高分子921张岩 Microsoft Word 文档.doc

安徽职业技术学院毕业论文安徽职业技术学院高分子材料加工技术专业毕 业 论 文第 15 页 共 15 页安徽职业技术学院毕业论文题 目：聚氯乙烯发泡塑料的配方与性能研究姓 名： 张岩 学 号： 2009111142 班 级： 高分子921 完成日期： 2012-4-19 指导教师： 吴昌龙 安徽职业技术学院材料工程系目录1引言.42聚氯乙烯发泡塑料的定义. .43聚氯乙烯发泡板材的配方.53.1工艺及其配方.53.1.1主体配方.53.1.2工艺.63.2PVC 发泡板材的组分.63.2.1 PVC 树脂63. 2 .2稳定剂63.2. 3 ACR 和发泡调节剂.73.2. 4 发泡剂73.2.5 润滑剂.83.2.6 填充剂.94 聚氯乙烯发泡塑料的影响因素.94.1 发泡剂对聚氯乙烯发泡塑料的影响94.2 促进剂用量对聚氯乙烯发泡材料性能的影响.104.3 碳酸钙用量对聚氯乙烯发泡材料性能的影响.125 聚氯乙烯发泡塑料的物理性能136 结论14.7 参考文献158 致谢15聚氯乙烯发泡塑料的配方与性能研究高分子921班张岩（学号：2009111142）摘要介绍了不同 PVC 发泡塑料的生产工艺及配方, 讨论了其配方设计和性能研究。硬质聚氯乙烯是一种理想“以塑代木”的产品。由于要求良好的泡孔结构，本文对配方中稳定体系。ACR加工改性剂和Caco3如何影响发泡为进行了初步研究。以为稳定性剂可以改善发泡性能，ARC和Caco3孔规整均匀。随 着 PVC树脂聚合度增加，塑化时间和加工转矩增加；随着 ACR加工助剂用量和分子质量的增加，塑化时间缩 短，转矩增加；ACR抗冲改性剂具有类似 ACR加工助剂的塑化改 良行为；添加填充剂碳酸钙促进 PVC熔融 塑化 ；ADC发泡剂可延缓 PVC混合料的塑化速率 、提高熔体粘度，添加发泡剂 NaHCO3将大大延缓混合料的。硬质交联发泡聚氯乙烯板材的结构性能、国内外发展现状及其发展前景; 硬质交联发泡聚氯乙烯板材具有阻燃性能, 有望取代现有的三大泡沫塑料, 成为新型节能保温材料; 国外生产的硬质交联发泡聚氯乙 烯板材产品性能优异, 而国内其工业化生产属于空白。与现有建筑用发泡塑料对比, 硬质交联发泡聚氯乙烯性能 更加优越, 其应用前景更加广阔关键词聚氯乙烯 表面处理剂 力学性能 发泡剂 配方1引言聚氯乙烯( PVC) 泡沫是一种闭孔泡沫。严格地 讲, 它实际上是聚氨酯交联 PVC 的产物, 但常常都 简单地说成 PVC 泡沫。PVC 泡沫具有综合的静力 和动力性能, 不易受潮 1 , 使用温度在-240 80 ! , 并且能够耐多种化学物质腐蚀。硬质交联 PVC 发泡材料具有阻燃性, 可以应用在具有严格防火要 求的设备( 如列车) 中。20 世纪 90 年代以来, 我国泡沫塑料的发展十 分迅速, 主要品种有聚氨酯( PU) 软质和硬质泡沫塑 料、聚苯乙烯( PS) 泡沫塑料和聚乙烯( PE) 泡沫塑料 3 大类 2 。但以上 3 类材料都有一定的局限性, 就 是易燃, 所以硬质交联发泡 PVC 板材应运而生。 PVC 具有原料易得, 价格低廉, 成型性能、力学强度及电绝缘性优良等优点, 加上 PVC 发泡材料与其他 发泡材料相比, 具有自身的阻燃性( 氧指数为 40 以 上) , 广泛应用于建筑、建材、装饰、家具、广告、汽车 等行业, 近年来得到快速发展。目前, 除在一些现场 发泡的结构中外, PVC 泡沫已几乎完全代替 PUR 泡沫而作为结构芯材。央视新址的北配楼着火后, 燃烧主要集中在钛 合金下面的保温层, 具有表皮过火的特点。大楼保 温层使用的材料是国家推荐使用的新型节能保温材 料, 这种材料燃烧后过火极快, 因此瞬间从北配楼顶 部蔓延到整个大楼, 这次火灾是新中国成立以来建 筑物过火燃烧最快的一例。目前这种新型材料在北 京市很多建筑中都有使用, 北京大学乒乓球馆着火也是这种情况。故随着央视新大楼重大火灾事故的 发生, 建材产品的防火性被提上建材产品发展的日 程。前期重材料后期重安防, 在设计与施工初期, 防 火材料的选择将成为今后建筑施工的重点。硬质交 联发泡 PVC 材料有望成为节能保温材料, 从而取代 其他发泡材料。2聚氯乙烯发泡塑料的定义聚氯乙烯本色为微黄色半透明状，有光泽。透明度胜于聚乙烯、聚丙烯，差于聚苯乙烯，随助剂用量不同，分为软、硬聚氯乙烯，软制品柔而韧，手感粘，硬制品的硬度高于低密度聚乙烯，而低于聚丙烯，在屈折处会出现白化现象。常见制品：板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电线外皮、文具等。是一种使用一个氯原子取代聚乙烯中的一个氢原子的高分子材料。3聚氯乙烯发泡板材的配方31工艺及其配方目前, 国内结皮发泡 PV C 板材的生产线大多是引进设备, 自由发泡 PV C 板材生产线主要是采用国产设备。常用主机一般为 80 锥形双螺杆挤出机 , 模具差别较大, 主要生产工艺大致相同。3.11主体配方聚氯乙烯发泡板材的主体配方见表13.12工艺将原料准确称量,按工艺要求顺序投料。根据使用发泡剂的种类来确定发泡剂的加入时间 达到捏合终点。物料温度达到 125 左右时,迅速将物料放入冷搅锅中冷却,降温至 50 左右,以防止结块和发泡剂过早分解而影响发泡倍率, 造成产品密 度增大。其工艺流程见图 1 。挤出机工艺参数1区: 175 186 , 2 区: 180 186 , 3 区: 185190 , 连接器: 175 185 , 机头: 190 200 , 主机电流:5070 A , 螺杆转速:1422 r/ mi n 。3.2PVC 发泡板材的组分3.2.1 PVC 树脂生产硬质 PV C 发泡制品 , 一般选用 K 值较低 的 PV C 树脂。生产 PV C 发泡板材一般采用 P - 700 型 PV C 树脂, 加工时其凝胶化速度快, 加工温 度相对较低, 产品质量稳定, 密度容易控制。在结皮 发泡 PV C 板材生产中, 为提高产品质量 , 严格控制 产品密度和厚度的波动, 多选用 P - 700 型乙烯法PV C 树脂。在自由发泡 PV C 板材生产中 , 从降低生产成本考虑, 也有不少厂家采用了电石法 P - 700型 PV C 树脂3. 2 .2稳定剂在PV C 发泡板材生产过程中, 为使物料充分塑化, 物料的温度较高; 并且板材模具横截面宽,流道长,特别是结皮发泡板材模具的定型段较长;另外,发泡剂在分解过程中还产生分解热。这些因素要求 稳定剂必须具备足够的热稳定效能, 才能保证产品 质量, 长期稳定生产。氧化铅质量分数在 60 %左右 的铅系复合稳定剂多用于生产普通 PV C 发泡板材;钙锌复合稳定剂和有机锡复合稳定剂大多用于生产出口的发泡板材和环保型装饰板材及家具用板材。铅系复合稳定剂中氧化铅和硬脂酸的金属盐类对AD C 发泡剂有活化作用, 会使 AD C 发泡剂分解温 度变宽。虽然降低了发泡温度, 但应注意熔融物料 离开口模的平稳性, 避免局部突发和鼓泡现象。铅 系复合稳定剂和钙锌复合稳定剂大多含有一定量的 石蜡、硬脂酸及硬脂酸的金属盐类, 在配方体系中,这些组分具有良好的润滑作用, 应综合考虑其对整 体润滑性能所起的作用。3.2. 3 ACR 和发泡调节剂A C R - 401D 是由甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙 酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯共聚而成, 其分子结构为核度, 减少熔融脉动, 防止熔体破裂, 显著提高制品表 面光滑度。发泡调节剂是由丙烯酸酯类多种单体经 多段乳液聚合而成的具有多层结构的高分子质量聚 合物, 其组成与作用机理与 A CR 相似, 但在配方体 系中更侧重于调节泡孔结构。在挤出加工过程中,发泡调节剂以分子的形式缠绕在 PV C 大分子上, 形成网状结构, 不但能够促进 PV C 塑化, 还能显著提 高发泡熔体的强度和延展性 , 使发泡熔体的膨胀处 于平稳可控状态, 得到泡孔结构均匀细密、独立性好 的 PV C 发泡板材。无论是在结皮发泡板材还是自 由发泡板材的生产中, A C R - 401D 和发泡调节剂 通常是配合使用。由于 A C R - 401D 和发泡调节剂 本身形成的核壳结构和网状结构对于提高制品常温 和低温下的冲击强度作用显著, 所以, 现在生产过程 中一般不再添加冲击改性剂 C P E 。金泓罗门哈斯 化工有限公司生产的 A C R - 401D 在结皮发泡板材 和自由发泡板材中均可应用。该公司生产的发泡调 节剂J HB - 24 、JHB - 26 多用于生产结皮发泡板材,一般用量为 6 份左右;J HB - 42 、JHB - 100 多用于 自由发泡板材, 一般用量为 8 份左右。配合以适量 的发泡剂和润滑剂, 板材密度可控制在 0 . 450 . 50 g/ cm3 。但有些厂家只考虑降低成本, 忽略了 A C R和发泡调节剂的有效成分含量, 以及无效成分副作用的影响 , 使制品密度难以有效控制, 甚至生产稳定 性差, 次品率高, 综合成本反而大幅度提高。3.2. 4 发泡剂制备发泡制品的基本要求是 : 熔融物料在离开 模唇之前不能发泡; 发泡剂的分解温度应与 PV C 的熔融温度范围相匹配, 并且发泡剂的残留量应尽量 少, 从而保证熔融物料在离开口模到定型模具之间 发泡剂分解完全。释压后的熔体发生均匀膨胀, 即使在高速挤出的情况下, 熔体的膨胀仍保持平缓的 速率, 表面不能出现局部泡孔聚集而不断鼓大泡的 现象。通常使用的 AD C 发泡剂有很多的优点, 但是其被活化后分解温度过宽, 离开口模后, 极易产生 局部鼓大泡的现象, 在制品表面留下疤痕, 使次品率 升高。还应该提出的是 , 因 AD C 发泡剂含有偶氮 基团, 分解残留物会影响到产品环保性能的检测, 对于出口产品更应该引起注意。 河南省禹州市中凯助剂厂生产的环保型 PV C硬质发泡制品专用发泡剂, 具有良好的加工性能, 其技术指标 :外观为白色细微粉末, 工作温度为 180 200 , 发气量为 180 mL / g , 有效含量 98 % , 含水质量分数 0 . 5 % 。该产品在物料中易于分散, 泡孔细密均匀, 产品密度可有效地控制在 0 . 45 0 . 50g/ cm3 。泡孔的微细特性和闭孔结构有利于形成致密光滑的表面, 在满足密度要求的情况下 , 表面硬度可以达到邵氏 D 硬度 80 左右。该发泡剂为吸热反应, 可避免芯层过热而发生降解发黄的现象, 在厚壁制品中尤为重要。在生产实践中证实, 采用该发剂可使生产平稳可控, 在挤出速率提高 30 %的情况下, 熔融物料离开口模仍保持平缓的膨胀速率 , 生产稳定性和产品定型好, 可有效降低制品的尺寸偏差。3.2.5 润滑剂在配方设计时,对 PVC 发泡板材要充分考虑体系的初期润滑性,以降低剪切热和摩擦热;还要考虑后期润滑性,使熔融物料在高温状态下仍有良好的外润滑性能,长时间稳定生产时不出现沉析、结垢现象。霍尼韦尔中国公司的 PE 蜡A - C 6A 有良好的初期润滑作用和提高制品表面光洁度的作用;A - C 316A 有良好的后期润滑作用和促进物料塑化作用,其主要性质见表 2。3.2.6 填充剂在配方体系中,轻质碳酸钙一般用量为 1040份,除作为发泡成核剂使用外,还能降低材料成本。但是其用量过大会使泡孔均匀性变差,影响外观质量,产品密度难以控制,造成综合成本提高。4聚氯乙烯发泡塑料的影响因素4.1发泡剂对聚氯乙烯发泡塑料的影响实验中采用 AC 作为体系的发泡剂 , AC 是目前应用最为广泛的化学发泡剂之一 ,具有放热强、突发性强、分解速度快等特点3 。由于AC 在使用时分解温度较高,因此需加入其他助发泡剂或者促进剂来降低其分解温度 ,使之与材料的加工成型温度相一 致4 。实验中选择 ZnO 作为活化促进剂以降低AC 的分解温度 。表3 是AC 用量对发泡材料力学性能的影响。由表 3 可看出, 随着AC 用量的增加 ,发泡材料的拉伸强度、撕裂强度和密度均明显的下降,尤其是当AC 用量由3 份增加至 5 份时, 材料的拉伸强度、撕裂强度和密度下降幅度较大;因此可以看出, AC用量过少时材料达不到很好的发泡效果,密度较大 , 因而材料的力学性能也相对较高,随着发泡剂用量的增加 , 材料的发泡效果越来越好 , 密度也越来越低，材料的力学性能也会随之相应下降, 但材料的密度并不是随着AC 用量的增加而一直降低的, 当AC 用量 为 13 份的时候 ,材料的密度反而有所上升。表3 AC 用量对PVC 发泡材料性能的影响 下图为 AC用量为 11份时材料断面的 SEM照片，AC用量为 9份时 (图 la、b)相 比，泡孔 的均匀性不如 11份时好 ，同时 AC用量为 11份时 ，泡孔的 结构不规整，局部有破孔及并孔的情况，这可能是因 为发泡剂用量过多，体系的交联与发泡不匹配，熔体 壁强度不够 ，气泡膨胀过快冲破泡孔壁所致 【5J。综合 考虑 ，当 AC用量为 9份时材料 的密度较小 ，力学性 能适 中，泡孔结构及均匀性也较好。AC用 量为 11份 时材料断面的 SEM照片4.2 促进剂用量对 PVC发泡材料性能的影响表4 TT 与 CZ 用量比对 PVC 发泡材料性能的影响通过表4 可看出,随着促进剂体系中CZ 用量的不断增加 ,材料的拉伸强度先降低撕裂强度变化也呈现出同样的趋势 ,当 TT/Z 质量比1/5时, 材料的各项力学性能均达到最大值 , 这可能是因为此时促进剂用量较多体系的交联网络密度达到最大所致。同时可看出, 当 TT/ CZ 质量比为1/2 时, 材料的密度达到最小值 ,此后材料的密度逐渐增大 , 当 TT/ CZ 为 1/5 时材料的密度最大,这也是由于此时促进剂用量增多,体系的交联网络密度增大所造成的, 综合对比不同的 TT 与 CZ 用量比,当TT/ CZ 为1/2 时, 主促进剂与辅促进剂之间的协同效应比较理想,促进剂可以较好的促进体系的硫化,使得体系的交联速度与发泡速度能够得到较好匹配, 体系的交联网络密度适中,材料的力学性能较好, 同同时材料的密度较低7 图3 是TT/CZ质量比分别为1/1和 1/2时材料断面的SEM 电镜照片。从图3 可看出,当TT/ CZ 为1/1时由于主促进剂 CZ 用量较少,致使体系得不到充分的硫化,体系局部交联网络密度较低 ,熔体强度不够 , 易使分解生成的气体逸出或者冲破熔体壁从而造成破孔及并孔的发生。而当TT/CZ为1/3时,体系的硫化速率过快,在发泡剂分解之前,体系的黏度就已很高,发泡剂分解放出的气体不易在胶料中分散 ,不利于形成结构均匀的泡孔 ,因此材料中泡孔的形状不规则,大泡孔较多,泡孔数量相对减少,密度较高。4.3碳酸钙用量对 PVC 发泡材料性能的影响酸钙用量对NBR/ PVC 发泡材料性能的影响见 表5 ,从表5 可看到, 碳酸钙的加入在一定程度上提高了材料的撕裂强度 ,而拉伸强度则变化不明显 ,当碳酸钙用量为 10 份时材料的拉伸强度最大 , 用量为20 份时撕裂强度最大。表 5碳酸钙用量对NBR/PVC发泡材料性能的影响从表中还可看出, 随着碳酸钙的加入 ,材料的密度先增大后减小之后再次增大 , 但相比于没有加碳酸钙的发泡材料而言, 加入碳酸钙后 ,材料的密度都较大 , 这可能是因为碳酸钙与橡胶间因发生某些物理或化学结合,阻碍了橡胶分子链的运动和滑移 , 从而使胶料门尼黏度增加 ,泡孔的生成较困难造成的。5 聚氯乙烯发泡塑料的物理性能硬质聚氯乙烯泡沫塑料的性能优越，在高温下不容易变软或发生蠕变。硬质聚氯乙烯交联聚氯乙烯发泡板材质量轻，热变形温度高，具有高强度和刚性重量比体积稳定优异。可以作为高温时下的夹层芯材。交联聚氯乙烯泡沫材料突出的优点是阻燃性好，优异的机械性能，完全不吸水，非脆性，优异的弯曲性能，提高了剥离强度，刚性强（邵氏D硬度达70）。6结论在设计 PVC 发泡板材配方时,应充分了解各种助剂的有效成分的含量及无效成分的副作用,以确保产品质量 提高产品档次。同时 还应统筹掌握配方成本和综合成本的关系 以达到最佳的经济效益。随着发泡剂用量的增加，材料的密度逐渐降低 ，与此同时材料的各项力学性能也有所降低，当发泡剂用量为 11份时材料的密度不再随之降低，此