PVC_U管抗冲击改性和高抗冲PVC_U管性能_滕谋勇

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2 PVC抗冲击改性及抗冲击改性剂
PVC的 增 韧 改 性 可 分 为 化 学 改 性 和 物 理 改 性 。 2.1 化学改性
化学改性是通过接枝、共聚等反应方法对PVC 进行改性,常用的PVC化学增韧改性方法有:(1)乙 烯基单体与氯乙烯共聚, 如氯乙烯与丙烯酸辛酯 的共聚;(2)弹性体与氯乙烯的 接 枝 共 聚 ,如 乙 丙 橡胶与氯乙烯的接枝共聚;乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA)与氯乙烯接枝共聚。 化学改性的优点是增 韧改性效果显著, 不足之处是要经过复杂的化学 反应,对工艺、设备有较多要求,一般在树脂合成 厂中采用,PVC-U管厂难于实现。 2.2 物理改性
无破裂,无 渗漏
60 ℃,10 MPa,100 h
无破裂, 无渗漏
无破裂, 无渗漏
检验结论
产 品 检 验 项 目 符 合 (GB/T 10002.1-2006《给 水 用 硬 聚 氯 乙 烯 (PVC -U) 管 材 》 标 准 要 求,合格。
3.2.2 快速冲击实验 根 据 AS/N2S 4765 (Int):2000 《 压 力 用 改 性
高抗冲 PVC 管材按国家标准 GB/T 10002.12006 《 给 水 用 硬 聚 氯 乙 烯 (PVC-U) 管 材 》 进 行 检 测,各项指标优良,均符合标准要求。以 dn110 mm× 4.2 mm 的管材举例说明,如表 1 所示。
验。 不同管径采用不同重量的冲锤,高速冲击实验 装置示意图及冲锤的形状如图 1 和图 2 所示,不 同管材所采用冲锤的重量和对破坏方式的要求见 表 2[3~5]。
PVC 管 材 》的 要 求 ,进 行 22 ℃,22 m 快 速 冲 击 试
表 2 高抗冲 PVC 管材高速冲击实验
Tab.2 Test conditions and breaking manner of HI PVC pipes
管材尺寸/mm 冲锤质量/kg 高度/m 破坏方式
100~125
10
物理改性是将改性剂与PVC共混,使其均匀分 散 到 PVC 中 , 从 而 起 到 增 韧 改 性 的 作 用 , 该 方 法 简 单易行,是被广泛采用的增韧方法。 增韧改性剂很 多, 可分为弹性体和非弹性体, 效果较好的有乙 烯-醋 酸 乙 烯 共 聚 物 (EVA)、丁 腈 橡 胶 (NBR)、丁 苯 橡 胶 (SBR)、丙 烯 腈-丁 二 烯-苯 乙 烯 三 元 共 聚 物 (ABS)、甲 基 丙 烯 酸 甲 酯-丁 二 烯-苯 乙 烯 共 聚 物 (MBS)、 丙 烯 酸 酯 类 共 聚 物 (ACR)、 氯 化 聚 乙 烯
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塑料助剂
2009 年第 5 期(总第 77 期)
3 高抗冲 PVC 管材的性能及评价方法
从目前高抗冲管材的发展看,开发高抗冲管材 目标是在强度不降低或稍降低的前提下提高韧性。 已开发出一批新产品,成功地应用于各个领域[6]。 3.1 高抗冲管材的名称
各 国 对 于 增 韧 改 性 的 聚 氯 乙 烯 (PVC-U) 管 采 用 的 名 称 不 同 , 如 (1) 改 性 聚 氯 乙 烯 PVC-M (Modified,美国、澳大利亚),表明 PVC 已改性;(2) 聚氯乙烯合金 PVC-A(Alloy,英国),表明加入抗冲 剂后生成以 PVC 为主的塑料合金;(3)高抗冲聚氯 乙烯管材 PVC-HI(High Impact,日本 、荷 兰),根 据 材料具有高抗冲性命名。 3.2 高抗冲 PVC 管材的性能[7~10] 3.2.1 按国际检测结果
表 1 dn110 mm×4.2 mm 高抗冲 PVC 管材力学性能
Tab.1 The mechanic properties of dn110mm×4.2mm PVC pipe
检测项目
技术指标
检测结果
壁 厚 /mm
4.2~4.9
4.2~4.3
密 度 /(kg·cm-3)
1 350~1 460
1 395
(CPE)、丙 烯 腈-苯 乙 烯 共 聚 物 (AS)、超 细 碳 酸 钙 纳米粒子等。 2.2.1 弹性体增韧机理
弹性体的增韧机理 主 [3,4] 要有以下两种:(1)剪 切屈服-银纹化理论:弹性体粒子以颗粒状均匀地 分散于基体连续相中,形成海岛相结构。 弹性体粒 子充当应力集中体, 诱发基体产生大量的剪切带 和银纹; 剪切带和银纹的产生及发展需消耗大量 的能量,从而使材料的冲击强度大幅度提高。 粒子 又可终止银纹和剪切带的发展, 使其不发展成破 坏性的裂纹;此外,剪切带也可阻滞、转向并终止 银纹或已存在的小裂纹的发展,促使基体发生脆- 韧转变,提高材料的韧性。增韧 PVC 的弹性体主要 包括 MBS、ACR、MABS 等;(2) 网络增韧机理:弹 性体形成连续网络结构,包覆 PVC 初级粒子。网络 结构可吸收大部分冲击能, 且 PVC 初级粒子在破 裂时, 也可吸收部分能量, 使材料的韧性得以提 高,代表的弹性体为 CPE。 2.2.2 刚性粒子增韧机理
针对PVC-U管韧性差的缺点, 近年来国外在 PVC管增韧改性方面做了大量的工作。 主要从两 个 方 面 入 手 :(1) 在 PVC-U 配 方 中 加 入 增 韧 剂 或 采 用 共 聚 PVC 树 脂 ; (2) 通 过 双 向 拉 伸 方 法 生 产 双 向 拉伸PVC管材,同时提高管材的强度和韧性。 增韧 是PVC改性的一个重要途径。
无机刚性粒子增韧机理是当无机刚性粒子与 PVC 基体粘合较好时,无机刚性粒子的存在可产生 应力集中效应,引发大量的银纹,并阻止银纹的发 展,促使基体发生剪切屈服,吸收大量的冲击能,达 到增韧的目的。
单纯使用弹性体增韧 PVC 的同时, 强度和模 量下降; 而采用刚性粒子增韧 PVC, 在增韧的同 时,强度和模量基本不下降或略微降低,有利于实 现刚性-韧性平衡。
第Leabharlann Baidu期
滕谋勇, 等. PVC-U 管抗冲击改性和高抗冲 PVC-U 管性能
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加入的部分回收料或料筒、 螺杆及模具中局部位 置的少量分解料;(2)团聚的碳酸钙粒子。 这些大 颗粒(缺陷粒子)夹杂在管材内部,成为材质中的 裂缝和缺陷。 裂缝的断裂理论认为,这些裂缝和缺 陷会使应力集中于裂缝的尖端处, 远高于管材材 质受到的平均应力[2]。 当它达到和超过某一临界条 件时,裂缝就会失去稳定性而扩展,以至最终当表 面应力达到某一值时,出现材料的断裂。 由此可以 看出,材料的不均匀性主要是由制造过程造成的, 材料的连接问题主要出现在施工过程中, 偶然因 素则是由施工、不可预测因素和材料本身造成的。 综上所述,PVC-U 管是脆性材料,生产过程中往往 会引入造成应力集中的结构缺陷,使得 PVC-U 管 受到作用力的时候出现快速开裂破坏现象。
1 PVC-U 管存在的问题
收 稿 日 期 :2009-05-04
PVC-U 是一种脆性材料,容易发生快速开裂。 管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时,裂 纹以每秒几百米的速度迅速增长, 瞬间造成几十 米甚至上千米管道破坏的大事故。 研究发现: PVC-U管的快速开裂绝大多数发生 在 试 压 初 期 , 且压力并不高(如只有0.2~0.3 MPa),裂纹长度0.4~ 1.6 m,部分断裂裂纹局部伴有鱼刺状裂纹出现,破 裂的管无明显的变形。 造成快速开裂的3个主要原 因 为 :(1)材 料 本 身 的 不 均 匀 性 ; (2) 材 料 连 接 造 成 的缺陷;(3)某些偶然发生的事故引 发 裂 纹 ,如 地 层下陷、第三方施工、蠕变开裂裂纹演化到一定程 度后转入快速开裂等, 其中最重要的原因是管材 组织不均匀性。 所谓管材的不均匀性是指PVC管 材内有与PVC树脂不相容的大颗粒, 他们是诱发 管材破裂的重要原因。 这些大颗粒主要包括:(1) 与管材基质材料有显著差异的棕黄色或棕色颗 粒,经分析确认为分解的PVC。 来源可能是原料中
Keywords:poly(vinyl chloride); impact modification; plastics pipe; toughening
我国聚氯乙烯 (PVC)管 道 系 统 起 步 于 20 世 纪 50 年代,改革开放前和国际上有很大差距。 80 年代以后开始引进国外先进技术,逐步建立起 完整的硬质聚氯乙烯(PVC-U)管道系统体系。 PVC 管道强度高、阻燃性能好、环刚度高、耐候性能优, 与聚烯烃管相比,还具有价格低的优点,因此在我 国 得 到 迅 速 的 发 展 。 2004 年 国 内 塑 料 管 产 量 为 2 000 kt,而 PVC 管 产 量 达 到 约 1 200 kt,居 各 类 塑料管的首位[1]。 但是,随着近年来聚合技术的发 展, 聚乙烯管耐压等级的逐渐提高, 增长速度加 快。 面对这样的形势,PVC 管材行业应分析和克服 PVC-U 管的缺点,通过改进 PVC-U 管的韧性,开 发高抗冲 PVC 压力管。
20
韧性破坏
150
15
20
韧性破坏
175~250
20
20
韧性破坏
300~400
无机刚性粒子和有机刚性粒子均可以增韧 PVC[5]。
有 机 刚 性 粒 子 增 韧 机 理 有 以 下 两 种 : (1) 冷 拉 机理: 刚性粒子圆形或椭圆形粒子均匀分散于 PVC 连续相中, 由于连续相与分散相之间的杨氏 模量和泊松比不同, 在两相界面产生一种较高的 静压力,这种高的静压力使分散相粒子被拉长,产 生大的塑性形变,从而吸收大量的冲击能量,提高 材料的韧性。 并促使周围的基体发生屈服,同时吸 收一定的能量, 使 PVC 的冲击强度得以提高;(2) 空穴增韧机理:相容性较差的体系,刚性粒子与基 体之间有明显的界面, 甚至在粒子周围存在着空 穴。 受冲击时,界面形成的微小空穴可吸收部分能 量,也可引发银纹吸收能量,从而提高冲击强度。
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性能与分析
塑料助剂
2009 年第 5 期(总第 77 期)
PVC-U 管抗冲击改性和高抗冲 PVC-U 管性能
滕谋勇 1 王艳芳 1 侯典军 2 刘建龙 2
(1.聊城大学材料科学与工程学院, 聊城, 252059;2.山东华信塑胶工业股份公司, 聊城, 252323)
摘 要 简述了 PVC-U 管存在的问题、PVC 抗冲击改性原理及抗冲击改性剂。 介绍了高抗冲 PVC 管抗冲性能和测试方法,并提出了高抗冲 PVC 管的开发建议。
维 卡 软 化 点 /℃
≥80
82.7
二氯甲烷浸渍试验 (15 ℃, 内外表面变
15 min)
化不劣于4 N
表面无变化
纵 向 回 缩 率 /%
≤5
2.6
落锤冲击试验(0 ℃)TIR/%
≤5
≤5
液压试验 20 ℃,38 MPa,1 h
无破裂, 无渗漏
无破裂, 无渗漏
20 ℃,30 MPa,100 h
无破裂, 无渗漏
关键词 聚氯乙烯 抗冲击改性 塑料管 增韧
The Toughening Modification for PVC Pipe and Properties of High Impact PVC Pipe
Teng Mou-yong1 Wang Yan-fang1 Hou Dian-jun2 Liu Jian-long2
(1. College of Materials Science and Engineering, Liaocheng University, Liaocheng, 252059; 2.Shandong Huaxin Plastics Company, Liaocheng, 252323)
Abstract:The defects, principal of toughening and impact modifier for PVC -U pipe were described briefly. Impact property and its determination method of high impact PVC -U pipe were introduced. Meanwhile, suggestion for development of enhanced impact PVC pipe was also pointed out.
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