纳米 CaCO3增韧增强 PVC 的研究

GuangzhouChemicalIndustryVol.43No.6Mar.2015

纳米CaCO3增韧增强PVC的研究

李

勇

常州213164）

（江苏常州轻工职业技术学院，江苏

摘

要：研究纳米CaCO3不同含量共混对PVC的增韧增强改性影响，结果表明纳米CaCO3用量为10%时PVC样品冲击强

度和拉伸强度达到最大值，同时随着纳米CaCO3加入量的增加，断裂伸长率一直呈下降趋势。综合实验数据，加工性能良好的PVC中纳米CaCO3的加入量控制在5%～10%较为适宜。

关键词：纳米CaCO3；PVC；增韧；增强中图分类号：TQ322

文献标志码：A

文章编号：1001－9677（2015）06－0110－03

StudyofNano－CaCO3TougheningandＲeinforcingPVC

LIYong

（ChangzhouInstituteofLightIndustryTechnology，JiangsuChangzhou213164，China）

Abstract：Themodificationwithdifferentcontentnano－CaCO3inordertotoughenandreinforcePVCwasstudied.Theresultsshowedthatwhennano－CaCO3concentrationwas10%，theimpactstrengthandtensilestrengthofPVCreachedmaximumvalue，butthebreakingelongationdecreasedalong.PVCwithbetterprocessingpropertywereproductedwhenaddingcontentofnano－CaCO3wasbetween5%and10%．

Keywords：nano－CaCO3；PVC；toughen；reinforce

聚氯乙烯（PVC）是最早工业化生产的合成树脂之一，是一

［1］

种原料易得，价格低廉、用途广泛的通用型合成树脂。而且PVC是一种综合性能优良的树脂，具有阻燃、耐化学药品性等优点，但硬质PVC性脆、缺口冲击强度低，耐温性差、加工性能不良以及在加工过程中所使用的增塑剂不够稳定等缺点而限制了它在很多方面的应用。近年来，有关PVC增韧增强的研究

［2－3］

，尤其是采用刚性粒子对PVC进行改性，在提高PVC较多

冲击韧性的同时可以保留PVC原有优良的性能（如：弯曲强度、拉伸强度等），因而探讨刚性粒子对PVC进行增韧增强改

［4－5］

。本文采用纳米CaCO3作为填充性有着实际的应用价值

物，共混改性PVC，使得样品冲击强度和拉伸强度有显著提高。

1.2试样制备

1.2.1高速混合

将PVC及纳米CaCO3分为7组，按表1配比分别加入到高速混合机中，在1440r/min转速下高速混合10min，由于PVC在剪切力的作用下有一定塑化而发热，因此搅拌过程中不需要加热。

表1

PVC用量/g

原料配比表

纳米CaCO3用量/g

02550

1

1.1

实验部分

主要原料与仪器

50075100125150

原料：聚氯乙烯（SG－5PVC），上海氯碱化工股份有限公司；纳米CaCO3（平均粒径30nm），上海弘庆新型材料有限公司。

仪器：SHＲ－100A高速混合机，张家港永利机械有限公司；GZS－65塑料挤出造粒机，昆山冠卓橡塑机械有限公司；QY－GXD9塑料颗粒烘干机，上海稳岱实业有限公司；WY－1280注塑成型机，宁波银泽机械制造有限公司；XJJ－50简支梁冲击试验机，河北承德科承试验机有限公司；CMT－6104微机控制万能试验机，深圳新三思计量技术有限公司。

1.2.2挤出造粒

采用塑料挤出造粒机分别对其进行挤出、造粒。首先将搅拌好的混合料加入挤出机的料斗，挤出机的螺杆转速为60r/min，加热挤出；然后经水槽冷却后牵引至切粒机切成母粒，切粒机转速为300r/min，切粒机转速要和螺杆的转速相匹配，速度过快会使拉出的丝过细，挤出料不容易切断甚至断料，速度过慢会使挤出料条过粗而不易冷却造粒。最后将颗粒在烘干机中烘制24h，以脱除其水分。

作者简介：李勇（1979－）男，讲师，主要从事精细化工助剂的开发及应用研究。

第43卷第6期李勇：纳米CaCO3增韧增强PVC的研究111

1.2.3注塑制样

分别将7组烘干后的塑料颗粒加入注塑机料斗，通过更换不同的模具可以分别制备出标准的PVC冲击试验样条和拉伸试验样条各10条，并分别选取5条合格的样条留作测试。注塑机注射温度设定为190℃，模具温度设定为40℃，料管温度依次为185℃，180℃，175℃，165℃，压力均为3.5MPa。注塑过程大致按注塑→注射入模→开模→取样→闭模→注塑的步骤进行，注塑量应稍大于模具的体积以补偿冷却产生的收缩。同时应注意：同一组分打样条前需空注5次以冲洗掉上一次注塑残余的其他组分物。

图1纳米CaCO3用量对共混体系冲击强度的影响

1.3性能测试

2.2

纳米CaCO3用量对共混体系拉伸强度的影响

图2是纳米CaCO3用量对共混体系拉伸强度的影响曲线

1.3.1冲击强度测试

冲击样条按照国标小样条标准制样，样条尺寸50mm×6mm×4mm，用缺口制样机铣制2mm深度V型缺口，然后采用简支梁冲击试验机按GB/T1843－2008测试缺口试样的冲击性能，温度（23±2）℃，最后对每组所测数据进行计算并求取平均值。

1.3.2拉伸强度和断裂伸长率测试

拉伸样条尺寸120×10×4mm，用电子万能试验机按GB/T1040－1992测试样条的拉伸性能，测试速度为10mm/min，温度（23±2）℃，最后对每组所测数据进行计算并求取平均值。

2

2.1

结果与讨论

纳米CaCO3用量对共混体系冲击强度的影响

图1是纳米CaCO3用量对共混体系冲击强度的影响曲线

图。从图1可以看出，刚开始随着纳米CaCO3用量的增大，试样的抗冲击性能显著增强，说明纳米CaCO3对PVC的缺口冲击强度有很大提高。这是因为纳米CaCO3粒子表面活性中心多，比表面积大，可以和PVC基体紧密结合，相容性较好，当PVC试样受到外力时，纳米CaCO3粒子引起PVC树脂银纹化

［6］

吸收能量，同时又通过“钉扎”机制阻止银纹扩大成裂纹，从而达到对PVC的增强作用。当纳米CaCO3的用量为10%时

22

缺口冲击强度达到最大值（17.0kJ/m），为纯PVC（6.5kJ/m）的262%，之后，再增加纳米CaCO3的用量，试样的缺口冲击强度反而下降，出现这种现象主要有以下两方面原因：（1）纳米CaCO3增多后，粒子过于接近，银纹组合成大的裂纹、微裂纹易发展成宏观裂纹，导致体系性能变差；（2）纳米CaCO3用量增大，使得共混体系分散困难，易产生粒子“团聚”现象，由于团聚粒子的表面缺陷，容易引起PVC基体树脂损伤而产生应力集中，最终使体系性能变差。

表2

纳米CaCO3用量对共混体系冲击强度的影响

缺口冲击强度/（kJ/m2）

6.511.817.012.49.57.57.4

051015202530

图。从图2中可以看出，刚开始随着纳米CaCO3用量的增大，试样的拉伸强度增大，当纳米CaCO3用量为10%时出现最大值（58.0MPa），为纯PVC（48.0MPa）的121%，之后，再增加其用量试样的拉伸强度反而下降。同时，从图3中可得知试样的断裂伸长率一直呈下降趋势，当纳米CaCO3用量超过10%时，其下降趋势更加明显。这是因为，PVC试样的拉伸强度主要取决于纳米CaCO3的含量以及界面粘结强度。当试样拉伸受力时，材料内部纳米粒子周围形成应力集中，在纳米CaCO3添加量较小的情况下，由于有效横截面积减小不大，界面结合比较牢固，粒子在拉伸过程中不易脱落，使得基体在受拉时，可以传递部分应力，有利于应力分散，因此在添加量较小时，试样的拉伸强度增大。但当纳米CaCO3用量超过10%时，试样的拉伸强度随纳米CaCO3用量的增加反而降低，这是因为随着纳米CaCO3用量的增加，导致PVC基体承担负荷的有效横截面积减小，粒子在基体中团聚成较大的粒子团，从而使试样的拉伸性能跟着下降。

表3

纳米CaCO3用量对共混体系拉伸强度与

断裂伸长率的影响变化表

拉伸强度/MPa

48.052.858.050.546.240.039.5

断裂伸长率/%

60.059.859.555.050.840.032.5

纳米CaCO3用量/%

051015202530

纳米CaCO3用量/%

图2

纳米CaCO3用量对共混体系拉伸强度的影响

（下转第118页）

118广州化工2015年3月

液泛，这在甲醇进料浓度变化较大时，操作时一定要引起足够注意。实际操作中，当甲醇进料浓度发生较大波动时，为防止发生液泛和保证连续正常生产需减小进料量。

3.4回流比变化

在进料量F不变的条件下，随进料中甲醇浓度xF的增大，塔顶甲醇产品量D增大，塔内上升的气相量增大，塔底热负荷自然随之增大，见图8。与此同向变化的塔顶冷凝器的热负荷也会随之增大。

随甲醇进料浓度的增大，甲醇对水的相对挥发度减小，分离难度增大，在回流比不变的条件下，所需理论板数增大；在理论板数不变的条件下，所需回流比随之逐渐减小，见图7。

4结论

Fig.7

图7回流比随甲醇进料浓度的变化

Ｒelationshipbetweenrefluxratioandmethanolfeedconcentration

3.5塔内热负荷的变化

通过对常压甲醇精馏系统的模拟计算分析，可以得出如下结论：

（1）随甲醇进料中甲醇浓度的增大，在分离要求不变的条件下，塔顶、塔底温度保持不变；

（2）随甲醇进料中甲醇浓度的增大，塔内气相负荷随之增大；塔内液相负荷在精馏段几乎不变，而在提馏段内液相负荷随之增大；

（3）随甲醇进料中甲醇浓度的增大，所需回流比随之减小；

（4）随甲醇进料中甲醇浓度的增大，塔内热负荷随之增大。

（5）流程模拟计算软件是工艺计算、工况研究等必不可少的得力工具。

参考文献

［1］董海生，卢宝春．浅谈节流效应及在天然气集输工艺中的应用［J］．

2003，22（11）：24．油气田地面工程，

［2］陈慧芳．天然气水合物抑制剂［J］．石油与天然气化工，1993，22

（3）：177－181．［3］唐锦文．甲醇精馏工艺模拟计算及分析［J］．化工设计，2006，16

（2）：13－17．［4］ComponentandThermophysicalPropertiesＲeferenceManual（Version

8．3）［K］．Invensysplc，2008．

图8再沸器热负荷随甲醇进料浓度的变化

Fig.8Ｒelationshipbetweenheatloadofreboilerand

methanolfeedconcentration

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵（上接第111页）

强度和拉伸强度反而下降。同时，试样的断裂伸长率一直呈下降趋势，当纳米CaCO3用量超过10%时，其下降趋势更加明显。本文认为加工性能良好的PVC中纳米CaCO3的用量在5%～10%为宜。

参考文献

［1］［2］

图3

纳米CaCO3用量对共混体系断裂伸长率的影响

［3］［4］［5］［6］

张立群，等．CaCO3/PVC纳米复合材料的研究李睿馨，周俊华，

［J］．中国氯碱，2009（5）：20－22．

．塑陈建峰．纳米CaCO3/PVC共混体系的研究［J］曾晓飞，王国全，

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J］．武汉科技大学学报，2009（5）：512－513．的结构和性能研究［

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．高校化学工程学报，2003，17（2）：207－211．能研究［J］

3结论

实验结果表明随着纳米CaCO3加入量的增大，试样的缺口冲击强度和拉伸强度显著增大。当纳米CaCO3的用量为10%时

2

缺口冲击强度和拉伸强度都达到最大值，分别为17.0kJ/m和58.0MPa，再增加纳米CaCO3的用量，试样的缺口冲击