樣品2(1577 cm-1與1541cm-1)、樣品3 (1577 cm-1與1541 cm-1)以及樣品4(1576 cm-1與1541 cm-1)都出現(xiàn)了硬脂酸鈣(CaSt2)的特征峰，分別對(duì)應(yīng)CaSt2的中ROO-的絡(luò)合結(jié)構(gòu)以及離子結(jié)構(gòu)[10-11]，如圖2所示。樣品1則在這兩個(gè)波數(shù)附近沒(méi)出現(xiàn)特征峰，說(shuō)明樣品1中CaSt2含量與其他三個(gè)樣品存在明顯差異。

圖2 硬脂酸鈣絡(luò)合結(jié)構(gòu)以及離子結(jié)構(gòu)示意圖

(2)四個(gè)樣品均在2918 cm-1以及2850 cm-1附近出現(xiàn)特征峰，對(duì)應(yīng)亞甲基C-H的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰，這表明樣品中含有長(zhǎng)碳鏈，且樣品2、樣品3以及樣品4的峰強(qiáng)度比樣品1要強(qiáng)。出現(xiàn)這種情況，其中一個(gè)原因可能是因?yàn)闃悠?與其他三個(gè)樣品在CaSt2含量上存在明顯差異所導(dǎo)致的。

(3)通過(guò)譜圖可以看出，樣品1在1001 cm-1以及554 cm-1的位置有明顯的特征峰，樣品2在1003 cm-1與560 cm-1有明顯的特征峰，樣品3在1000 cm-1以及553 cm-1有明顯的特征峰，樣品4在1003 cm-1以及550 cm-1有明顯的特征峰。這兩個(gè)位置(1000 cm-1附近以及560～550 cm-1)的特征峰分別為Si-O-Si不對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰以及彎曲振動(dòng)特征峰，可推測(cè)樣品中含有結(jié)晶型的二氧化硅(俗稱石英)[12-15]。

3.3 灰分

不同樣品的灰分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同樣品的灰分?jǐn)?shù)據(jù)

3.4 流變?cè)囼?yàn)

3.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其分析

圖3為不同樣品的轉(zhuǎn)矩流變曲線圖，表4為不同樣品的塑化性能參數(shù)。從圖3可以看出，四個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的曲線都是差不多重疊在一起的，難以看出相互之間的差異性。為此，這里對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以樣品3的數(shù)據(jù)作為參比(100%)，計(jì)算其他樣品與其差異性，結(jié)果如表5所示。

表4 不同樣品的塑化性能參數(shù)

圖3 不同樣品的轉(zhuǎn)矩流變曲線圖

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，樣品1在塑化扭矩、塑化時(shí)間以及平衡扭矩方面這三個(gè)參數(shù)都是四個(gè)樣品中最高的。其中塑化時(shí)間與參比樣(樣品3)之間的差距接近30%。出現(xiàn)這種情況，其中一個(gè)重要原因就是CaSt2含量的差別。因?yàn)镃aSt2作為一種以內(nèi)潤(rùn)滑作用為主的潤(rùn)滑劑[16-18]，能滲透到PVC分子鏈之間，極性端與PVC分子鏈的極性點(diǎn)通過(guò)靜電作用力結(jié)合，而非極性端則起到“屏蔽”的作用，進(jìn)而有效增加PVC分子鏈之間的距離，從而能有效削弱PVC分子鏈之間的吸引力，降低其擴(kuò)散難度，加快塑化速度，有效縮短塑化時(shí)間，降低塑化扭矩與熔體粘度(平衡扭矩)。由于樣品1中CaSt2的含量較低，與其他三個(gè)樣品之間存在明顯區(qū)別，因此塑化扭矩與平衡扭矩更高，塑化時(shí)間更長(zhǎng)。

表5 轉(zhuǎn)矩流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：%

3.4.2 塑化速度

從圖3可以看出，四個(gè)曲線幾乎重疊，難以從圖中區(qū)分四個(gè)樣品的流變性能(最小扭矩、塑化扭矩、塑化時(shí)間以及平衡扭矩)差異性。為了能綜合體現(xiàn)出四個(gè)樣品的流變性能差異性，這里采用兩個(gè)新的指標(biāo)對(duì)不同體系的塑化速度進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，并以樣品3的數(shù)據(jù)作為參比，計(jì)算其他三個(gè)樣品數(shù)據(jù)的相對(duì)百分比，結(jié)果如表6所示。

第一個(gè)新的指標(biāo)名為熔融因數(shù)(fusion factor，簡(jiǎn)稱F)，不少文獻(xiàn)將其用于評(píng)價(jià)PVC材料體系的加工性能[19-22]，但后面經(jīng)過(guò)有關(guān)學(xué)者進(jìn)行系統(tǒng)性論述以后可知，熔融因數(shù)只能用于衡量材料體系的塑化速度[23]，并不能用于評(píng)價(jià)加工性能的好壞。本文引入熔融因數(shù)對(duì)不同配方體系下的塑化速度進(jìn)行對(duì)研究，其中熔融因數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Tb為塑化扭矩(N·m)；Ta為最小扭矩(N·m)；t為塑化時(shí)間(min)。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 熔融因數(shù)計(jì)算結(jié)果

除了熔融因數(shù)以外，通過(guò)王文治等的研究可知，塑化扭矩與最小扭矩的差值越小，材料體系的凝膠度越高[24]，塑化時(shí)間也隨之縮短，也就是塑化速度越快。而轉(zhuǎn)矩流變?cè)囼?yàn)的參數(shù)中，塑化時(shí)間越短，同樣也表示材料體系的塑化速度越快。為了能綜合體現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)塑化速度的影響，筆者提出了本文第二個(gè)用于評(píng)價(jià)塑化速度的新指標(biāo)，命名為塑化速度因子，并用F1表示，其計(jì)算公式為：

式中：Ta為最小扭矩(N·m)；Tb為塑化扭矩(N·m)；t為塑化時(shí)間(min)。

通過(guò)上述論述以及公式可以看出，F(xiàn)1越大，則表示對(duì)應(yīng)PVC材料體系的塑化速度越快。其計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 塑化速度因子計(jì)算結(jié)果

從表6以及表7的數(shù)據(jù)可以看出，樣品1與參比樣之間的塑化速度差異是所有樣品中最大的。其中通過(guò)熔融因數(shù)的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，樣品1與參比樣的數(shù)據(jù)差異為15.83%，而通過(guò)塑化速度因子的計(jì)算結(jié)果顯示，樣品1與參比樣的數(shù)據(jù)差異達(dá)到30.81%，差距非常明顯。這其中一個(gè)非常重要的原因也是因?yàn)闃悠?中硬脂酸鈣的含量較低，與其他三個(gè)樣品存在明顯差異所導(dǎo)致的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)XRF、FT-IR以及灰分的數(shù)據(jù)可以看出，樣品1中無(wú)機(jī)鹽含量較少，其中CaSt2的含量較低。

(2)通過(guò)轉(zhuǎn)矩流變?cè)囼?yàn)的數(shù)據(jù)以及塑化速度的計(jì)算結(jié)果可以看出，樣品1的塑化扭矩與平衡扭矩更高，塑化時(shí)間更長(zhǎng)，塑化速度比較慢。