纳米材料改性PVC技术的研究

纳米材料改性PVC技术的研究

牛永生史抗洪河南安阳工学院

摘要：本文主要综述了纳米CaCO3改性PVC、蒙脱土纳米复合材料改性PVC以及其他纳米复合材料改性PVC的方法，研究结果表明：纳米复合技术在聚氯乙烯增韧改性中具有同时提高材料韧性和强度的特点，纳米复合技术将成为聚氯乙烯增韧改性的一种重要方法。

关键词：纳米粒子；PVC；改性

Abstract:In this paper,modification methods of nano-CaCO3/PVC,montmorillonite nanocomposites/PVC and other PVC nanocomposites is reviewed.The result shows that they have good properties that toughenss and intensity can be improved at the same time.Nanotechnology will become popular in toughening modification of PVC.

Key words:nanoparticles,PVC,modification

1前言

聚氯乙烯(PVC)是五大热塑性合成树脂之一，具有绝缘、阻燃和耐腐蚀等优点，原料来源丰富、价格低廉、加工简单、生产能耗低，已经成为人类不可缺少的一类重要化工原料，在工业、农业、建筑、交通运输、电力电讯和包装等各个领域获得了广泛的应用。化学建材作为PVC应用的主要发展方向，要求其具有更高的使用性能：高强度、高模量和高韧性以及耐温性能等。但聚氯乙烯树脂作为化学建材使用具有明显的缺陷：抗冲击性能差，纯硬质PVC制品的缺口抗冲击强度只有2kJ/m2~ 3kJ/m2，属于硬脆性材料，特别是低温韧性差，降低温度时迅速变硬变脆，受冲击时极易脆裂；软质PVC的增塑剂迁移性较大，使用过程中小分子的增塑剂容易逸出，导致制品脆裂，热稳定性差，在较低温度下开始明显分解、降解，难加工，未添加增塑剂的聚氯乙烯熔体粘度大，流动性差。这些缺陷都大大制约了PVC材料应用范围的进一步拓展。为了改善PVC性能方面存在的不足或赋予新的性能，进一步拓宽PVC的应用范围，对PVC的增韧、增强、提高耐热性等的改性研究非常重要。纳米技术的发展及纳米材料所表现出的优异性能，给人们以重大的启示。人们开始探索将纳米材料引入PVC增韧改性研究中，并发现增韧改性后的PVC树脂具有优异的韧性，刚度及强度得到显著改善，而且热稳定性、尺寸稳定性、耐老化性等也有较大提高，纳米复合材料已经成为PVC增韧改性的一个重要途径。本文主要介绍纳米复合材料在PVC增韧改性方面的研究现状和发展趋势。2纳米CaCO3改性PVC

CaCO3是高分子复合材料中广泛使用的无机填料。在橡胶、塑料制品中添加CaCO3等无机填料，可提高制品的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性及刚度等，并降低制品成本，成为一种功能性补强增韧填充材料，受到了人们的广泛关注。

牛建华[1]等用熔融共混方法制备PVC/nano-Ca CO3复合材料，研究了纳米CaCO3粒径、表面处理剂及含量对复合材料拉伸性能和界面作用的影响，用界面作用参数B和界面解键角θ表征了CaCO3纳米颗粒和PVC之间的界面作用大小。研究表明，相对于异丙基三(硬酯酰基)钛酸酯以及未改性的纳米CaCO3颗粒,异丙基三(二辛基焦磷酰基)钛酸酯处理使得PVC/nano-CaCO3复合材料有更高的拉伸强度和界面作用。PVC/nano-CaCO3复合材料的拉伸强度和界面作用随着表面处理剂含量的增加以及纳米碳酸钙粒径的减小而增大。蔡梦军[2]等研究了纳米CaCO3和矿纤维对聚氯乙烯(PVC)复合材料力学性能的影响。结果表明，在硬质PVC复合材料中填充材料的形状对PVC复合材料的力学性能影响较大，纤维状的矿纤维比球状的纳米CaCO3作为填充材料

对硬质PVC复合材料的力学性能明显要高，而在软质PVC复合材料中,填充材料的形状对拉伸性能的影响较小。王少会[3]等通过熔融共混法制备了PVC/改性nano-CaCO3复合材料，并测试了复合材料的力学性能和转矩流变性能。结果表明：PVC/改性nano-CaCO3复合材料的力学性能比PVC/未改性nano-Ca-CO3均有所提高，PVC/改性nano-CaCO3复合材料在塑化过程中各阶段的扭矩及塑化时间比PVC/未改性nano-CaCO3均有所下降，其中超分散剂的改性效果最好。赵风云[4]等对自制直径为30nm~40nm，长径比为10~15的针形纳米CaCO3进行表面改性后，将其应用于聚氯乙烯(PVC)的改性研究中，考察了改性针形纳米CaCO3/PVC复合材料的力学性能。与未填充的PVC相比，纳米CaCO3填充量为2.69%(体积分数)时，复合材料的拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率分别提高了5.7%、11.3%和33.7%。改性后的纳米CaCO3与PVC之间的界面作用与未改性CaCO3相比有所减弱。扫描电镜照片(SEM)显示，添加了改性针形CaCO3的聚氯乙烯断裂为韧性断裂，冲击断面呈现明显的拉丝现象。高光涛[5]等研究了改性纳米Ca CO3对PVC材料结构和性能的影响，主要考察了改性纳米CaCO3及改性剂用量对PVC力学性能的影响。并对复合材料的结构进行了观察。研究表明，与ACR增韧PVC相比较，改性纳米CaCO3在大幅度提高PVC 材料缺口冲击强度的同时能保持基体的刚性。二者并用则在进一步提高PVC复合材料的缺口冲击强度的同时改善了材料的断裂伸长率，冲击试样断面显示出比较典型的韧性断裂特征，而且改性纳米CaCO3在PVC基体中的分散良好。耿涛[6]等研究纳米Ca CO3/PVC复合材料的微观结构、力学性能及流变性能，SEM观察复合材料冲击缺口的断面微观形态和纳米CaCO3粒子在PVC中的分散情况。结果表明：在PVC共混体系中加入纳米CaCO3可明显提高材料的韧性，当CaCO3用量在10份左右时，纳米Ca-CO3/PVC复合材料的冲击强度达到最大值，是普通CaCO3/PVC复合材料冲击强度的2倍，且复合材料的拉伸强度也略有提高。在流变学研究方面，纳米CaCO3/PVC复合材料与普通CaCO3/PVC复合材料同是假塑性流体。陈昊[7]等人研究了2μm超细重质CaCO3改性聚氯乙烯(PVC)树脂的力学性能，并与普通重质CaCO3作了对比。结果表明，两种粒子在PVC 注塑件配方中添加份数相同时，添加超细重质Ca-CO3的PVC材料的力学性能明显优于添加普通重质CaCO3的材料的力学性能;通过扫描电镜照片观察到2μm超细重质CaCO3在PVC基体树脂中分散均匀，PVC/超细重质CaCO3在阀门注塑件上使用效果良好。何杰[8]等人研究了表面改性微米重质CaCO3填充的聚氯乙烯(PVC)树脂所得PVC/CaCO3复合材料的结构和热力学与机械性能。结果表明，改性微米重质CaCO3的填充能明显提高PVC基复合材料的缺口冲击强度和维卡软化温度。当填充质量分数20%的改性微米重质CaCO3后，PVC/CaCO3复合材料的冲击强度为20.92kJ/m2，比未加微米重质CaCO3的提高了49.9%。扫描电镜(SEM)观察复合材料的表面形态，发现拉伸断面有拉丝现象。热失重-差示扫描量热分析发现，微米重质CaCO3对PVC基复合材料分解有一定的抑制作用。王士财[9-10]等通过对纳米碳酸钙(nano-CaCO3)表面处理及其对聚氯乙烯(PVC)、氯乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(VC/BA)、nano-CaCO3三元复合体系加工工艺的考察，研制了PVC/(VC/BA)/nano-CaCO3复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明：以nano-CaCO3与VC/BA共聚物先制成复合母粒，再与PVC进行共混的二次分散成型工艺，比传统的将三者直接进行共混的一次分散成型工艺更有利于纳米粒子在基体中的分散，所制材料的力学性能更优。当复合母粒中VC/BA与nano-CaCO3的比例为2∶3时，材料的力学性能最佳，nano-CaCO3和VC/BA能协同增韧PVC，并且nano-CaCO3对材料具有补强作用，使材料在强度保持基本不变的情况下冲击性能得到大幅度提高，当PVC和复合母粒质量比为100∶20时，材料的冲击强度达到49.5kJ/m，是纯PVC(PVC的冲击强度为4.9kJ/m)的10倍，拉伸强度仍高达51.0MPa。

3蒙脱土纳米复合材料改性PVC

PVC/蒙脱土纳米复合材料将是21世纪塑料工业的超级明星。与传统的复合材料相比，其力学综合性、热稳定性和耐老化性等方面优于纯PVC和普通PVC/填充物复合材料，具有高强度、高模量、高尺寸稳定性、低吸湿性、良好的阻隔性能和加工性能，从而扩大了其应用领域，在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子电气部件、食品包装材料等市场具有极大的潜力。因此，不断更新、完善PVC/蒙脱土纳米复合材料的制备技术、制备理论以及分析测试方法将是今后一段时期内的重要研究课题。原位