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PVC塑料的性能与应用研究进展

                                        PVC塑料的性能与应用研究进展
                      刘忠科1,雍奎刚2,武文2,高成凤2,贾冰茹2
    1 ·大连益多管道有限公司,辽宁大连 1163182· 大连塑料研究所有限公司,辽宁大连 116033
    摘 要:论述了聚氯乙烯(PVC)的合成工艺,分析了PVC塑料的性能及改性方法,介绍了PVC塑料的应用领域,并对PVC塑料的发展方向进行了展望。
    关键词 : 聚氯乙烯;合成;性能;改性;应用
    中图分类号 : TQ325.3 文献标识码 : A
    聚氯乙烯(PVC)是五大通用塑料之一,价格低廉,改性后综合性能优良,其总产量仅次于聚乙烯,被广泛应用于工业、农业、建筑、电子电气、交通运输、电力、电讯、包装等各个领域。PVC呈微黄色半透明状,有光泽,透明度高于聚乙烯、聚丙烯,低于聚苯乙烯。PVC不易燃烧、强度高,耐候性及尺寸稳定性优良。PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力,但能够被浓硫酸、浓硝酸等所腐蚀。PVC的收缩率较低,一般为0.2%~0.6%。PVC在光、热作用下的稳定性较差,在高温作用下或经长时间阳光曝晒,会分解产生氯化氢,并进一步自动催化分解而变色,物理力学性能也会迅速下降,在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。PVC难以加工,因其熔融温度接近分解温度,且流动性较差,加工工艺范围很窄,因此通常需要加入增塑剂、润滑剂、加工助剂等其他助剂。根据增塑剂用量的不同,PVC制品可分为软质和硬质两种。硬质PVC机械强度高,经久耐用,用于生产结构件、壳体、玩具、板材、管材等;软质PVC质地柔软,用于生产薄膜、人造革、壁纸等[1-4]。
    1· PVC树脂的合成
    PVC树脂是由氯乙烯单体经悬浮、乳液、本体或溶液法聚合而成。其中,悬浮聚合法生产工艺成熟、操作简单、生产成本低、产品种类多、应用范围广,一直是生产PVC树脂的主要方法,在世界PVC生产装置中大约占90%的比例。其次是乳液聚合法,用于生产PVC糊树脂,通常采用水溶性引发剂,把氯乙烯单体、水溶性物质、水、乳化剂及非离子型表面活性剂加入聚合釜中进行聚合,其聚合反应由自由基引发,反应温度和引发剂的浓度对聚合反应速率和PVC树脂的分子量分布影响很大。
    悬浮聚合通过不断进行搅拌使单体液滴在水中保持悬浮状态,聚合反应在单体小液滴中进行,通常悬浮聚合反应为间歇聚合。近年来,很多PVC树脂生产厂对间歇悬浮聚合工艺的配方、聚合釜、产品品种和质量不断研究和改进,开发出各具特色的工艺技术,目前应用较多的是Geon公司(原B FGoodrich公司)、日本信越公司和欧洲EVC公司的技术。这三大公司的技术在1990年以来全球新增的PVC树脂生产能力中各占大约21%的比例。
    本体聚合法生产工艺在无水、无分散剂、只加入引发剂的条件下进行聚合,不需要后处理设备,投资少,节能,成本低。用本体聚合法生产的PVC树脂制品透明度高、电绝缘性好、易加工,悬浮法树脂的生产设备均可用于加工本体法树脂。PVC本体聚合工艺在上世纪80年代得到较大发展。尽管从理论上来说,悬浮和本体聚合工艺生产的树脂可以用于相同的领域,但实际生产中一般只使用其中的一种,因为悬浮树脂和本体树脂不能混合,即使少量混合也会因静电效应导致聚合物粉末的流动性降低。由于悬浮聚合树脂更易得到,因此大多数加工厂放弃了本体树脂,导致本体聚合工艺呈止步不前甚至衰退状态。
    在溶液聚合工艺中,氯乙烯单体溶解在一种有机溶剂(如乙酸丁酯、丙酮等)中引发聚合,随着反应的进行,聚合物沉淀下来。溶液聚合反应主要用于生产氯乙烯与乙酸乙烯共聚物(通常乙酸乙烯含量在10%~25%)。溶液聚合工艺生产的共聚物纯净、均匀,具有独特的溶解性和成膜性。但该工艺存在溶剂回收有残留、单体易受污染等缺陷,且生产成本较高。
    2 ·PVC塑料的性能
    2.1 物理性能
    PVC系热塑性树脂。在紫外光下,硬PVC产生浅蓝或紫白色荧光,软PVC则发出蓝色或蓝白色荧光。PVC塑料的物理力学性能取决于树脂的分子量、增塑剂及填料用量。树脂的分子量愈大,其力学性能、耐寒性、热稳定性愈高,但加工温度也需较高,成型比较困难;分子量低则与上述相反。PVC配方中,随着填料用量增多,则其拉伸强度降低。
    2.2 热性能
    PVC树脂的软化点接近于分解温度。它在140℃时已开始分解,而在170℃时分解更加迅速。在PVC树脂成型加工过程中,有两项最重要的工艺指标,即分解温度和热稳定度。所谓分解温度就是大量放出氯化氢时的温度,所谓热稳定度就是在一定温度条件下(通常是190℃)不大量放出氯化氢的时间。PVC塑料长期暴露于100℃下,除非添加碱性稳定剂,否则也会分解,若超过180℃则快速分解。
    2.3 稳定性
    PVC树脂是一种较不稳定的聚合物,在光和热的作用下都会降解,其过程是放出氯化氢,发生结构的变化,但程度比较轻。同时在机械力、氧、臭氧、氯化氢以及某些活性金属离子存在时会加速分解。PVC树脂脱去氯化氢后,在主链上产生了共轭双键,颜色也会改变。而随着氯化氢分解的数量增加,PVC树脂则由原来的白色变为黄色、玫瑰色、红色、棕色以至黑色[5-6]。
    2.4 电性能
    PVC塑料的电性能取决于聚合物中残留物的数量、配方中各种添加物的类型和数量。PVC的电性能还与受热情况有关:当加热使PVC分解时,由于氯离子的存在而降低其电绝缘性,如果所产生的大量氯离子不能为碱性稳定剂(如铅盐)所中和,则会导致其电绝缘性能明显下降。PVC的电性能随频率和温度的变化而改变,如PVC的介电常数随频率升高而降低。
    2.5 化学性能
    PVC具有极好的化学稳定性,用其作为防腐材料极有价值。PVC对大多数无机酸和碱是稳定的,不易受热溶解而分解释放出氯化氢。PVC的溶解性与其分子量大小及聚合方法有关。一般来说溶解度随着聚合物分子量的增大而减小,乳液法树脂比悬浮法树脂的溶解性差。PVC可以溶解于酮类(如甲己酮、环己酮),芳香族溶剂(如甲苯、二甲苯),二甲基甲酰胺、四氢呋喃中。常温下PVC树脂几乎不溶于增塑剂,高温下显著溶胀,甚至溶解。
    2.6 加工性能
    PVC是无定型高聚物,没有明显的熔点,加热到120~150℃时具有可塑性。由于其热稳定性较差,在该温度下会释放出少量氯化氢,促使其进一步分解,故必须加入碱性的稳定剂和氯化氢反应来抑制其催化裂解反应。纯PVC是硬质制品,需加入适量的增塑剂才能使其柔软。对于不同的制品还需加入诸如紫外线吸收剂、填充剂、润滑剂、颜料、防霉剂等助剂以改善PVC制品的使用性能。与其他塑料一样,PVC树脂的性能决定了制品的质量。对PVC而言,与加工有关的树脂性能主要有颗粒粒径、热稳定性、分子量、鱼眼、松密度、纯度、孔隙率等;对于PVC糊树脂,还有糊料的黏度和胶化性能等[7]。
    3· PVC塑料的应用
    PVC树脂可以采用多种方法加工成制品。悬浮聚合的PVC树脂可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。分散型树脂或糊树脂通常只采用糊料涂布成型,用于织物的涂布和生产地板革;糊树脂也可以用于搪塑成型、滚塑成型、蘸塑成型和热喷成型等。
    3.1 一般软制品
    利用挤出机可以将PVC制成软管、塑料线、电缆和电线的外皮,还可以流延或压延成各种厚度的地板垫。利用注塑成型的方法可以将PVC制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋等。
    3.2 薄膜
    利用压延机可将PVC压延成各种厚度的透明或着色薄膜,也可以利用吹塑成型机将PVC吹制成薄膜。还可以采用流延工艺,将PVC膜与聚酯编织布复合,制备广告灯箱布、篷布及防水卷材等。PVC薄膜上可以印制各种花纹图案(如商标、LOGO、宣传广告等),还可以加工成包装袋、购物袋、雨衣、桌布、窗帘等,而宽幅的透明薄膜可以建造温室大棚[8]。
    3.3 硬管和板材
    在PVC中加入稳定剂、润滑剂和填料,经混炼后,可以挤出成型各种口径的硬管、异型管、波纹管,用作下水管、饮水管、电线套管等。PVC管道凭借其自重轻、耐腐蚀、耐压强度高、安全方便等特点受到了工程界的一致好评[9]。尤其近年来,在国内经济快速发展的拉动下,我国PVC管道发展十分迅速。将压延好的薄片重叠热压,可制成各种厚度的硬质板材。板材可以切割成所需的形状,焊接成各种耐化学腐蚀的容器、通风管道等。
    3.4 涂层制品
    将PVC糊树脂配制成一定黏度涂覆在布或纸上,然后在100℃以上将其塑化,可制成有衬底的人造革。如果将PVC软片用压延机直接压延成一定厚度时,可制成无衬底的人造革,并可压出各种花纹。人造革用于制造皮包、皮箱、沙发和汽车座垫、地板革以及书的封面等。将PVC涂覆在由涤纶长丝编织的基布上,可以制成帆布。PVC帆布拉伸强度高,防水防腐,可以用作汽车篷布、苫布、防火门帘等。
    3.5 泡沫塑料
    软质PVC在混炼时加入适量的发泡剂,经发泡成型可制成泡沫塑料。PVC发泡塑料具有耐候性和阻燃性优良、绝热、降噪、质轻等优点,可广泛用作隔板、广告牌、展示面板等,还可用作泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫和各种缓冲包装材料。也可以挤出制成低发泡硬质板材,代替木材作为建筑材料。将木粉与PVC塑料混合,可以制备绿色环保的木塑发泡材料[10-11]。将PVC糊树脂涂覆在涤纶编织基布上,经加热发泡后可制备防滑垫、瑜伽垫等各类地垫、坐垫。
    3.6 日用品
    PVC常被用来制作各种仿真皮革,如行李包、运动制品、服装和专用保护设备的皮带。服装用PVC织物一般是吸附性织物(不需涂布),如雨披、婴儿裤、仿皮夹克和各种雨靴。PVC还可用于许多娱乐用品,如玩具、唱片等。目前PVC玩具产量增幅迅猛,主要原因就是PVC生产成本低,且易于成型。
    3.7 糊状制品
    将PVC糊树脂分散在液体增塑剂中,使其溶胀、塑化成增塑溶胶,再加入乳液、稳定剂、填料、着色剂,经过充分搅拌,脱气泡后,可配制成PVC糊,用浸渍法、浇铸法、搪塑法将PVC糊涂覆在各种制品表面,起防腐蚀、美化作用。
    3.8 异型材
    利用各种截面为非圆形的模具、由挤出成型法制得的PVC异型材具有很多突出的优点:如耐腐蚀,使用寿命长,色彩保持性好;价格低廉,远低于具有同等强度和寿命的金属材质;色彩丰富、装饰性好,既环保又经济;材质轻,安装方便,易于运输。在我国,PVC异型材约占PVC总消费量的25%左右,主要用于建筑、家装等行业。
    4 ·结语
    近年来,我国的PVC工业已经从高速发展期过渡到了结构调整期,正在逐步由PVC生产大国转变为生产强国。加强对PVC基础性能的研究,利用各种助剂来改善PVC原料的综合性能,开发无毒助剂,制备PVC与其他聚合物的合金材料,是PVC行业发展的重要方向。
参考文献:
[1]中国氯碱工业协会. 聚氯乙烯工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社, 1990.
[2]郑石子. 聚氯乙烯生产与操作[M]. 北京: 化学工业出版社,2008.
[3]山西省化工研究所. 塑料橡胶加工助剂[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.
[4]雍奎刚,刘忠科,刘宝钊. PVC无毒增塑剂的应用和发展[J]. 塑料科技, 2007, 35(6): 90-93.
[5]刘佳,蒋平平,刘小林,等. 稀土类PVC热稳定剂——镧、铈、镨盐的性能研究[J]. 塑料科技, 2009, 37(4): 48-52.
[6]王海鹰,张玉杰. 光稳定剂在PVC中的应用[J]. 塑料科技, 2009,37(12): 52-57.
[7]骆雁,雷东. 近年中国PVC糊树脂发展状况[J]. 中国氯碱,2012(1): 22-24.
[8]李建成,李仲瑾. PVC薄膜质量的研究[J]. 包装工程, 2003(5):44-46.
[9]汪晓鹏. PVC管材工业的应用和发展趋势的综述[J]. 工程塑料应用, 2011, 39(S1): 60-63, 68.
[10]陈福林,陈广汉,岑兰,等. 加工助剂对PVC木塑复合材料性能的影响[J]. 塑料科技, 2008, 36(6): 67-71.
[11]李兵,石宝山,周南桥,等. 木粉和发泡剂对PVC基木塑复合发泡材料性能的影响[J]. 塑料科技, 2009, 37(5): 38-41.


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